4. Résultats et discussions
4.7 Comparaisons des conditions de redispersion
La Figure 15 représente les résultats de fractions redispersées dans toutes les différentes
conditions physico-chimiques testées dans notre travail. Pour résumer, nous pouvons dire que :
- L’augmentation de température (50°C) conduit à une plus forte redispersion des micelles; ce qui pourrait être attribué à une diminution des liaisons hydrogènes entre les particules. Les liaisons hydrogènes pourraient donc jouer un rôle très important dans les forces cohésives entre les micelles en milieu concentré.
- L’ajout d’EDTA et le pH basique (~8.5), à 20°C, favorisent également la redispersion des micelles, mais à niveau plus faible que la température 50°C.
L’augmentation de la redispersion des micelles réticulées par l’EDTA pourrait être attribuée à la rupture de ‘‘liaisons phosphocalciques’’ entre caséines qui contribuerait à la cohésion des gels de micelles en milieu concentré.
D’un autre coté, le pH basique renforcerait les répulsions électrostatiques entre les caséines en raison d’augmentation de charges nettes de caséines, ce qui favoriserait la redispersion de micelles sous forme de gel.
- De façon très surprenante, l’urée ne favorise pas du tout la redispersion des micelles. L’effet principal de l’urée en dénaturation de protéines proviendrait de l’affaiblissement des interactions hydrophobes. Les interactions hydrophobes ne joueraient donc pas un rôle notable dans les forces cohésives entre micelles.
56 Lors de la filtration membranaire d'un lait écrémé (UF et MF), les micelles de caséine s'accumulent à la surface des membranes jusqu'à, dans certaines conditions, former des ‘‘dépôts’’ irréversibles ou gels qui nuisent aux performances de l'opération. Le but global du travail présenté dans ce rapport est d’identifier et caractériser les forces cohésives entre les surfaces des micelles en milieu concentré ; forces qui conduisent à l’irréversibilité du gel.
Dans le cadre de ce stage, qui vise à caractériser les forces cohésives entre les surfaces des micelles en milieu concentré, le travail a consisté en deux étapes majeures :
(1) une phase de mise au point méthodologique visant, d’une part à figer l’intérieur de la micelle par réticulation avec la transglutaminase, et d’autre part à former un gel de micelles suffisamment cohésif par ultracentrifugation.
(2) l’étude des interactions par suivi de l’irréversibilité (remise en suspension) des gels dans différentes conditions physico-chimiques (eau, ajout de séquestrant du calcium et d’urée, pH basique, température).
Les forces cohésives entre les surfaces de micelles en milieu concentré ont été caractérisées : - Les liaisons hydrogènes pourraient jouer un rôle très important dans les forces cohésives entre les micelles en milieu concentré (étude à différentes températures).
- Les ‘‘liaisons phosphocalciques’’ entre caséines contribueraient aussi à la cohésion des gels de micelles en milieu concentré (étude avec l’ajout d'EDTA).
- Les répulsions électrostatiques entre les caséines sont renforcées à pH basique (~ 8.5) en raison d’augmentation de charges nettes de caséines, ce qui favorise la redispersion du gel. - Les interactions hydrophobes ne joueraient pas un rôle notable dans la cohésion des gels entre micelles (étude avec l’ajout d’urée).
Pour conclure, les forces cohésives entre les surfaces des micelles en milieu concentré sont dans l’équilibre entre deux types de forces : forces attractives que sont les liaisons hydrogènes (rôle plus important) et les ‘‘liaisons phosphocalciques’’, et forces répulsives que sont les répulsions électrostatiques entre les caséines. De façon assez surprenante, les interactions hydrophobes ne jouent pas un rôle notable dans les forces cohésives entre les micelles.
Ces résultats sont cependant préliminaires et donne une vision globale des interactions. La réalité de la nature de ces forces cohésives est plus complexe, il s’agira par la suite des perspectives importantes nécessitant de nombreux travaux :
57
Concentrer les micelles
Redisperser les micelles Limiter certaines liaisons
d’adhésion
58 - Une première perspective serait de retrouver la stratégie et de non pas ‘‘casser’’ des liaisons potentielles mais d'éviter qu'elles ne s'établissent. Ceci en formant des gels par ultracentrifugation, dans différentes conditions physico-chimiques (Figure 34) : nous limitons d’abord spécifiquement des liaisons en mettant les dispersions de micelles de caséine (natives et réticulées) dans différentes conditions physico-chimiques. Les micelles dans les dispersions sont ensuite concentrées par ultracentrifugation. Les gels de micelles de caséines sont finalement redispersées dans l’UF et les analyses sont réalisées pour définir les forces cohésives (en résumé, limiter spécifiquement l’établissement des liaisons par différentes conditions physico-chimiques – former les gels assez concentrés – puis redisperser les micelles sous forme de gel). Par rapport à la stratégie présentées dans ce travail (Figure 7, former les liaisons cohésives par concentration – ‘‘casser’’ spécifiquement des liaisons en redispersant les gels dans différentes conditions physico-chimiques), pour laquelle il est peut-être difficile pour la solution solvante d'entrer dans l’intérieur du gel, cette nouvelle stratégie permettrait de limiter l'établissement des liaisons entre micelles de façon homogène et spécifique. Par contre, l’inconvénient est que le tube d’ultracentrifugation ne peut pas subir certaines conditions (ex. le pH trop basique ou la température trop élevée).
