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KOUADIO GERARD BEDIE MICROENCAPSULATION DE COMPOSÉS NUTRACEUTIQUES DANS DES COM

KOUADIO GERARD BEDIE MICROENCAPSULATION DE COMPOSÉS NUTRACEUTIQUES DANS DES COMPLEXES PROTÉINES-POLYSACCHARIDES Thèse présentée à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval dans le cadre du programme de doctorat en Science et Technologie des Aliments pour l'obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.) Département des Sciences des aliments et de nutrition FACULTÉ DES SCIENCES DE L'AGRICULTURE ET DE L'ALIMENTATION UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC FÉVRIER 2008 © Gérard Kouadio Bédié, 2008 ii RÉSUMÉ COURT La caractérisation des complexes insolubles d'isolât de protéine de lactosérum/pectine faiblement méthylée (IPL/PFM), formés aux ratios protéines:polysaccharide (P:Ps) de 2:1, 1:1 et 1:2, et à pH 4.0, 3.5, 3.0 et 2.5 par acidification avant ou après mélange des solutions d'isolât de protéines de lactosérum (IPL) et de pectine faiblement méthylée (PFM), a démontré un rendement maximal en complexes à pH 3.5-3.0 avec le ratio 2:1. La taille des complexes formés par acidification après mélange des solutions restait petite et constante aux différents pH. La détermination du rendement en complexes après l'incorporation d'ingrédients hydrosolubles à différentes concentrations suggère une saturation des complexes par les hautes concentrations de thiamine, exprimée par une diminution du rendement en complexes à pH 3.5. L'efficacité d'encapsulation la plus élevée a été observée avec le ratio P:Ps de 2:1. L'effet protecteur des anthocyanes par les complexes a été étudié dans du jus de pomme pasteurisé et entreposé pendant 14 jours à 11 000 lux/40°C. La pasteurisation a provoqué une diffusion d'une proportion importante des anthocyanes encapsulés vers l'extérieur des complexes mais la quantité d'anthocyanes résiduelle dans les complexes est demeurée constante tout au long de l'entreposage. Les résultats de cette recherche démontrent que le complexe IPL/LMP constitue une approche prometteuse pour l'encapsulation d'ingrédients hydrosolubles dans les aliments acides. iii RÉSUMÉ LONG Des complexes insolubles d'IPL/PFM ont été formés à pH 4.0, 3.5, 3.0 et 2.5 par le mélange de solutions d'isolât de protéines de lactosérum (IPL) et de pectine faiblement méthylée (PFM). L'acidification a été réalisée soit avant, ou après le mélange de solutions avec des ratios protéines:polysaccharide (P:Ps) de 2:1, 1:1 et 1:2 (0.4% de polymères totaux). La caractérisation des complexes a démontré, qu'au ratio 2:1, la turbidité et le rendement en complexes étaient optimaux à un pH aux environs de 3.0. De plus, les complexes obtenus par acidification après mélange des solutions avaient une taille plus petite et constante. L'évaluation de Pencapsulation d'ingrédients hydrosolubles par les complexes IPL/PFM en fonction de leur concentration a été effectuée aux pH 4.0, 3.5, 3.0 et 2.5 et au ratio P:Ps de 2:1. Les concentrations utilisées étaient de 0, 0.002, 0.01, 0.05 et 0.1% pour la thiamine et de 0.1, 0.2 et 0.3% pour les anthocyanes. L'encapsulation d'anthocyanes en fonction du ratio P:Ps à pH 3.5 a été aussi évaluée avec l'incorporation de 0.025% p/p d'anthocyanes dans les complexes aux ratios de 2:1 et 1:1. Le contenu en thiamine des complexes ainsi que l'efficacité d'encapsulation (4-7%) étaient optimaux à pH 3.5. Les hautes concentrations en thiamine ont entraîné une diminution du rendement en complexes à pH 3.5 mais aussi une augmentation du contenu en thiamine dans les complexes. L'efficacité d'encapsulation des anthocyanes était plus élevée avec le ratio P:Ps 2:1 comparativement au ratio 1:1. La protection d'ingrédients hydrosolubles par les complexes IPL/PFM a été évaluée dans du jus de pomme (pH 3.5) contenant des anthocyanes encapsulés. Le jus a été pasteurisé à 90°C/12 s et entreposé à 11 000 lux/40°C pendant 14 jours. La chaleur a entraîné la diffusion d'une proportion importante des iv anthocyanes encapsulés vers l'extérieur des complexes mais la quantité d'anthocyanes résiduelle dans les complexes est demeurée constante tout au long de l'entreposage. L'étude de la stabilité des complexes IPL/PFM, contenant de la thiamine, dans un système digestif modèle a démontré que les complexes ont libéré totalement leur contenu en thiamine dans le compartiment stomacal. Cet effet serait du au pH très acide du compartiment qui aurait dissocié le complexe IPL/PFM. Les résultats de cette recherche démontrent que le complexe IPL/PFM constitue une approche prometteuse pour l'encapsulation d'ingrédients hydrosolubles dans les aliments acides. V ABSTRACT Insoluble WPI-LMP complexes hâve been formed at pH 4.0, 3.5, 3.0, and 2.5 by mixing whey protein isolate (WPI) and low methoxyl pectin (LMP) solutions. The acidification was performed before or after the mixing of the solutions at proteimpolysaccharide (P:Ps) ratios of 2:1, 1:1, and 1:2 (0.4% total polymer). Characterization of the complexes demonstrated that at P:Ps ratio 2:1, the turbidity and the sedimental complex yield were optimal around pH 3.0. In addition, complexes obtained by post-blending acidification had small and constant particle sizes. Evaluation of