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Dernière mise à jour : Mai 2018

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UMR_GENIAL

PROPOSITION DE THÈSE

Elaboration et caractérisation rhéo-physique de particules molles alimentaires à base de protéines végétales. Allocation de Recherche Ecole Doctorale ABIES

 L’objectif de la thèse sera de concevoir et de caractériser les propriétés de nouvelles particules alimentaire « molles », déformables et compressibles. Ces particules, de type core-shell, seront notamment préparées à partir de protéines végétales, dont l’utilisation est appelée à croitre fortement. Des particules molles de structure homogène seront d’abord élaborées puis recouvertes d’une couche plus ou moins épaisse présentant une élasticité supérieure à celle du cœur de la particule. La thèse consistera dans un premier temps à mettre au point le procédé d’élaboration des particules et à identifier les paramètres permettant de moduler la structure, pour contrôler les caractéristiques géométriques (diamètre et épaisseur de la couche de surface) et mécaniques (élasticité du cœur et de la couche de surface) individuelles. Dans un second temps, le travail consistera en l’étude des propriétés de suspensions concentrées de ces objets, en milieu « encombré », au-delà du random close packing, afin de pouvoir élucider le rôle des propriétés individuelles sur le comportement collectif.

Contacter Paul MENUT (directeur de thèse) par email (paul.menut(A)agroparistech.fr) pour toute demande d’information (joindre un CV en PJ), avant le 15 mai.  

La thèse se déroulera au sein de l’UMR Ingénierie – Procédés – Aliments, à Massy (Essone).  L’unité est sous tutelle d’AgroParisTech et de l’INRA, elle est constituée de cinq équipes, parmi lesquelles l’équipe SP2 (Structuration des Produits par le Procédé), dont relèvera le doctorant.

 

Profil recherché

Etudiant de niveau M2 ou Ingénieur. L’étudiant devra avoir des compétences dans au moins l’un des domaines suivants, et montrer de l’intérêt pour les autres domaines : physico-chimie, sciences des aliments, matière molle, génie des procédés.

Introduction et contexte

L’industrie agroalimentaire est soumise à une forte pression d’innovation pour répondre à de nouvelles attentes des consommateurs mais aussi aux enjeux d’un développement qui se veut durable. La création de nouveaux produits alimentaires, permettant de valoriser des co-produits et donc de réduire les gaspillages, de limiter l’empreinte carbone par calorie apportée dans l’assiette ou de proposer de meilleures fonctionnalités nutritionnelles constituent ainsi des directions d’innovation majeures. Un des enjeux est de proposer dans ce cadre des produits présentant une texture adaptée aux besoins des consommateurs. De ce point de vue, les suspensions dites « encombrées » présentent des propriétés particulièrement intéressantes. Dans ces suspensions, les bio-macromolécules sont assemblées pour constituer des « objets » tels que des particules, des agrégats, des fibres ou des cellules, en contact (permanent ou transitoire) les uns avec les autres. Ces structures peuvent emprisonner de grandes quantités d’eau, souvent le principal composant en masse des aliments, si bien que même si la concentration massique en bio-macromolécules est relativement faible, la concentration globale en objets peut être très élevée, la fraction volumique réellement occupée étant proche de un. Les milieux encombrés présentent des propriétés texturales particulièrement intéressantes,  à l’image des compotes ou des yaourts brassés, qui se comportent comme des solides à très faible déformation mais s’écoulent facilement dans des canalisations industrielles ou dans la gorge du consommateur. Un des principaux freins à l’innovation réside cependant dans notre connaissance encore limitée du comportement de ces assemblages sous des contraintes physico(mécano)-chimiques telles que celles imposées durant les procédés de transformation ou aux différents stades des processus de digestion. Notamment, l’impact de la structure interne des objets, souvent hétérogène, est mal connu.  

L’objectif de la thèse sera de développer un système modèle composé de particules molles,  permettant de tester l’effet de différents paramètres relatifs à la structure individuelle des particules sur les propriétés rhéologiques d’ensemble en milieu concentré, et ce afin de cerner les mécanismes fondamentaux relatif au comportement de ces systèmes. Des travaux ont été menés depuis une dizaine d’année pour décrire le comportement rhéologique de suspensions concentrées d’objets mous modèles élaborés par émulsification ou par polymèrisation. Ces procédés permettent d’obtenir des particules de gels, ou microgel, dont la structure interne est soit homogène, soit caractérisée par un gradient de densité du cœur vers la périphérie. Les propriétés de ces systèmes sont schématiquement contrôlées aux petites déformations par le module élastique des particules (ce qui leur confère un comportement de type gel) 1. Aux grandes déformations, outre la déformabilité des particules, leur taille et les phénomènes de friction entre particules jouent un rôle clé, le système ayant la capacité à s’écouler sans destructuration des particules elles-mêmes. Des travaux existent également sur le comportement de particules de type core-shell, dotées d’un cœur dur et d’une surface molle (déformable et/ou compressible)23. D’un point de vue agroalimentaire, c’est cependant la structure inverse qui semble la plus intéressante : des particules dotés d’un cœur mou et d’une surface plus dure. Ce type de structure, dont les propriétés rhéologiques sont peu étudiées, se rapproche plus de celle des cellules que l’on trouve dans de nombreux produits4, et peut permettre d’envisager ultérieurement un relargage ciblé et maitrisé de composés d’intérêt nutritionnel.

