Les coacervats de protéines sériques: des nouveaux agents d’encapsulation naturels et fonctionnels

Les protéines du lait constituent une véritable malle au trésor. Les avancées scientifiques actuelles sur le lait mettent de plus en plus en exergue la plasticité des protéines laitières, souvent décrites comme l’or blanc du lait. La capacité de ces protéines à former des assemblages aptes à fonctionnaliser des interfaces, eau-huile et eau-air, pour obtenir des émulsions et des mousses ; à texturer les produits ou encore à vectoriser des molécules d’intérêt offre un énorme potentiel d’innovation. Ce potentiel s’inscrit dans la tendance du Clean Label et la création de nouveaux produits laitiers 100% lait. Le projet PROFIL (PROtéines Fonctionnalisées pour l’Industrie Laitière) a été bâti sur ces extraordinaires découvertes. Il réunit sept partenaires académiques et un consortium de 10 industriels laitiers regroupés au sein du consortium BBA. L’objectif de la journée du 21 septembre est de partager avec les chercheurs, académiques et industriels les résultats marquants de PROFIL qui seront présentés par six doctorants

Les coacervats de beta-lactoglobuline et lactoferrine pour l'encapsulation d'une molécule bioactive modèle, la vitamine B9

Encapsulation of bioactives is relevant for the development of functional foods. Food proteins as encapsulating agents could match the objective of industries to develop “clean label” products. Moreover, whey proteins (WP) exhibit good potentialities as encapsulating agents. Previous works have demonstrated that the WPs, beta-lactoglobulin (BLG) and lactoferrin (LF), are able to spontaneously co-assemble by complex coacervation. This study explores the ability of BLG-LF coacervates as a potential carrier for the encapsulation of a model bioactive, vitamin B9. Throughout screening experiments, we determined the domains where B9-WP coacervation occured according to a tested range of pH, proteins and vitamin concentrations and molar ratios. Optimal conditions for coacervation were found in water, at pH 5.5, with LF:B9:BLG molar ratio of 1:5:10, affording coacervation yields of 45 to 55% and B9 encapsulation up to 98%.Coacervation was scaled-up from laboratory to bench scale using commercial-grade protein sources and static mixing. Final efficiencies were obtained with coacervates containing 4 mg of B9/g coacervates. Under degradative conditions (UV light irradiation, oxidation, freeze-drying), WP coacervates provided good protective properties limiting chemical degradation of native B9. In vivo oral administration of B9-WP coacervates in rats enhanced the plasmatic concentrations of B9 compared to unencapsulated B9. In addition, good physical stability over time was found after incorporated and resuspension of formed coacervates in milk. The combined results of this thesis pLes aliments fonctionnels connaissent aujourd’hui un intérêt grandissant. Pour leur formulation, l'encapsulation de bioactifs représente une voie intéressante et les protéines de lactosérum (PS) présentent de bonnes potentialités en tant qu'agents d’encapsulation. Des travaux antérieurs ont démontré que deux PS, la beta-lactoglobuline (BLG) et la lactoferrine (LF), peuvent former spontanément des co-assemblages par coacervation complexe, une technologie d'encapsulation connue. Cette thèse étudie la coacervation BLG-LF pour l'encapsulation d'un bioactif modèle, la vitamine B9. En testant une gamme de pH et de ratios molaires, les conditions optimales de coacervation B9-PS sont obtenues dans l'eau, à pH 5,5, avec un ratio molaire LF:B9:BLG de 1:5:10, permettant d’atteindre des rendements de coacervation de 45 à 55%, et d’encapsulation de B9 de 98 %.L’échelle de production des coacervats est augmentée avec succès du µL au L, avec des solutions protéiques de qualité commerciale et un mélangeur statique. Les rendements de coacervation et d’encapsulation sont conservés, avec l’encapsulation d’environ 4 mg de B9/g coacervats. Par ailleurs, les coacervats montrent un effet protecteur de la forme native de B9 vis-à-vis des UV, de l’oxydation et pendant la lyophilisation. Une étude in vivo chez le rat démontre une augmentation de la biodisponibilité de B9 lorsque administrée sous forme de coacervats. Les coacervats apparaissent stables lorsqu’ils sont resuspendus en gouttelettes dans du lait. Ce travail permet d’approfondir les connaissances sur la coacervation hétéroprotéique et

Beta-lactoglobulin and lactoferrin complex coacervates for the encapsulation of a model bioactive, the vitamin B9