- Nous pouvons également envisager, et ce serait l’aboutissement de ce travail, l’étude des effets combinés de différentes conditions physico-chimiques : EDTA + température, pH + EDTA, etc. sur l'établissement ou sur la déstabilisation des liaisons micelle-micelle.
59
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63
7. Annexes
Annexe A: La démarche de calculation de la concentration en caséine dans les témoins.
La concentration en caséine dans les témoins est noté à [Castotal]_témoin calculée par l’équation A-1.
[Castotal]_témoin = Eq.
A - 1
Mgel : masse d’un gel, ~0.15g ; Vdispersion : volume de dispersion, ~2.10-2 L ; [Cas]gel (g.g-1) : la
fraction en caséine dans un gel calculée par l’équation A-2.
[Cas]gel = Eq. A-2
(g.g-1) : La teneur en caséine dans la poudre PPCN 0.7765 ; [Poudre de PPCN]gel (g.g-1) =
: la fraction en poudre de PPCN dans un gel, calculée par bilan matière.
Mpoudre ESTpoudre + MUF ESTUF = Mgel ESTgel Eq. A-3
+
+
Noté [Poudre de PPCN]gel =
= Eq.
A-4
Mpoudre (g) : masse de la poudre PPCN dans le gel; MUF (g) : masse de l’UF dans le gel ;
ESTpoudre (g.g-1) : extrait sec total de la poudre PPCN, ~0.955 ; ESTUF (g.g-1) : extrait sec total
de l’UF, ~0.059; ESTgel (g.g-1) : extrait sec total du gel, ~0.340 ( Tableau 4).
Donc,
64
[Castotal] = = 1.8 g.L-1
65
8. Abréviations et symboles
Abs : absorbance (-)
[Cas] : concentration en caséine (g.L-1 ou g.g-1)
EST : extrait sec totale MAT : matière azotée totale MF : microfiltration
NCN : azote non caséinique NPN : azote non protéinique PPCN : phosphopaséinate natif TGase : Transglutaminase UF : ultrafiltration
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Résumé
Lors de la filtration membranaire d’un lait écrémé (UF et MF), les micelles de caséine s’accumulent à la surface des membranes jusqu’à, dans certaines conditions, former des ‘‘dépôts’’ irréversibles ou gels qui nuisent aux performances de l’opération. Ce travail a pour but de mieux comprendre ce phénomène à partir de l’identification et de la caractérisation des forces cohésives entre les surfaces des micelles en milieu concentré ; forces qui conduisent à l’irréversibilité du gel. L’irréversibilité de gels de micelles de caséine a été mesurée par des expériences de regonflement et la mesure de la fraction de gel redispersée dans différentes conditions physico-chimiques. Les résultats principaux de ce stage montrent que les forces cohésives entre les surfaces des micelles en milieu concentré sont dans l’équilibre entre deux types de forces : forces attractives que sont les liaisons hydrogènes (rôle plus important) et les ‘‘liaisons phosphocalciques’’, et forces répulsives que sont les répulsions électrostatiques entre les caséines. De façon assez surprenante, les interactions hydrophobes ne jouent pas un rôle notable dans les forces cohésives entre les micelles.
Mots clé : micelle de caséine, gel, forces cohésives, fraction redispersée, irréversibilité
Abstract
In membrane filtration of milk (UF and MF), casein micelles are accumulated onto the surface of the membrane until forming, in certain conditions, an irreversible fouling layer or a ‘‘gel’’ that limits the performances of the operation. The objective of this work is to understand this phenomenon more clearly by identifying and characterizing the cohesive forces between the micellar surfaces in a concentrated medium; forces that lead to the irreversibility of the ‘gel’. The irreversibility of cohesive gels of casein micelles was studied through reswelling experiments by analyzing the gel fraction that redispersés in different physicochemical conditions (redipersed fraction). The main results of this work show that the cohesive forces between the micellar surfaces in a concentrated medium are in equilibrium between two types of forces: attractive forces as hydrogen bonds (more important) and ‘‘phosphocalcic bonds’’, and repulsive forces which are the electrostatic repulsions between the caseins. Quite surprisingly, hydrophobic interactions do not play a significant role in the cohesive forces between the micelles.