Les biopolymères de qualité alimentaire (comme les protéines ou les polyosides) peuvent être utilisés pour créer une gamme diversifiée de systèmes appropriés pour l'encapsulation, la protection et la libération de composés fonctionnels tels que des vitamines, des nutriments, des
composés aromatiques, des antioxydants, des antimicrobiens, des nutraceutiques, … (Matalanis et
al., 2011). Plusieurs comportements des mélanges de biopolymères de natures différentes peuvent
être utilisés pour créer des systèmes de libération comme la coacervation ou la séparation de phase (Figure 1.11).
Figure 1.11 Comportements des mélanges de biopolymères protéine/polyoside (d'après Matalanis
et al., 2011).
Lorsqu'il y a une attraction entre les deux types de biopolymères, cela cause l'association entre eux soit sous forme de complexes solubles soit sous forme de complexes insolubles. L'exemple le plus commun de ce type résulte d'interactions électrostatiques entre molécules ayant des charges opposées. Le phénomène de complexation, appelé coacervation, correspond à la formation de deux phases distinctes : l'une est riche en biopolymères A et B et, l'autre est appauvrie en biopolymères. L'incompatibilité thermodynamique (ou ségrégation) se produit lorsque l'interaction entre les deux biopolymères est plus répulsive que l'interaction entre deux molécules A ou deux molécules B. Cela entraîne la formation de deux phases non miscibles l'une riche en A et l'autre riche en B. L'incompatibilité thermodynamique est le phénomène le plus communément rencontré pour une
solution de deux biopolymères (Schorsch et al., 1999 ; Tolstoguzov, 2003) et une importante variété
Figure 1.12 Exemple de structures pouvant être formées par des systèmes bipolymériques (d'après
Matalanis et al., 2011).
Système homogène : particule constituée d'un ou plusieurs biopolymères qui sont « intimement » mélangés et apparaissent formant un système homogène à l'échelle de la particule
Système avec revêtement : particule composée de deux phases, l'une formant un revêtement autour de l'autre. Ce revêtement peut varier en terme de composition, d'épaisseur et de structure, il peut être simple ou multi-couches.
Système hétérogène bicontinu : intérieur de la particule constitué de deux biopolymères au moins qui sont séparés en deux phases de compositions différentes (par exemple, une phase riche en protéine et l'autre riche en solvant ou en polyoside)
Système hétérogène dispersé : intérieur de la particule constitué de deux biopolymères dont un est dispersé dans la phase riche en l'autre.
Une fois qu'une microstructure particulière est obtenue (sphères, fibres, gouttelettes allongées (larmes)), il est parfois possible de figer le système dans un état cinétiquement stable en changeant par exemple les conditions environnementales pour qu'une phase ou les deux forment un gel. Les modes opératoires pour former de tels systèmes sont multiples : technique de moulage, pulvérisation (« spray drying »), méthode d'injection (extrusion) ((micro)billes d'alginate), méthode
microfluidique (Matalanis et al., 2011 ; McClements 2012).
Quatre principaux mécanismes ont été identifiés pour caractériser les propriétés de libération de tels systèmes : diffusion, érosion, fragmentation, gonflement/contraction (Jones et McClements, 2010 ;
Matalanis et al., 2011).
Peu de travaux ont été publiés sur l'incorporation de cellules bactériennes dans de tels systèmes à deux biopolymères dans des conditions d'incompatibilité thermodynamique. Tout d'abord, ces propriétés d'interaction ont été exploitées par les biologistes pour effectuer des séparations de matériel biologique (cellules animales, végétales ou microorganismes) dans des
conditions douces (Pacek et al., 2000) ou pour caractériser les propriétés physico-chimiques de
(Umakoshi et al., 1997). Cette méthode connue sous le nom d'ATPS (« Aqueous Two-Phase System ») repose sur le partage des cellules entre deux phases pouvant être issues d'une incompatibilité thermodynamique entre deux polymères de nature différente (exemple
Poly-Ethylène Glycol (PEG) / Dextran (Umakoshi et al., 1997)). Cette technique a par exemple été
utilisée pour effectuer la séparation des cellules de leurs métabolismes à partir des milieux de
culture (Tableau 1.10).
Tableau 1.10 Incorporation de microorganismes dans des systèmes incompatibles.
