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Ingénierie des Biopolymères pour la Structuration des Matrices et des Matériaux

Joint Federation "Biopolymer Engineering for Matrices and Material Structuration"

Structure Fédérative de Recherche N° 4202

Bilan Axe 1

Mécanismes d’élaboration des matrices alimentaires et des agromatériaux ; maîtrise et adaptation des procédés

Les actions de recherche menées dans cet axe s’articulent autour des quatre grandes questions de recherche suivantes :

Comment contrôler/améliorer les propriétés d’usage et générer des fonctionnalités nouvelles ?

La thèse de G. Coativy a montré l’intérêt d’une part de l’introduction de nanocharges renforçantes sur le phénomène de mémoire de forme de l’amidon avec des gains significatifs en termes de force de rappel, et d’autre part de mieux comprendre l’origine des phénomènes de recouvrance de forme et de relaxation de contrainte, ouvrant des pistes pour l’optimisation du procédé de mise en forme générant la mémoire de forme.

La thèse de P. Decaen et les stages associés ont permis de mettre en évidence le double intérêt des liquides ioniques comme «processing aids» et comme additifs fonctionnels dans le cas de l’amidon, permettant de moduler le comportement lors de la mise en œuvre par extrusion (fusion, rhéologie) et les propriétés finales (performances mécaniques de mélanges et composites).

La thèse de N. Hesso a concerné les interactions des ingrédients d’une pâte jaune et leur relation avec la structure et la texture de la mie ainsi que l’effet de la formulation sur le rassissement lors du stockage. Cette étude a permis d’acquérir des connaissances plus approfondies sur les interactions entre les ingrédients et les phénomènes de transition de phase (gélatinisation de l’amidon et la dénaturation des protéines en présence du sucre et de la matière grasse) grâce au couplage de techniques de calorimétrie, de spectroscopie FTIR et de fluorescences, diffraction des rayons X, et d’évaluer leur impact sur la structure de la pâte et du cake caractérisée par microscopie confocale et microviscoamylographe.

Comment adapter les méthodes de caractérisation structurale et de modélisation de l’échelle nanométrique au macroscopique ?

Les travaux de G. Coativy ont donné lieu au développement d’une méthode d’analyse détaillée de la structure des nanobiocomposites par Diffraction de Rayons X, qui permet de déterminer la taille moyenne des nanoparticules et leur orientation par rapport à la direction d’extrusion ou de déformation à chaud. Associées à un modèle de prédiction de la distance interparticulaire, ces mesures ont permis de mieux comprendre le comportement mécanique dynamique hétérogène des matériaux, lié à des phénomènes interfaciaux et de confinement.

 

Comment développer des procédés innovants de structuration avec quels gains en termes d’usage raisonné des ressources ?

La thèse de M. Laporte, faisant suite à d’autres thèses avec les mêmes partenaires, a permis de montrer que les mélangeurs statiques (type SMX ou micro canaux) sont adaptés à la production de mousses avec des ingrédients alimentaires et permettent d’améliorer la stabilité et la texture de mousses aux faibles fractions de gaz rencontrées dans les aliments. Ce procédé permet également une mise en régime très rapide limitant le volume de mousse non conforme. Un modèle prenant en compte la géométrie de l’équipement ainsi que les caractéristiques de la formule (viscosité, tension de surface) a été construit pour prédire les limites des domaines de fonctionnements (fraction de gaz min et max).

Les travaux d’E. Martins portent sur l’encapsulation d’huile dans des membranes d’alginate gélifiées avec comme objectif la production de capsules cœur-couronne de différentes tailles pour la libération contrôlée d’actifs hydrophiles et hydrophobes. Dans ce contexte, 3 techniques différentes basées sur le mécanisme de gélification inverse de l’alginate ont été optimisées : chute-de-goutes (dripping), mélange (mixing) et millifluidique. Ces trois techniques permettent la production de capsules de tailles millimétriques à micrométriques avec un diamètre compris respectivement entre 3 et 7 mm, 100 et 800 µm et 140 à 1400 µm avec une charge en huile (i.e. masse huile / masse capsule humide) de respectivement 25 % v/v, entre 7 et 15 % v/v et entre 45 et 55 % v/v. L’approche millifluidique est la seule à permettre la production de (micro)capsules monodisperses avec un contrôle précis de la taille des capsules.

Quelles relations thermodynamique-procédé-structure-propriétés ?

Les travaux de L. Sciarini (Projet Région LIMPONAN 2011-2015) sur la déstructuration de l’amidon en milieu dilué dans des mélanges eau/liquide ionique ont mis en évidence le passage du mécanisme classique de gélatinisation  (dans l’eau pure et pour de faibles teneurs en liquides ionique dissout) à un mécanisme plus complexe de déstructuration de l’amidon qui permet sa solubilisation à des températures plus faibles (jusqu’à 40°C) en milieu concentré en liquide ionique. Il semble que la présence du liquide ionique entraine la rupture sélective de certaines liaisons du bio-polymère. Cette «attaque sélective et ciblée» de l’amidon semble très dépendante du type de cation (EMIM ou Choline), ce qui ouvre la perspective de concevoir des liquides ioniques à façon pour une déstructuration contrôlée de l’amidon.

Transversalement à ces questions, le Programme Régional MATIERES (2013-2016) «MATériaux et Interfaces pour l’Environnement et l’exploitation des RESsources Biologiques» piloté par l’Unité BIA et regroupant 11 laboratoires (dont l’UMR GEPEA) développe des recherches autour de la conception i) de nouveaux matériaux à base de ressources renouvelables (bois, agro ressources, élastomères), ii) de matériaux innovants pouvant se substituer à ceux issus de la chimie du pétrole, et iii) de dispositifs ou capteurs de suivi des polluants issus des matériaux recyclés ou des procédés de fabrication des matériaux. Ce programme permet une identification très forte de la Fédération sur le développement de matériaux bio-sourcés et contribue ainsi fortement à notre positionnement national.


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