Modulation des propriétés mécaniques et rhéologiques de matériaux à base de gluten de blé : renforcement par des fibres végétales et addition de lignine Kraft

par Thiranan Kunanopparat

Thèse de doctorat en Science des aliments

Sous la direction de Stéphane Guilbert.

Soutenue en 2008

à Montpellier SupAgro .

mots clés

• Blé
• Gluten -- Propriétés mécaniques
• Rhéologie
• Lignine
• Fibres naturelles

Résumé

L’objectif initial de cette thèse était d’améliorer les propriétés des matériaux à base de gluten de blé par l’addition de fibres végétales (chanvre et bois). Les composites obtenus présentent des propriétés mécaniques intéressantes: la contrainte à la rupture et le module d’Young sont augmentés, tandis que la déformation à la rupture décroît. Cette évolution est classiquement observée dans la littérature, mais, lorsque la matrice est plastifiée (cas des agropolymères), cette évolution est semblable à celle résultant d’une baisse de la teneur en plastifiant. La mesure des températures de transition vitreuse de la matrice a mis en évidence un phénomène de dé-plastification, associé à une migration d’une fraction de plastifiant vers les fibres. Cette mesure quantitative a permis de distinguer les effets renfort et dé-plastifiant liés à l’addition des fibres. L’évolution observée du module d’Young en fonction de la teneur en fibre a été comparée avec les prédictions issues du modèle de Tsai-Pagano, mettant en évidence un effet important de la température de mise en œuvre. Afin de mieux comprendre les interactions se produisant à l’interface fibre-matrice, nous avons étudié le comportement de mélanges entre le gluten, et l’un des composants de surface des parois végétales, la lignine (extraite du bois par un procédé Kraft). L’addition de lignine Kraft modifie fortement les propriétés du gluten de blé. La formation des fortes interactions entre les deux agropolymères a été mise en évidence, confortant l’hypothèse du rôle important que cet agropolymère peut jouer dans l’adhésion fibre-matrice. Les mélanges obtenus présentent en outre des propriétés rhéologiques intéressantes: l’addition de lignine Kraft se traduit par un durcissement du matériau à température ambiante, et une forte diminution du module caoutchoutique à des températures correspondant à la mise en forme des agropolymères. La lignine Kraft apparaît donc comme un agent modificateur de rhéologie particulièrement intéressant pour élargir la fenêtre d’extrusion du gluten de blé, tout en renforçant ses propriétés mécaniques et en réduisant sa sensibilité à l’eau.

Titre traduit

Modulation of mechanical and rheological properties of wheat gluten-based materials : reinforcement by natural fibers and Kraft lignin addition

Résumé

The initial objective of this thesis was to improve the properties of gluten-based materials by the addition of natural fibers (hemp and wood). The resulting composites present interesting mechanical properties: tensile strength and Young’s modulus increased, while the elongation at break decreased. This evolution is classically observed in the literature, but, when the matrix is plasticized (in the case of the agropolymers), this evolution is similar to that resulting from a decrease in the plasticizer content. The measurement of the glass transition temperatures of the matrix presented a phenomenon of de-plasticization, associated with a migration of a fraction of plasticizer to fibers. This quantitative measurement allowed distinguishing the reinforcing and de-plasticizing effects related to the fiber addition. The observed evolution of Young’s modulus according to the fiber content was compared to the Tsai-Pagano model, demonstrating a significant effect of the processing temperature. In order to better understand the interactions occurring at the matrix-fiber interface, the behavior of blends between the gluten and one of the components located at the surface of the natural fiber, lignin (extracted from wood by Kraft process), was studied. The addition of Kraft lignin strongly modified the properties of the wheat gluten. The formation of strong interaction between these two agropolymers was observed, confirming the assumption of the significant role that lignin can play in the matrix-fiber adhesion. The obtained blends presented interesting rheological properties: the addition of Kraft lignin resulted in a material stiffness at ambient temperature, and a strong reduction in the rubbery modulus at temperatures corresponding to the agropolymers processing. Kraft lignin thus seems to be a rheological modification agent which should enlarge the wheat gluten extrusion window, while reinforcing its mechanical properties and reducing its water sensitivity.