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Assemblages et propriétés des matrices alimentaires et matériaux biosourcés
(ACR)
- Mot(s) clé(s) :
Objet d'étude : matrice amidon protéine, nanostructuration
Question sociétale et finalité, contexte : alimentation humaine, intérêt technologique
Démarche, discipline : Functional Analysis, Ingénierie des aliments, Matière Molle, Modélisation et simulation
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Objet d'étude : matrice amidon protéine, nanostructuration
Question sociétale et finalité, contexte : alimentation humaine, intérêt technologique
Démarche, discipline : Functional Analysis, Ingénierie des aliments, Matière Molle, Modélisation et simulation
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- Description détaillée :
Cet axe de recherche porte sur la compréhension des mécanismes d’assemblages des biopolymères Afficher la suite
Cet axe de recherche porte sur la compréhension des mécanismes d’assemblages des biopolymères extraits de la matière première agricole en vue de la construction de matrices alimentaires et de matériaux à propriétés contrôlées.
Les acquis sont nombreux sur les relations « structure-fonction » des biopolymères isolés au niveau moléculaire. Ils montrent aussi leurs limites pour expliquer la fonctionnalité de ces biopolymères en systèmes réels en ne prenant pas en compte les échelles supérieures d’organisation et les interactions entre constituants. Aussi notre démarche pour élucider ces mécanismes de la fonctionnalité technologique est de considérer les différents niveaux d’échelle (moléculaire, nano-, micro-, macroscopique). La maîtrise de ces assemblages dans différents environnements physico-chimiques et/ou sous contraintes est un point clé pour le développement d’aliments et de matériaux innovants.

La similitude des approches scientifiques envisagées pour les matériaux et les matrices alimentaires nous a conduits à définir trois thématiques de recherche communes, indépendantes des domaines d’applications.
La première s’appuie sur la poursuite d’activités déjà engagées depuis quelques années dans l’unité (matrices de type émulsions, mousses, gels…) et soutient le développement de travaux plus récents et particulièrement innovants (amidon à mémoire de forme, nano-matériaux, lipides auto-assemblés, …). L’objectif est de développer une approche raisonnée des assemblages pour maîtriser les fonctionnalités des matrices et matériaux et/ou en générer de nouvelles. Les acquis de l’Unité sur l’organisation de divers organes végétaux et organites cellulaires constitue un atout pour développer des matériaux bio-inspirés selon une approche biomimétique.

Pour conforter cette approche biomimétique et exploiter au mieux les complexes fonctionnels existant dans les organismes vivants, une stratégie de fractionnement ménagé permettant d’extraire ces complexes à partir des matières premières végétales sera développée dans la seconde thématique.

Enfin la troisième thématique a pour objet le développement de technologies innovantes permettant de créer de nouvelles fonctionnalités. Ces deux dernières thématiques, dont on mesure le caractère prospectif et le risque, nous semblent posséder un potentiel d’innovation important.

1 - Elaboration de matrices et matériaux à propriétés optimisées :

Les briques élémentaires utilisées pour la construction d’assemblages fonctionnels sont d’une part des biopolymères ou biomolécules isolées (amidon, polysaccharides pariétaux, protéines, lipides) et d’autre part des assemblages fonctionnels issus de fractionnement ou reconstruit (nano-cristaux de cellulose, plaquette d’amidon, agrégats de protéines, tubes et cônes lipidiques, micelles, membranes, lipoprotéines, etc….). Les matrices/matériaux sont obtenus soit par les processus d’auto-assemblage inhérent à la structure de ces biopolymères et pouvant être contrôlés par les conditions du milieu, soit par des organisations induites par les conditions de mise en œuvre ou les traitements thermomécaniques. Cette démarche sera développée aussi bien pour la construction d’objets micro/nano-structurés que pour celle de matériaux massiques.

