• Langue : Anglais
• Discipline : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment, physiologie
• Identifiant : 2020LILUR058
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 26/06/2020

Résumé en langue originale

Les boissons prêtes à boire à haute teneur en protéines sont une tendance du marché et réunissent un produit aux avantages nutritionnels associés à une facilité de consommation. Dans ce contexte, les protéines de laits du lactosérum restent le principal type de protéine utilisé. Cependant, la micelle de caséine (CM), qui est un assemblage de différentes caséines comportant plusieurs nano clusters de phosphate de calcium colloïdal et contenant de nombreuses cavités d'eau, représente une protéine intéressante pour cette application en raison de son abondance naturelle et de sa résistance inhabituelle aux traitements thermiques. Cependant, l'utilisation de CM présente des inconvénients; les CM produisent des dispersions plus visqueuses que les protéines de lactosérum (à concentration de protéines égale) et affichent un temps de réhydratation plus lent (après séchage par pulvérisation).ll a été supposé que la déminéralisation pourrait être une alternative pour réduire la viscosité des dispersions de CM et réduire la durée de réhydratation des poudres à base de caséine. Cependant, des expériences supplémentaires devaient être accomplies pour renforcer cette hypothèse (i) afin de s'assurer que cette étape de déminéralisation effectuée avant le séchage par pulvérisation fonctionne toujours au niveau moléculaire, une fois que les poudres à base de caséine modifiées ont été redispersées à une teneur élevée en protéines et soumises au traitement UHT (car ces deux opérations unitaires sont incontournables dans les boissons prêtes à boire); (ii) préciser les mécanismes sous-jacents expliquant ces gains possibles de propriétés techno-fonctionnelles (réhydratation et viscosité apparente).Pour mesurer l'impact de la déminéralisation du calcium dans la structure des CM et les conséquences en termes de fonctionnalités des dispersions riches en caséine, différentes poudres à base de caséine déminéralisée en calcium ont été utilisées: (i) certaines sont des poudres commerciales livrées par Ingredia; (ii) d'autres sont des poudres déminéralisées spécifiques produites à l'échelle pilote par IngrediaL'étude des poudres à base de caséine à l'échelle pilote nous a permis d'évaluer les changements structurels et fonctionnels associés aux deux opérations unitaires de reombinaison systématiquement appliquées pour produire des dispersions denses que sont les boissons riches en protéines : (i) les réhydratation en poudre; (ii) la stérilisation commerciale par ultra-haute température.Sur la base de cette étude, le mécanisme suivant est proposé: l'internalisation du calcium pendant l'UHT neutralise probablement les groupes chimiques réactifs (sites hydrophiles et chargés), à la surface des CM, qui sont susceptibles de favoriser une interaction collante entre eux. En revanche, pour l'échantillon le plus déminéralisé, l'UHT induit une augmentation significative de la viscosité. Dans ce cas, l'augmentation supplémentaire des troubles observés par l'UHT pour ces déminéralisations élevées favorise probablement une exposition supplémentaire des groupes chimiques collants réactifs. Ainsi, la libération dépendante UHT de ces groupes favorise l'interaction collante entre les CM augmentant la viscosité de la dispersion. Cette étude suggère que le degré de déminéralisation doit être finement controllé pour obtenir les propriétés escomptées.Pour conclure, ce travail de thèse contribue à la fois à apporter une amélioration de la connaissance de la structure des CM (déminéralisées ou non ) et des informations importantes pour le développement de boissons riches en protéines prêtes à boire souhaitant utilisés les CM comme source majeure de protéines.

Résumé traduit

The ready-to-drink beverages with high protein content are a market trend and bring together a product with nutritional advantages associated with a facility to consumption. In this context, the whey proteins are still the major type of protein in use. However, casein micelle (CM), which is protein assembly with several colloidal calcium phosphate nanoclusters displaying many water cavities, represents a better option for this application because of its natural abundance and its unusual resistance to heat treatments. However, the use of CMs presents show drawbacks; CMs produce more viscous dispersions than whey proteins (at equal protein concentration) and display a slower rehydration time (after spray-drying).It was presented in some bibliographies that demineralization could be an alternative to changing the apparent viscosity of CMs dispersions and also reduce the time necessary to rehydrate the casein-based powders. However additional experiments required to be provided to strengthen this hypothesis (i) to ascertain that this demineralization step carried out before spray drying is still operating at molecular level after modified casein-based powders have been re-dispersed at high protein content and subjected to UHT treatment, as these two unit operations are usual in ready-to-drink beverages; (ii) to precise the underlying mechanisms involved explaining such possible gains in techno-functional properties (rehydration and apparent viscosity). To measure the impact of the calcium-demineralization in CMs structure and the consequences in term of techno functionalities of the casein-rich dispersions, different calcium-demineralized casein-based powders were employed: (i) commercial ones provided by Ingredia and produced at lab-scale; (ii) specific demineralized casein based-produced at pilot-scale from Ingredia.Concerning commercial casein-based powders, it has been confirmed that calcium-demineralization affects the CMs organization at different molecular levels, resulting in the release of some reactive chemical groups (hydrophilic and/or charged ones) that favors the formation of hard-to-dissolve particles. It was shown that the effect could be stronger (the particles formed are harder to dissolve) whether rehydration temperature is elevated.The study of the pilot-scale casein-based powders has allowed us to evaluate the structural and functional changes associated with two recombined processes applied to produce dense dispersions (like ready-to-drink high-protein beverages) which are: (i) the powder rehydration; (ii) the commercial sterilization by ultra-high-temperature. From structural investigations, it has been shown that CMs display two types of nanoclusters, one strongly associated with the CMs proteins and another one weakly attached-to-CMs, allowing of improving present knowledge of micellar casein models. It is shown that the removal of the first type of cluster has little impact on the CMs structure, and the removal of the last type induces a greater disorder in the CMs nanostructure.Based on this study the following mechanism is proposed: Calcium internalization during UHT likely neutralizes the reactive chemical groups (hydrophilic and charged sites), on the surface of the CMs, which are likely to favor a sticky interaction between. In contrast, for the most demineralized sample, UHT induces a significant increase in viscosity. In this case, the further increase in disorder induced by UHT likely favors a further exposition of reactive sticky chemical groups. Thus, the UHT dependent liberation of these groups favors the sticky interaction between CMs increasing the viscosity of the dispersion. This study suggests that demineralization degree have to be finely tuned.To conclude, these studies bring an improvement in the understanding of the CM structure and important information to the development of ready-to-drink high-protein beverages using CMs as a major protein source.