L’objectif de cette thèse est donc de conduire un travail amont visant à comprendre fondamentalement le comportement de suspensions encombrées de particules de type core-shell caractérisés par une surface plus dure que le cœur, et soumises à différents types de contraintes. Ce travail s’inscrit dans l’une des priorités de recherche de l’UMR GENIAL, qui s’est positionnée lors de sa dernière évaluation AERES sur l’étude du comportement de systèmes encombrés.  

 

Méthodologie

La thèse comprendra trois « niveaux » de travail complémentaires.

Le premier niveau consistera en l’élaboration de particules modèles de type core-shell, caractérisées par un corps mou et une surface (membrane) élastique, dont les propriétés mécaniques (modules) et la densité seront plus élevé que le cœur de la particule. Ces particules seront élaborées à l’aide de biopolymères, en privilégiant l’utilisation de protéines du fait de leur intérêt nutritionnel. Dans un premier temps, des particules sphériques et homogènes seront élaborées. La méthode consistera à préparer une émulsion eau dans l’huile de protéines5, et à gélifier les gouttelettes de la phase dispersée, en jouant par exemple sur la température (pour induire une dénaturation 6 ou une arrested phase separation7,4) ou sur des paramètres physico-chimiques (pH par exemple). Les paramètres relatifs à l’opération d’émulsification devraient nous permettre de contrôler au moins partiellement la taille et distribution de taille des particules, pour élaborer des objets de type granulaire (diamètre moyen de l’ordre de la dizaine ou de la centaine de microns) et des objets de type colloidal (diamètre moyen de l’ordre du micron et en deçà). Dans un second temps, nous procéderons au dépôt sur les particules ainsi formées d’une couche de biopolymères jouant le rôle de membrane ou de carapace de dureté variable.

Le deuxième niveau consistera en la caractérisation des particules formées. Les distributions de taille seront déterminées par diffusion statique de la lumière. Le potentiel de surface sera déterminé, pour les particules de taille colloïdale par détermination de la mobilité électrophorétique, tandis que pour les particules de taille granulaire, nous caractériseront les facteurs de formes des objets par analyse d’image. Pour les objets suffisamment grands, nous caractériseront par microscopie confocale la structure interne, en utilisant des marqueurs fluorescents permettant de distinguer le cœur de la couche de surface. En complément, nous déterminerons deux grandeurs fondamentales par des mesures de viscosités dans une large gamme de fraction volumiques.  La voluminosité, ou volume occupé par les particules par gramme de matière sèche, sera déterminant en fittant la viscosité réduite en fonction de la concentration massique par l’équation d’Einstein-Batchelor10, tandis que la déformabilité des particules sous cisaillement sera déterminée aux fortes concentrations en déterminant quantitativement les déviations par rapport au modèle de Maron, Pierce et Quemada11

Le troisième niveau consistera en la caractérisation du comportement rhéologique des particules ainsi formées en système encombré, c’est-à-dire au-delà de la transition de jamming, dans des conditions ou les particules sont tellement concentrées qu’elles sont toutes en contact physique direct avec leurs voisines. L’objectif sera de déterminer les caractéristiques mécaniques des suspensions sous différents types de contraintes : des contraintes isotropes imposées par compression osmotique, et permettant de déterminer le module d’élasticité isostatique, des contraintes de cisaillement, permettant de déterminer le module élastique (dans le régime linéaire), le seuil d’écoulement et la viscosité apparente en fonction de l’encombrement et de la contrainte exercées. Si cela s’avère possible, des mesures de viscosité élongation seront réalisées, celle-ci étant susceptible de jouer un rôle important lors de l’écoulement du produit au travers de constrictions. L’enjeu à ce niveau sera de pouvoir corréler le comportement macroscopique avec le potentiel d’interaction caractérisant l’interaction de paire entre deux particules de type core-shell.

Calendrier

Année 1 : Etude bibliographique (choix du système modèle), et élaboration et caractérisation de particules molles, de composition homogène mais de tailles et propriétés mécaniques contrôlées.

Année 2 : Travail sur le dépôt d’une « écorce » autour des particules molles déjà élaborées. Mise en œuvre des différentes stratégies proposées et caractérisation des couches déposées.

Année 3 : Caractérisation des propriétés d’ensemble des systèmes core-shell en milieu encombré.