Dans le cas des matériaux, l’objectif est de leur conférer des fonctionnalités innovantes en exploitant au mieux la spécificité structurale des biopolymères et de leurs assemblages, qu’il s’agisse d’objets nano-structurés ou de matériaux massiques. Concernant les matériaux biomimétiques, le principal modèle est celui de la paroi végétale; les travaux viseront, par l’étude de films minces constitués de polysaccharides de la paroi végétale, à comprendre et à reproduire les propriétés mécaniques de ces parois (lien avec axe1). Dans le cas des matériaux non biomimétiques, on exploitera les différentes classes de biopolymères/biomolécules pour adapter les assemblages aux propriétés recherchées. On visera plus particulièrement la création d’architectures contrôlées. A titre d’exemple on peut citer deux systèmes d’intérêt: les assemblages d’acides gras en interaction avec des dérivés aminés de silice pour la construction de matériaux mésoporeux et les nano-cristaux de cellulose utilisés pour stabiliser des émulsions de Pickering. Parmi les thématiques émergentes, nous nous attacherons à développer des matériaux adaptatifs capables de répondre à des variations du milieu environnant (température, humidité, pH, présence d’un élément biologique, etc…). A titre d’exemple on développera des microparticules de polysaccharides gélifiés capables de moduler leur taille en fonction du pH du milieu (par microfluidique) et des nanocristaux de cellulose pour construire des couches semi-réflectives permettant la détection d’activités enzymatiques ou encore des matériaux amylacés à mémoire de forme.
Dans le cas des objets micro/nano-structurés mais aussi des matériaux massiques, un effort particulier sera effectué pour étudier l’organisation des biopolymères à l’échelle nanoscopique (10-100nm) ; si on la compare à l’échelle moléculaire, cette échelle s’avère, sur la base de résultats récents, particulièrement pertinente pour apporter des fonctionnalités aux assemblages de biopolymères. C’est en effet la multiplicité des nanostructures intrinsèques de l’état amorphe (enchevêtrements, orientations, ordre locaux, paracristallinité…) combinée à son caractère métastable qui ouvre la voie à l’obtention de matériaux adaptatifs aux conditions environnementales (température, humidité, pH, lumière…), possédant de nouvelles fonctions comme la mémoire de forme.

Pour les matrices alimentaires comme dans le cas des matériaux, les objectifs sont aussi de comprendre le rôle des assemblages à différentes échelles sur les processus de structuration et de stabilité des aliments. C’est aussi d’apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de déconstruction de l’aliment au cours du tractus gastro-intestinal (lien avec axe 3). Pour répondre à ces objectifs, les échelles structurales concernées doivent recouvrir une gamme assez large (nm au mm), prenant en compte à la fois l’organisation du système, des interfaces et interphases.

Plus particulièrement, nous nous intéresserons à la construction d’assemblages permettant (i) de maîtriser la stabilité physique et chimique ainsi que les caractéristiques mécaniques de l’aliment (texture, propriétés rhéologiques) (ii) de contrôler la dynamique des processus de migration des nutriments et micronutriments entre les différentes phases de l’aliment et/ou de libération au cours de la digestion. Les systèmes d’étude sont des modèles réalistes de matrices alimentaires (émulsions, gels, mousses liquides et solides). Pour affiner la compréhension des relations structure-propriétés, des efforts méthodologiques importants seront effectués sur l’étude des interactions entre biopolymères en milieu concentré/confiné, des mécanismes d’adsorption aux interfaces des assemblages pré-formés, de la structure des couches interfaciales ainsi que sur la dynamique des systèmes (arrivée d’un CR en 2009).

2 - Production raisonnée d’assemblages fonctionnels

Les procédés usuels de fabrication de matrices/matériaux issus de ressources agricoles mettent en œuvre, la plupart du temps, des biopolymères élémentaires, isolés et souvent dénaturés, ayant perdu certaines de leurs fonctionnalités pré-existantes dans la matière première d’origine. Ces fonctionnalités souvent dues à une organisation résultant, in vivo, de processus biologiques d’assemblages complexes et impliquant plusieurs constituants, n’est quasiment jamais exploitée. En effet, les procédés actuels de fractionnement ne respectent pas en général ces organisations supramoléculaires.

