Diffusion de solutés dans des systèmes laitiers Influence de la microstructure des systèmes et des caractéristiques physico-chimiques des solutés

Diffusion phenomena are essential to control the quality of dairy products, and are still misunderstood for solutes other than salt and water. The aim of this thesis was then to investigate how solute diffusion is influenced by the microstructure of different dairy systems and by the physicochemical characteristics of solutes. These dairy systems presented the same casein concentration but their microstructure was modulated by different technological treatments such as heat-treatment and rennet-induced coagulation of protein milk concentrates. An automated image analysis procedure was developed to determine microstructural parameters of dairy systems from Transmission Electron Microscopy (TEM) images, obtained using cryo-preparation methods. Model solutes such as dextrans, proteins and peptides were used for their properties of shape (flexible/rigid) and charge (neutral/negative/positive) in a wide range of molecular weights (from 4 to 2000 kDa). Their diffusion coefficients were determined by the Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) technique. The diffusion phenomena were explained by microstructural parameters of dairy systems, such as pore size and interface area between solutes and the surrounding matrix. However, the influence of the physicochemical characteristics of solutes on diffusion was much more pronounced than that of the system microstructure. Moreover, we observed that the shape of solutes influenced more their diffusion than the electrostatic interactions due to their charge. On this basis, mathematical models could be developed to predict diffusion behavior from the microstructural parameters of dairy systems and the physicochemical characteristics of solutes.

Les phénomènes de diffusion sont essentiels pour contrôler la qualité des produits laitiers, et pourtant ceux-ci sont encore très peu connus pour des solutés autres que le sel et l’eau. L'objectif de cette thèse a été d'étudier comment la diffusion de solutés est influencée par la microstructure de différents systèmes laitiers et par les caractéristiques physico-chimiques des solutés. Ces systèmes présentaient une concentration identique en caséines mais des microstructures différentes, modulées par différents traitements technologiques tels que le traitement thermique et la coagulation présure. Une procédure automatisée d’analyse d’images a été développée pour déterminer des paramètres microstructuraux des systèmes à partir d’observations en Microscopie Electronique à Transmission. Des solutés modèles, tels que dextrans, protéines et peptides ont été utilisés pour leurs propriétés de conformation (flexible/rigide) et de charge (neutre/négative/positive), dans une large gamme de poids moléculaires (de 4 à 2000 kDa). Leurs coefficients de diffusion ont été déterminés par la technique de Recouvrement de la Fluorescence Après Photoblanchiment. Les phénomènes de diffusion ont pu être expliqués par des paramètres microstructuraux, notamment la taille moyenne des pores et la quantité d’interface entre les solutés et la matrice environnante. Cependant, l'influence des caractéristiques physico-chimiques des solutés sur la diffusion était beaucoup plus prononcée que celle de la microstructure. De plus, nous avons observé que la conformation des solutés a plus d’influence sur la diffusion par rapport aux interactions électrostatiques solutés/matrice dues à la charge des solutés. Sur la base de ces travaux, il serait intéressant de développer des modèles de prédiction des phénomènes de diffusion connaissant les paramètres microstructuraux des systèmes laitiers et les caractéristiques physico-chimiques des solutés.