Equipe EMMA "Eau - Molécules actives - Macromolécules – Activités"

Directeur : Philippe Cayot

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L’équipe EMMA, Eau - Molécules actives - Macromolécules – Activités, évolue dans le domaine de la chimie et de la physico-chimie des matériaux appliquées aux aliments et aux produits de santé (EA 581). Cette équipe s’intéresse au rôle de l’eau comme agent structurant d’une matrice, moteur de dénaturation des macromolécules (polyosides, protéines), comme facteur de contrôle dans la « vectorisation » de molécules actives (arômes, nutriments, médicaments), à l’interface en particulier d’un film digestible, d’un globule gras ou dans une capsule. L’étude de matrices en milieu concentré constitue le point central de l’équipe.

L’eau est le solvant et le milieu dispersant du monde vivant, c’est aussi un plastifiant des systèmes biologiques et des matrices alimentaires. La maîtrise de l’influence de l’eau sur les qualités de l’aliment ou les propriétés d’un vecteur de molécules actives exige une connaissance approfondie de ses états et de ses interactions avec les différentes microstructures et édifices moléculaires (paramètres thermodynamiques). Ces paramètres thermodynamiques ne peuvent expliquer seuls l’ensemble des évolutions de qualités des aliments ; les propriétés dynamiques des molécules d’eau (approche cinétique) sont aussi à prendre en compte. L’eau est à la fois un facteur de structuration et un moteur de la mobilité moléculaire.
En raison du caractère dipolaire marqué, l’eau est un liquide "associé", c'est-à-dire que ses molécules établissent entre elles un réseau d’interactions (hydrogène). La relation entre la distribution de l’eau dans le milieu, le degré d’organisation des molécules d’eau et l’aptitude de ces molécules à hydrater préférentiellement certains constituants du milieu conditionnent les caractéristiques physico-chimiques et sensorielles de nos matrices. Agrégation, dénaturation interfaciale, gonflement des macromolécules sont gérés par cette relation. L’ajout de solvants chaotropiques (désorganisation de l’eau) et cosmotropiques (organisation de l’eau), mais aussi de petites molécules ioniques aux macromolécules protéiques ou polyosidiques doit nous permettre de mieux comprendre d’un point de vue structural quel est l’impact de cette modulation d’organisation de l’eau sur l’interaction avec la macromolécule modèle (échelle moléculaire) et, au final, sur les propriétés de la matrice étudiée (échelle macroscopique) : gels, émulsions, microcapsules, matériaux barrières. Par exemple, la permittivité du milieu semble influencer la structuration des macromolécules mais pourrait aussi conditionner la mobilité moléculaire permettant aux dipôles de se réorienter. La constante diélectrique de l’eau est beaucoup plus élevée que celles de solvants moins polaires dans lesquels les interactions moléculaires sont moins importantes. Un changement de cette permittivité (par ajout de co-solvants aux systèmes) a une incidence considérable sur l’aptitude des macromolécules à se réorganiser. Nous avons utilisé ce changement de permittivité par ajout de co-solvant pour comprendre les mécanismes de dénaturation protéique mais le rôle exact de l’eau dans la dénaturation et les lois physiques qui régissent cette dénaturation restent à identifier.

Outre son importance en tant qu’agent de structuration d’une matrice, l’eau est aussi un paramètre clé à considérer pour comprendre et prédire de la mobilité moléculaire au sein de matrices concentrées ou de matériaux en contact comme des films barrière comestibles ou de vecteur de molécules actives. Nous avons montré dans nos précédents travaux que la mobilité moléculaire des constituants d’un aliment ou d’un comprimé médicamenteux, et de l’eau en particulier, est à la fois une signature des interactions intermoléculaires, un reflet de la stabilité ou de l’instabilité des matrices avec des conséquences rhéologiques, et un indicateur de performances d’usage, telles que la rétention ou la libération contrôlées de molécules actives (eau, composés d’arôme, molécules médicamenteuses). Il s’agit d’établir un lien entre la mobilité moléculaire, la formule et le procédé servant à préparer un film ou une encapsulation.