Les aliments fonctionnels connaissent aujourd’hui un intérêt grandissant. Pour leur formulation, l'encapsulation de bioactifs représente une voie intéressante et les protéines de lactosérum (PS) présentent de bonnes potentialités en tant qu'agents d’encapsulation. Des travaux antérieurs ont démontré que deux PS, la beta-lactoglobuline (BLG) et la lactoferrine (LF), peuvent former spontanément des co-assemblages par coacervation complexe, une technologie d'encapsulation connue. Cette thèse étudie la coacervation BLG-LF pour l'encapsulation d'un bioactif modèle, la vitamine B9. En testant une gamme de pH et de ratios molaires, les conditions optimales de coacervation B9-PS sont obtenues dans l'eau, à pH 5,5, avec un ratio molaire LF:B9:BLG de 1:5:10, permettant d’atteindre des rendements de coacervation de 45 à 55%, et d’encapsulation de B9 de 98 %.L’échelle de production des coacervats est augmentée avec succès du µL au L, avec des solutions protéiques de qualité commerciale et un mélangeur statique. Les rendements de coacervation et d’encapsulation sont conservés, avec l’encapsulation d’environ 4 mg de B9/g coacervats. Par ailleurs, les coacervats montrent un effet protecteur de la forme native de B9 vis-à-vis des UV, de l’oxydation et pendant la lyophilisation. Une étude in vivo chez le rat démontre une augmentation de la biodisponibilité de B9 lorsque administrée sous forme de coacervats. Les coacervats apparaissent stables lorsqu’ils sont resuspendus en gouttelettes dans du lait. Ce travail permet d’approfondir les connaissances sur la coacervation hétéroprotéique et sEncapsulation of bioactives is relevant for the development of functional foods. Food proteins as encapsulating agents could match the objective of industries to develop “clean label” products. Moreover, whey proteins (WP) exhibit good potentialities as encapsulating agents. Previous works have demonstrated that the WPs, beta-lactoglobulin (BLG) and lactoferrin (LF), are able to spontaneously co-assemble by complex coacervation. This study explores the ability of BLG-LF coacervates as a potential carrier for the encapsulation of a model bioactive, vitamin B9. Throughout screening experiments, we determined the domains where B9-WP coacervation occured according to a tested range of pH, proteins and vitamin concentrations and molar ratios. Optimal conditions for coacervation were found in water, at pH 5.5, with LF:B9:BLG molar ratio of 1:5:10, affording coacervation yields of 45 to 55% and B9 encapsulation up to 98%.Coacervation was scaled-up from laboratory to bench scale using commercial-grade protein sources and static mixing. Final efficiencies were obtained with coacervates containing 4 mg of B9/g coacervates. Under degradative conditions (UV light irradiation, oxidation, freeze-drying), WP coacervates provided good protective properties limiting chemical degradation of native B9. In vivo oral administration of B9-WP coacervates in rats enhanced the plasmatic concentrations of B9 compared to unencapsulated B9. In addition, good physical stability over time was found after incorporated and resuspension of formed coacervates in milk. The combined results of this thesis

Étude par FRAP de la diffusion de macro-solutés au sein de matrices fromagères réelles

La diffusion des macrosolutés a un rôle prépondérant en technologie fromagère et est cruciale pour la qualité finale des fromages, bien que peu d’études aient été réalisées à ce sujet [1]. Nous avons récemment adapté avec succès la technique FRAP (Recouvrement de la Fluorescence Après Photoblanchiment) en microscopie confocale, pour étudier les propriétés de diffusion de solutés fluorescents ayant des propriétés physico-chimiques différentes, au sein de matrices protéiques [2]. Nous avons ainsi pu déterminer les coefficients de diffusion de ces solutés dans des matrices modèles et dans leur phase solvante [2]. L’objectif ici est de transposer cette technique à des fromages réels afin d'explorer les relations entre les phénomènes de diffusion et la diversité des structures des matrices fromagères. Nous avons ainsi mesuré par FRAP les coefficients de diffusion de solutés modèles (FITC-dextrans) choisis dans une large gamme de tailles (10 à 500 kDa), dans des fromages de structures différentes de types pâte molle à dures.La technique de FRAP a été transposée avec succès à des matrices fromagères réelles, permettant d’obtenir des coefficients de diffusion D du même ordre de grandeur que dans les matrices modèles [2]. Une loi de puissance de type D = A.Mw-α permet de décrire les coefficients de diffusion des solutés en fonction de leur poids moléculaire, avec α 0.5 à la fois dans les fromages à pâte molle et dans la phase solvante. Cette valeur de α, caractéristique d’une diffusion en solution diluée, signifie que les dextrans diffusent dans le réseau protéique sans modification de leur conformation. Ce résultat montre que la taille des pores est probablement bien supérieure à celle de l’ensemble des solutés étudiés (jusqu’à 30 nm pour le 500 kDa). Dans les fromages de type pâte pressée cuite, ce modèle n’est valable que pour des molécules de dextran avec Mw inférieur à 250 kDa. Notre hypothèse est que dans ces matrices qui ont une plus faible teneur en « eau libre » et disponible que les pâtes molles, la vitesse de diffusion des solutés de 500 kDa est ralentie par une microstructure du réseau protéique plus resserrée, obligeant les dextrans, macromolécules flexibles connues pour adopter un comportement de reptation à se déformer pour diffuser (théorie de la reptation [3]).En conclusion, la FRAP est une technique très puissante pour explorer les propriétés de diffusion de solutés dans des matrices complexes et hétérogènes comme le fromage. Elle pourrait être transférée à d'autres matrices alimentaires pour lesquelles les phénomènes de diffusion sont cruciaux lors des procédés de fabrication ou de la conservation des aliments

Diffusion of macromolecules in cheeses is mainly related to its “free” water content of the fat-free cheese : a Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) approach.

