Les informations accessibles par 1 H-BF-RMN lors de l’étude des temps de relaxation des protons

1.6.3.1 Description des résultats obtenus dans les matrices alimentaires

La RMN connait un intérêt grandissant en science des aliments, en effet c’est une méthode non destructive et non invasive permettant d’étudier la composition, la structure et le type de lien dans une matrice moléculaire complexe. Elle fournit des informations de nature quantitative et qualitative sur la structure de l’échantillon (Belloque et Ramos 1999; Belton 2011). La 1_{H-BF-RMN est très souvent utilisée en sciences alimentaires pour} quantifier la matière grasse solide ou liquide et l’eau dans les matrices (Mariette 2009; van Duynhoven, Voda et coll. 2010). Son utilisation s’étend à une large gamme d’aliments. Les informations accessibles dépendent du type de procédures utilisées et des paramètres de réglage. L’étude de la relaxation des spins permet de décrire les différentes phases ou environnements d’une matrice alimentaire par population de protons. Ces populations sont identifiées par un temps de relaxation et une intensité. L’interprétation des résultats est possible grâce aux connaissances des propriétés de la matrice et des principes physiques de la RMN.

Les différentes séquences de pulses sont explicitées dans l’Annexe A. Le lecteur est donc invité à y trouver les définitions des différentes séquences nommées par la suite.

Pendant longtemps, les populations de protons attribuées à l’eau étaient interprétées en termes d’eau libre et d’eau liée. Cependant, grâce à des études RMN réalisées avec l’atome 17_{O comme sonde, il a été démontré} qu’à cause de la diffusion des molécules d’eau (migration de l’eau) dans les matrices alimentaires, ces interprétations n’étaient plus valables (Hills, Takacs et coll. 1990). Actuellement, ces populations sont interprétées selon le type d’interactions possibles entre l’eau et les molécules. Pratiquement toutes les mesures réalisées sur des milieux alimentaires hydratés sont caractérisées par une relaxation transversale multiexponentielle dans le cas du modèle exponentiel discret et de plusieurs pics dans le cas de transformation continue. Les populations de protons les plus courantes sont : (i) l’eau libre (interagissant uniquement avec elle- même); (ii) l’eau d’hydratation des macromolécules; (iii) les protons en échange avec les protons échangeables des macromolécules comme ceux des chaines latérales : -OH, -SH, -NH (Packer et Rees 1972; Le Dean, Mariette et coll. 2004).

1.6.3.2 Description des résultats obtenus dans les matrices laitières

La décomposition multiexponentielle du signal de relaxométrie sur du lait est décrite par deux grandes populations : l’eau d’hydratation des protéines (essentiellement celle emprisonnée dans les micelles de

caséines) et les protons labiles interagissant avec les solutés que sont les protéines sériques et le lactose dans le sérum. Parfois, une seule exponentielle permet de décrire le signal de relaxation du lait, représentant une population de protons, issue de l’eau d’hydratation et des protons mobiles des solutés (Mariette 2003; Le Dean, Mariette et coll. 2004). Le Dean, Mariette et coll. (2004) et Mariette (2003) ont analysé l’influence de la composition et des procédés de transformation du lait sur les mesures 1_{H-LF-RMN. Tout changement affectant} la micelle de caséines se répercute sur les temps de relaxation. En effet, l’acidification provoque une augmentation du temps de relaxation due à la dissociation des structures micellaires suite à la solubilisation du calcium. Cette dissociation facilite la diffusion, et donc la mobilité, de l’eau dans la matrice. En dessous de pH 4,5, le phénomène se stabilise, car la totalité du calcium a été dissocié ou solubilisé des micelles (Figure 1.26).

Figure 1.26 : Vitesse de relaxation normalisée (1/T2) de lait écrémé à 20 MHz selon le pH et la

température.

= 5 °C ; = 20 °C ; n= 30 °C ; tiré de Mariette (2003).

Colsenet, Mariette et coll. (2005) ont démontré qu’il était possible de détecter la gélification de solutions pures de protéines sériques (Figure 1.27). Les gels présentent alors une relaxation monoexponentielle plus lente que celle des solutions correspondantes (Figure 1.27). De plus, les solutions de protéines sériques concentrées au- delà de 0.17 g de protéines / g d’eau possèdent un signal biexponentiel.

