Développement et optimisation d'un procédé extrapolable de production d'isolats de protéines de tournesol

Development and optimization of a scalable process to produce protein isolates from sunflower

• Auteur / Autrice : Sara Albe Slabi
• Direction : Romain Kapel, Christelle Mathé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés biotechnologiques
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Christine Gérardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Kapel, Christelle Mathé, Estelle Couallier, Jérôme Lecomte, Serge Pin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Estelle Couallier, Jérôme Lecomte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aliments fonctionnels

Ultrafiltration

Extraction (chimie)

Albumines

Globulines

Hydrolysats de protéines

Teneur en protéines

Tournesol

Mots clés libres

Protéines de tournesol

Tourteau

Isolat

Globulines

Albumines

Extraction

Purification

Modélisation

Optimisation multicritère

Sunflower proteins

Meal

Isolate

Globulins

Albumins

Extraction

Purification

Modelling

Multicriteria optimization

Résumé

Le tourteau de tournesol, coproduit du procédé d’extraction d’huile, est une source importante de protéines (30−70 % de la matière sèche). Ces protéines sont composées de deux fractions principales : les globulines (hélianthinines) et les albumines (SFA). Grâce à un profil équilibré en acides aminés et de bonnes propriétés fonctionnelles, elles présentent un fort potentiel d’utilisation comme isolat pour l’alimentation humaine. Cependant, la littérature montre de nombreux verrous scientifiques quant à la production d’isolats de protéines de tournesol. Ces verrous sont liés aux interactions protéine-acide chlorogénique (composé phénolique principal hydrosoluble du tournesol), à la faible extractabilité des protéines du tourteau et la dénaturation irréversible des helianthinines lors de la purification par précipitation acide. L’objectif de ces travaux a donc été de lever ces verrous et, ainsi, de proposer des voies extrapolables de production d’isolats de protéines de tournesol. La première partie de thèse a reposé sur le développement d’une méthode de dosage simultané des protéines, des isomères de l’acide chlorogénique libres et de l’acide chlorogénique lié aux protéines. Cet outil analytique a permis d’avoir un accès rapide et fiable sur les critères de performances cruciaux pour la mise au point et l’optimisation des conditions de production. Dans la deuxième partie de thèse, une condition optimale d’extraction des protéines totales de tourteau de tournesol qui maximise le rendement et minimise les interactions protéine-phénol a été recherchée. Pour cela, une démarche d’optimisation multicritère reposant sur des outils de planification expérimentale et des algorithmes génético-évolutionnaires a été mise en œuvre. Ensuite, une méthode alternative de purification des protéines par ultrafiltration a été mise au point. Cette partie a permis d’améliorer le niveau de compréhension scientifique de l’extraction des protéines de tournesol et a abouti à un produit satisfaisant. Toutefois, il s’avère que le tourteau résiduel post-extraction a été appauvri en protéines et reste riche en acide phytique (facteur antinutritionnel). La troisième partie de thèse a donc été focalisée sur la mise en place d’une stratégie alternative de l’extraction sélective des albumines. Pour ce faire, la méthodologie de modélisation et d’optimisation multicritère, utilisée dans la deuxième partie de thèse, a permis d’identifier des conditions optimales d’extraction sélective des albumines, avec un bon rendement et maintiennent une valeur satisfaisante du tourteau résiduel. Les albumines ainsi extraites étaient très peu colorées, riches en acides aminés soufrés et d’une solubilité plus importante que les protéines totales. Les propriétés fonctionnelles des albumines (moussantes, émulsifiantes) ont été supérieures ou proches de celles de protéines de soja. La stratégie mise en place a donc permis de développer un procédé durable de production des albumines ayant un fort potentiel d’utilisation en nutrition humaine et un tourteau résiduel pour des applications en alimentation animale.

Sunflower meal, by-produced after oil extraction process, is a valuable source of proteins (30−70% on dry matter basis). These proteins are composed of two main fractions: globulins (helianthinins) and albumins (SFA). Thanks to well-balanced amino acid composition and good functional properties, they are considered very promising for human nutrition as protein isolates. However, the literature shows many scientific drawbacks during sunflower protein extraction and purification. These drawbacks lie on interaction between proteins and chlorogenic acid (major hydrosoluble phenolic compound of sunflower), poor extraction yield and helianthinin denaturation during protein purification by acidic precipitation. The goal of this thesis work was to overcome these limitations and to propose a scalable process for production of sunflower protein isolates. The first part of the thesis was based on the development of a new method for simultaneous quantification of proteins, free chlorogenic acid isomers and chlorogenic acid bound to proteins. This analytical tool provided fast and reliable access to performance criteria crucial for further development and optimization of sunflower protein production process. In the second part of the thesis, an optimal condition for extraction of total proteins from sunflower meal allowing maximizing extraction yield and minimizing protein-phenol interaction was searched. For this purpose, multicriteria optimization based on modelling by design of experiments and genetico-evolutionary algorithms was applied. Then, an alternative method for protein purification by ultrafiltration was developed. This part of study has improved the global understanding of sunflower protein extraction process and yielded in a satisfactory product. However, the residual meal produced after protein extraction was poor in proteins and rich in phytic acid (antinutritional factor). The third part of the thesis was therefore focused on the implementation of an alternative strategy of selective extraction of albumins. To do so, the methodology of modelling and multicriteria optimization, used in second part of the thesis, allowed to identify the optimal conditions for selective extraction of albumins with good yield keeping a satisfactory value of the residual meal. The extracted albumins were light-coloured, rich in sulphur-containing amino acids and more soluble than total sunflower proteins. The functional properties of albumins (foaming, emulsifying) were improved or comparable to those of soy proteins. Therefore, the established strategy provided a sustainable process for production of albumins that would be used in human nutrition and residual meal for feed applications.