La vectorisation de nutriment, d’arôme ou de médicament constitue un domaine d’application de nos travaux plein d’avenir. La structure moléculaire des biopolymères qui constitue ces vecteurs conditionnent les propriétés de transport. Les lois thermodynamiques régissent, à l'équilibre, la quantité de molécules susceptibles de pénétrer dans un biopolymère, alors que la cinétique de diffusion est liée à la mobilité moléculaire du milieu de diffusion, à la taille de la molécule diffusante et aux interactions intermoléculaires. Il s’agit pour nous de trouver des lois générales plutôt que des relations propres à un type de matrice et à une petite molécule à vectoriser en particulier. En raison de l’aptitude à résister à une déstructuration dans différents compartiments oro-gastro-instestinaux et à se déstructurer dans d’autres pour libérer la molécule active, ces vecteurs permettent un ciblage de l’action des molécules actives. L’étude de la relation entre l’eau et du vecteur est primordiale pour maîtriser ce ciblage. Cette étude sera réalisée à deux niveaux : a) en terme de mobilité moléculaire de la macromolécule constituant le milieu de diffusion, à la fois dans des matériaux simples (pour aider à la conception de modèles explicatifs) et dans matrices plus complexes très proche de milieux réels ; b) en terme de transferts de petites molécules au travers de matrices solides et aux interfaces solide/liquide/vapeur dans des systèmes dispersés, en considérant à la fois les paramètres thermodynamiques de la molécule diffusante et du milieu de diffusion. Les transferts de matière couplés à la migration d’eau et/ou de co-solvant seront plus particulièrement étudiés.

Une caractéristique de qualité très importante des aliments et des produits pharmaceutiques est la capacité de rétention d’eau des matrices (gels, films comestibles, milieux peu hydratés). Toute évolution de la rétention et de la répartition de l’eau peut induire des changements importants de la stabilité et des qualités du produit étudié. Il est donc nécessaire de savoir contrôler et prédire ce paramètre en fonction du temps et des opérations appliquées au système. La localisation de l’eau dans les matrices aux différentes échelles (microscopiques et macroscopiques) est un sujet à approfondir en utilisant des outils innovants tels que la résonance magnétique nucléaire bas champ (RMN), l’imagerie de résonance magnétique nucléaire (IRM) ou la microscopie à force atomique (AFM). La mise en relation de cette répartition avec la structure initiale du produit, l’activité de l’eau et les interactions soluté - eau ou co-solvant - eau en présence est primordiale. L’effet de procédés (élévation de température, séchage, congélation, cisaillement, hautes pressions) sur la structure de la matrice et ses caractéristiques fonctionnelles (rétention d'eau et de molécules actives) sera en lien avec nos études et les conséquences sensorielles (flaveur, texture) seront analysées pour permettre d’offrir des solutions compatibles avec les goûts du consommateur.

L’objectif à terme est de transférer la compréhension acquise du rôle de l’eau sur des systèmes simples vers une meilleure maîtrise de la qualité sensorielle et de l’aptitude à vectoriser dans des systèmes réels : suspensions concentrées, denses ou poreuses (produits céréaliers, émulsions concentrées), des matériaux particulaires (préparations à base de particules de protéines laitières, supports de principes actifs médicamenteux, microorganismes ou particules colloïdales dispersées dans un milieu hydroalcoolique comme le vin), ou des réseaux gélifiés ou formant des films, riches en macromolécules (polyosides, protéines). Que ce soit après un séchage, ou lors d’une réhydratation ou d’une désagrégation d’un vecteur pharmaceutique, qu’il s’agisse d’aliments dès le départ moyennement à faiblement riches en eau (pain, fromage…), que le modèle soit un produit cosmétique type crème peu riche en eau ou poudre, les milieux concentrés constituent les modèles d’études privilégiés.

L’étude du rôle du procédé d’une part dans la structuration et d’autres part la dénaturation, les études pour cibler des principes actifs nous amèneront à établir des collaborations avec des équipes en génie des procédés (Laboratoire de Génie des Procédés Alimentaires et Biotechnologiques – GPAB ; EA 1684 uB) et de pharmacie et de médecine (Laboratoire de Physico-chimie, Pharmacotechnie, Biopharmacie ; UMR 8612 CNRS-Université de Paris Sud, Centre d'Etudes Pharmaceutiques, Chatenay-Malabry). Pour l’étude des matériaux, les collaborations avec des équipes de physico-chimie déjà engagées seront maintenues : Laboratoire de Physique de l'Université de Bourgogne – LPUB (UMR 5027 CNRS-uB) mais encore les laboratoires Léon Brillouin - LLB (UMR 12 CEA-CNRS, Saclay) ; de Matériaux à Porosité Contrôlée – LMPC (UMR 7016 CNRS-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Mulhouse) ; de Microanalyses Nucléaires – LMN (UMR E4 CEA-Université de Besançon) ; de Recherche sur la Réactivité des Solides - LRRS (UMR 5613 CNRS-uB) ; la Jeune Equipe Théorie, Recherche, Applications Concertées en Spectrométrie - TRACES (Université d'Aix-Marseille III) ; l’Institut de Recherches subatomiques - IReS (UMR 7500 IN2P3-CNRS-Université Louis Pasteur de Strasbourg) et le Groupe Materials Science du Max Planck Institute for Polymer Research de Mayence (Allemagne).