Par contre, selon Mariette (2003) la gélification due aux micelles de caséines n’est détectable que dans le cas des gels acides et non dans le cas de gels de type présure. L’emprésurage ne modifierait pas le signal de RMN, ce qui permet d’isoler les effets de changement de pH lors de la gélification sur le signal RMN. Métais, Cambert et coll. (2006) ont trouvé des résultats différents en présence de matières grasses. Comme expliqué plus haut, tous les changements induisant une modification d’hydratation interne des micelles sont observables. Ainsi, les traitements thermiques et de hautes pressions, ou encore les modifications de concentration minérale et saline provoqueront des changements du signal de relaxation. Par exemple dans des solutions de phosphocaséinate,

l’ajout de CaCl2 provoque un rallongement du temps de relaxation issu de l’hydratation des micelles. En effet, au fur et à mesure de l’ajout du calcium, celui-ci se complexe avec les caséinates. De plus grosses structures caséiques se forment alors en piégeant l’eau (Le Dean, Mariette et coll. 2004).

Figure 1.27 : Variation de la vitesse de relaxation (1/T2) en fonction la concentration en protéines

sériques de solutions et de gels (mesures effectuées à 20 MHz). Tiré de (Colsenet, Mariette et coll. 2005)

Mok, Qi et coll. (2008) ont rapporté que la gélification du yogourt provoquait une augmentation générale de la mobilité des protons (indiqué par le T1) (Figure 1.28 B). En utilisant le modèle de décomposition du signal par exponentielles discrètes, le signal transversal est décomposé par deux exponentielles (la plus lente due au lactosérum et l’autre à l’eau d’hydratation des micelles) dont l’importance relative s’interchange quand le point isoélectrique des caséines est atteint. Il y a donc au cours de la fermentation un échange d’eau entre le sérum contenu dans les pores du gel et l’eau hydratant les micelles de caséines (Figure 1.28).

1.6.3.3 Étude de la synérèse

Lorsqu’un gel lactique commence à expulser du sérum, le signal de relaxation possède un signal composé au minimum de deux exponentielles lorsqu’un modèle exponentiel discret est utilisé et de trois pics lorsque dans le cas d’une transformation continue (Hinrichs, Götz et coll. 2003; Mariette 2003; Hinrichs, Götz et coll. 2004a; Hinrichs, Götz et coll. 2004b; Gianferri, D’Aiuto et coll. 2007; Gianferri, Maioli et coll. 2007; Mok, Qi et coll. 2008; Mariette 2009; van Duynhoven, Voda et coll. 2010; Peters, Vergeldt et coll. 2016).

Figure 1.28 : Évolution des paramètres de relaxations transversale et longitudinale durant la fermentation du yogourt.

(A) paramètres de fermentation : pH et comptes bactériologiques ; (B) relaxation longitudinale ; (C) décomposition du temps de relaxation transversal ; (D) amplitude des différents composants de

signal de relaxation transversale. Tirée de (Mok, Qi et coll. 2008)

A

B

C

Il est alors possible d’étudier les mécanismes en jeu lors de la synérèse des produits laitiers. Par exemple, Métais, Cambert et coll. (2006) ont mis en évidence qu’une plus grande contribution des liaisons faibles entre les protéines laitières et les globules gras permet de diminuer la synérèse dans un caillé fromagé. La stabilité de yogourts à boire à différentes températures a été étudiée par Salomonsen, Sejersen et coll. (2007). Ils ont relevé que des phénomènes de déstabilisation étaient dus à un transfert de l’eau d’hydratation du gel dans l’eau du sérum. De plus, ces déstabilisations devenaient irréversibles pour des températures atteignant 25 °C.

La 1_{H-BF-RMN est un outil de choix pour comprendre la structure d’une matrice laitière, les interactions qui la} maintiennent et la répartition de l’eau dans la matrice. Dans le cadre de ce projet, elle pourra donc fournir des résultats précieux pour comprendre les phénomènes de synérèse. Cependant, l’interprétation des résultats obtenus est dépendante de certaines connaissances de base sur la matrice étudiée telles que la composition globale, les interactions moléculaires impliquées ou, encore, le type de structure colloïdale présente (gel, suspension, émulsion). Cependant, il est à noter que l’interprétation des résultats est risquée. La modélisation multiexponentielle discrète est largement utilisée, même si les transformations continues gagnent en popularité car elles permettent de ne pas faire d’à priori sur le nombre de populations de populations caractéristiques composant le signal émis par la matrice.