Système incompatible Microorganisme Application Référence
PEG / dextran PEG / HPS EO / HPS PO / HPS
Lactobacillus delbrueckii subsp. delbrueckii 9649
Lactococcus lactis subsp. lactis 19435, 65.1
Lactococcus lactis subsp. cremoris DSG-HB
Extraction de l'acide
lactique Planas et al., 1996
PEG / dextran Escherichia coli W3110, ML308
Saccharomyces cerevisiae Caractérisation des propriétés physico-chimiques de surface de cellules bactériennes
Umakoshi et al., 1997
PEG / dextran Polyporus squamosus Extraction de la
pectinase Antov et Pericin, 2000Antov et al., 2001 PEG / phosphate
PEG / sulfate PEG / dextran
Trichoderma harzianum Extraction de composés
aromatiques Rito-Palomares et al., 2000Rito-Palomares et al., 2001 Sodium polystyrène
sulfate / phosphate Succinoglycan / phosphate
Escherichia coli AB1157
Sinorhizobium meliloti Rm1021 Compréhension du phénomène de formation de biofilms
Schwarz-Linek et al., 2010
EO : oxyde d'éthylène
HPS : amidon hydropropyle (« Hydropropyl Starch ») PEG : Poly-Ethylène Glycol
PO : oxyde de propylène
Depuis ces dernières années, des systèmes incompatibles sont utilisés dans le domaine des
Tableau 1.11 Microencapsulation de souches probiotiques confinées dans des systèmes incompatibles.
Système incompatible Microorganisme Méthode d'encapsulation Référence
PVP / dextran Enterococcus faecium M74 Pulvérisation-séchage Millqvist-Fureby et al., 2000
PEG / dextran
PVP / dextran Lactobacillus rhamnosus ATCC 53103 Pulvérisation-séchage Leja et al., 2009 Alginate / isolat de
protéine de soja Alginate / isolat de protéine de pois
Lactobacillus casei Technique de l'émulsion Andrade et al., 2010
PEG : PEG : Poly-Ethylène Glycol PVP : Poly (Vinyl Pyrrolidone)
En effet, les cultures probiotiques sont généralement utilisées sous forme sèche pour une incorporation dans des produits laitiers ou pour une prise sous forme de complément alimentaire
(Leja et al., 2009). Les bactéries probiotiques ont un pourcentage de survie et d'activité résiduelle
moindre lorsqu'elles ont été exposées à des conditions de pression osmotique et de température
extrêmes pendant l'étape de séchage (Leja et al., 2009). Les systèmes ATPS sont alors utilisés
comme facteur de protection. Si les cellules sont confinées dans la phase dispersée qui est
elle-même entourée de la phase continue, il y a donc une double protection illustrée (Leja et al.,
2009) par la Figure 1.13 ci-dessous (Millqvist-Fureby et al., 2000).
Figure 1.13 Représentation schématique de particule obtenue après pulvérisation-séchage d'un
système incompatible confinant du matériel biologique (d'après Millqvist-Fureby et
al., 2000). a : Gouttelette après pulvérisation. b : Particule sèche.
Les parties grises et blanches représentent les deux phases du système, chacune enrichie en un polymère. Les points noirs représentent le matériel encapsulé confiné dans la phase dispersée du système.
En plus de cette notion de double protection, Nag et al., en 2011, ont mis en avant des améliorations
dans les propriétés physico-chimiques et mécaniques du gel formé avec un mélange de deux biopolymères caséinates de sodium / gomme gellane en comparaison d'un gel formé uniquement avec des caséinates de sodium. Même si les conditions de concentration ne permettent pas de classer ce mélange dans les systèmes APTS, ces travaux mettent en avant un autre point positif pour
l'utilisation de mélange de biopolymères. La gomme gellane (produit par Pseudomonas elodea) est connue pour fournir des petites particules en suspension sans provoquer une augmentation de la viscosité significative. De plus, elle n'est pas facilement dégradée par les enzymes et résiste à des
environnements acides (Nag et al., 2011). La combinaison des caséinates de sodium et de la gomme
gellane augmente alors la force du gel et sa résistance (Nag et al., 2011).
Pour l'utilisation de tels systèmes polymériques incompatibles pour confiner du matériel biologique comme des cellules, il est important de s'intéresser aux interactions mises en jeu dans les systèmes entre les polymères et le matériel confiné. Dans le cas de cellules bactériennes, ces interactions guideront leur localisation.