In cheese technology, diffusion phenomena are crucial during brining and ripening. The FRAP technique was applied for the first time on real cheeses obtained from different technologies, in order to investigate the relationships between cheese composition and diffusion rates, using dextran molecules in a wide range of sizes.In the soft cheese, diffusion was explained by the obstruction model, meaning that the largest solutes were not more hindered by the matrix structure than the smallest ones. In the hard cheese, the obstruction model was valid only for dextrans smaller than 250 kDa, meaning that pore sizes of the matrix are probably of the same orderof magnitude as the largest dextran (~30nm). Moreover, diffusion coefficients of all dextrans were linearly correlated to the “free” water content of the fat-free cheeses. FRAP is a very powerful technique to explore both diffusion properties and microstructure of complex media such as cheese

Diffusion of macromolecules in cheeses is mainly related to its “free” water content of the fat-free cheese : a Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) approach.

In cheese technology, diffusion phenomena are crucial during brining and ripening. The FRAP technique was applied for the first time on real cheeses obtained from different technologies, in order to investigate the relationships between cheese composition and diffusion rates, using dextran molecules in a wide range of sizes.In the soft cheese, diffusion was explained by the obstruction model, meaning that the largest solutes were not more hindered by the matrix structure than the smallest ones. In the hard cheese, the obstruction model was valid only for dextrans smaller than 250 kDa, meaning that pore sizes of the matrix are probably of the same orderof magnitude as the largest dextran (~30nm). Moreover, diffusion coefficients of all dextrans were linearly correlated to the “free” water content of the fat-free cheeses. FRAP is a very powerful technique to explore both diffusion properties and microstructure of complex media such as cheese

Bench production and in vivo evaluation of vitamin loaded whey protein coacervates

INTRODUCTION AND OBJECTIVES While functional foods have prompted growing interest to enhance the daily intakes of specific nutrients and to prevent deficiencies , their processes and storage can affect stability, solubility and bioavailability. To overcome these limitations, one alternative is the encapsulation of agents acting into carriers. To ensure industrial sustainability, such encapsulating material should be natural food-grade components (biocarriers), using economical and reliable raw materials and processes. The complex coacervation consists in mixing two polymers of opposite charges. Coacervation exploits the balance of electrostatic interactions between the two biopolymers to form a supramolecular assembly. Coacervation may display high shell integrity and encapsulation efficiency, good controlledrelease properties and mild preparation conditions. These features are interesting to reduce the industrial processing costs (Yan & Zhang, 2014). Whey proteins (WP) is by- products of the dairy industry, providing intrinsic biological properties. Two specific whey proteins has been selected β-lactoglobulin (BLG) and Lactoferrin (LF) as they able to co-assemble by complex coacervation. Recently the proof of concept that LF-BLG complex coacervates efficiently entrap vitamin B9 (B9) has been established at laboratory scale (Chapeau et al., 2016). This work focuses on the scale-up production of B9-WP coacervates for potential industrial applications. Coacervation is known to be highly sensitive to processing i.e. working volume, interfaces, and mixing conditions. Empirical scale-up could therefore result in increased costs, resources and efforts (Lemetter et al., 2004). Moreover, B9-WP coacervates should preserve the bioavailability of B9 during oral delivery. As a result, this study aims at: 1) investigating the scale-up production of B9-WP coacervate by comparing two mixing systems (in batch or in continuous), and 2) exploring the bioavailability of orally administered B9-WP coacervates

Diffusion of macromolecules in cheeses is affected by solute size and cheese structure : a Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) approach

absen

The influence of cheese composition and microstructure on the diffusion of macromolecules: A study using Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP)

In cheese technology, the diffusion phenomena are crucial during ripening. The technique of FluorescenceRecovery After Photobleaching was applied for the first time on real cheese, in order to investigate therelationships between molecular diffusion and the cheese composition and/or its microstructure.Measured effective diffusion coefficients in soft and hard cheese of a group of dextrans (10–500 kDa)were found to be in the same order of magnitude with values observed when using a comparablenon-fat model cheese ( 0.1–20 lm2 s 1). Diffusion of the dextrans was mainly dependent on the fractionof ‘‘free’’ aqueous phase present in the cheese, closely which is linked to cheese-making technology andripening stage. Diffusion coefficients were modeled by a power law relationship as a function of dextranmolecular weight, which allowed some study of the cheese microstructure. A tighter protein network willrequire some deformation of those flexible macromolecules with a higher molecular weight (>250 kDa),in order to diffuse through the pores of such cheese structures

Diffusion of macromolecules in cheeses is affected by solute size and cheese structure : a Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) approach

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