Le développement d’une approche biomimétique pour la construction de matériaux et matrices nous incite par conséquent à promouvoir de nouvelles méthodes de fractionnement permettant d’isoler non plus les biopolymères pris individuellement mais les assemblages de biopolymères en préservant leur niveau d’organisation et leur fonctionnalité. Des procédés enzymatiques, mécaniques ou chimiques seuls ou combinés pourront être mis en œuvre. Ces architectures fonctionnelles originales, isolées de diverses matières premières, devraient conduire à la conception d’objets présentant de nouvelles fonctionnalités. La connaissance acquise de la structure des organes végétaux et organites cellulaires constitue le socle scientifique pour développer cette activité (cf axe 1). D’ores et déjà quelques priorités se dégagent. Dans le cas des cristaux de cellulose nous souhaitons développer une stratégie permettant de moduler la morphologie et la chimie de surface des nano-cristaux en exploitant de manière raisonnée différentes sources de cellulose végétale (végétaux supérieurs, algues). La purification de certains polysaccharides de la paroi végétale couplée à leur modification doit permettre d’induire un comportement thermosensible et de moduler les propriétés du matériau en fonction de la température.

En complément de cette approche, les compétences de l’Unité en ingénierie des protéines pourra également être mobilisée soit dans le but de modéliser les interactions biopolymères/protéines et/ou les propriétés des matériaux soit pour fonctionnaliser les surfaces d’objets nano-structurés destinés à des usages non-alimentaires. La production en système hétérologue de néo-polymères incluant des domaines de protéines aux propriétés mécaniques remarquables (élastine, soie, prolamines de céréales…), fait partie des acquis de l’Unité. Ces approches pourront être mobilisées pour conforter ces travaux.

3 - Criblage des interactions et apport des procédés pour la création de fonctionnalité originale

La création d’objets fonctionnels à partir de biopolymères ou de leurs dérivés (biopolymères modifiés, domaines structuraux) résulte à la fois des propriétés physicochimiques intrinsèques des briques élémentaires et de la capacité des technologies de préparation à favoriser les interactions et l’organisation tridimensionnelle des assemblages. Pour prendre en compte ces deux éléments, il nous paraît indispensable d’examiner de manière systématique le potentiel d’interaction des multiples biopolymères et/ou domaines structuraux disponibles mais aussi de développer des procédés innovants permettant de générer des assemblages.

Pour aborder l’étude systématique des interactions, l’Unité dispose de compétences reconnues pour préparer des biopolymères, polysaccharidiques et protéiques, d’origine très diverses et vient de se doter d’ outils de physicochimie moyen-débit permettant de cribler par une approche combinatoire les capacités d’interactions de biomolécules en évaluant l’effet combiné des conditions de milieux (pH, T°C, m , concentration, ordres de mélange, etc…) sur ces capacités d’association. Cette démarche doit donc permettre d’identifier les partenaires et les conditions optimales d’interaction pour générer de nouveaux assemblages fonctionnels. Elle est aussi fortement liée à l’action 2 de cet axe.

Dans le domaine des technologies innovantes, l’unité a investi récemment en intégrant dans ses objectifs le développement des technologies issues des nanosciences. La microfluidique ou bien encore les techniques de micro ou nanopatterning ouvrent de nouvelles opportunités dans le domaine d’étude des biopolymères.

La microfluidique permet notamment d’accéder à des mélanges difficilement accessibles par d’autres méthodes donnant lieu à la fabrication d’assemblages dont les fonctionnalités devront être explorées. Elle permet également de maîtriser les transferts aux interfaces (eaux, réactifs) afin de réaliser de nouvelles architecture. Les techniques de micro et nano-patterning peuvent aussi être adaptées de manière originale aux biopolymère pour la création de surfaces micro et nano structurées.
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