water soluble ingrédients encapsulation by WPI-LMP complexes as a function of ingrédients concentration was achieved at pH 4.0, 3.5, 3.0, and 2.5 and at P:Ps ratio 2:1. Ingrédients concentrations used were 0, 0.002, 0.01, 0.05 and 0.1% for thiamine and 0.1, 0.2 et 0.3% for anthocyanins. Anthocyanins entrapment as a function of the ratio at pH 3.5 has also been achieved with the incorporation of 0.025% w/w anthocyanins in the complexes at P:Ps ratios of 1:1 and 2:1. Thiamine content of the complexes as well as the entrapment efficiency (4-7%) was optimal at pH 3.5. High concentrations of thiamine induced a decrease of the sedimentable- complexes yield at pH 3.5 but increased thiamine content of the complexes. P:Ps ratio 2:1 provided higher entrapment efficiency of anthocyanins than ratio 1:1. The protecting effect of the WPI-LMP complexes was evaluated in apple juice (pH 3.5) containing encapsulated anthocyanins. The juice was pasteurized at 90°C/12 s and stored at 11 000 lux/40°C for 14 days. Although the heat induced the diffusion of a large portion of anthocyanins out of the complexes, the residual amount of anthocyanins in the complexes remained constant during storage. VI The study of the stability of WPI-LMP complexes, containing thiamine, in a gastrointestinal System demonstrated that complexes delivered the whole thiamine content in the stomach compartment. This effect was probably due to the very acidic pH of the compartment, which may hâve dissociated the complexes. The results of this project demonstrated that WPI-LMP complexes represent a promising tool for water soluble ingrédients encapsulation in acidic foods. vii AVANT-PROPOS Les travaux de cette thèse ont été réalisés dans le cadre d'un projet de recherche financé par le Conseil de la recherche en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG) et les Industries Lassonde Inc. Cette thèse comporte 8 chapitres dont trois sont écrits sous forme d'articles scientifiques, dont je suis l'auteur principal, et qui sont ou seront publiés dans des revues scientifiques. Le premier chapitre intitulé «Introduction» décrit très brièvement les connaissances scientifiques actuelles sur les interactions protéine-polysaccharides et l'encapsulation d'ingrédients par les complexes issus de ces interactions, pour aboutir à l'objectif principal de cette thèse. Le deuxième chapitre intitulé « Revue de littérature» fait une revue exhaustive des méthodes de microencapsulation, les interactions protéine-polysaccharide, les facteurs influençant la formation de complexes et le système isolât de protéines de lactosérum - pectine faiblement méthylée. Le troisième chapitre intitulé «Problématique d'ensemble, hypothèse, but, objectifs» présente la problématique générale, l'hypothèse, le but et les objectifs de la thèse. Le quatrième chapitre est intitulé «Formation of native whey protein isolate-low methoxyl pectin complexes as a matrix for hydro-soluble food ingrédient entrapment in acidic foods» viii est sous presse dans le journal «Food Hydrocolloids». Il porte sur l'optimisation des paramètres permettant la formation de complexe isolât de protéine de lactosérum/pectine faiblement méthylée et l'encapsulation de thiamine comme ingrédient hydrosoluble modèle. J'ai contribué à ce travail en accomplissant la totalité de la planification, des manipulations au laboratoire du centre STELA de l'Université Laval (Québec) ainsi que la rédaction de l'article. Dr. Sylvie Turgeon et Dr. Joseph Makhlouf ont apporté leurs soutiens scientifiques lors des expérimentations en laboratoire et lors de la rédaction de l'article. Le cinquième chapitre intitulé «Evaluation of the ability of whey protein isolate-low methoxyl pectin complexes to entrap water-soluble ingrédients» porte sur l'évaluation de la capacité de microencapsulation des complexes WPI-LMP formés avec les paramètres optimisés et en fonction de la concentration des ingrédients modèles ajoutés. J'ai contribué à ce travail en accomplissant la totalité de la planification, des manipulations au laboratoire du centre STELA de l'Université Laval (Québec) ainsi que la rédaction de l'article. Dr. Sylvie Turgeon et Dr. Joseph Makhlouf ont apporté leurs soutiens scientifiques lors des expérimentations en laboratoire et lors de la rédaction de l'article. Le sixième chapitre intitulé «Study of the protective effect of whey protein isolate-low methoxyl pectin complexes on anthocyanins during storage and the release of encapsulated thiamine in a dynamic in vitro gastrointestinal model» porte sur l'évaluation de l'effet de protection des ingrédients hydrosolubles encapsulée dans des conditions d'entreposage ainsi que sur la stabilité des complexes dans un système gastro-intestinal modèle. J'ai contribué à ce travail en accomplissant la totalité de la planification, des manipulations au ix laboratoire du centre STELA de l'Université Laval (Québec) ainsi que la rédaction de l'article. Dr. Sylvie Turgeon et Dr. Joseph Makhlouf ont apporté leurs soutiens scientifiques lors des expérimentations en laboratoire et lors de la rédaction de l'article. Finalement, la uploads/Science et Technologie/ microencapsulation-de-composes-nutraceutiques-dans-des-complexes-proteines-polysaccharides.pdf