Study of physico-chemical properties of hydroxypropyl cellulose, and its application in non-dairy toppings | Etude des propriétés physico-chimiques de l’hydroxypropyl cellulose, et de son application dans les toppings non laitiers

English. Hydroxypropyl cellulose (HPC) is a biopolymer obtained by chemical modification of cellulose. The grafting of substituents along the polymer chain is used to modify the physico-chemical properties of the polymer. Firstly, it reduces the intensity of the hydrogen bonds previously present in the cellulose, resulting in a water-soluble molecule. Secondly, it provides thermoplasticity and a certain amphiphilicity to the polymer. Because of its specific properties, HPC is used in a multitude of industrial applications. Due to the flexibility of its manufacturing process, HPC can be obtained in different commercial grades, usually differing in molecular weight or degree of substitution. Previous studies published in the literature have shown differences in properties between cellulose ethers, including HPC, of the same commercial grades. The origin of these differences in properties is still poorly documented in the literature. This work aims to improve scientific knowledge about this polymer, with a double objective. Firstly, it aims to clearly identify the origin of the differences in properties that may exist between commercial samples meeting the same technical specifications. Secondly, it aims to study the techno-functional properties of this polymer in a comprehensive manner and to improve the current knowledge of its structure-properties relationship, which currently remains incomplete in the literature. The research proceeded in a systematic and comprehensive way in order to meet the above-mentioned objectives. The first part focused on the study of the relationship between the structure and properties of several commercial HPC samples. In the second part, these samples were implemented in a model to test their performance as additives. This second, more applied part provided information on how differences in structure and function can be translated when HPC is used in a particular application. The differences in properties between HPCs could be related to differences in structure. The properties of modified celluloses depend not only on the absolute number of substituents grafted to them but also on the way they are distributed along the chain. The particular behaviour of a sample was explained by a more heterogeneous substitution pattern. This type of substitution is characterised by polymer chains that may contain alternating highly substituted and less substituted regions. This more polarized distribution of substituents along the polymer chain affects their physico-chemical properties. These fundamental differences have subsequently been shown to be a determining factor in the performance of HPCs when applied in a model. Although regularly considered as stabilisers, and used as such, the addition of HPC to a protein-stabilised O/W emulsion caused rapid destabilisation. An interfacial competition phenomenon was found between the sodium caseinates present in the formulation and the HPC, explaining this destabilisation. The results indicated that the extent of this competition depends on the nature of the HPC. This work is intended to be a useful guide to selecting the most appropriate version of HPC for the specific food matrix under study.

French. L’hydroxypropyl cellulose (HPC) est un biopolymère obtenu par modification chimique de la cellulose. Le greffage de substituants le long de la chaine du polymère est utilisé afin de modifier ses propriétés physico-chimiques. Cela permet tout d’abord de diminuer l’intensité des liaisons hydrogène intra-chaines préalablement présentes dans la cellulose, et d’obtenir une molécule soluble dans l’eau. Ensuite, cela apporte une thermoplasticité, et un caractère amphiphile au polymère. Grâce à ses propriétés bien spécifiques, le HPC est utilisé dans une multitude d’applications industrielles. De par la flexibilité de son procédé de fabrication, le HPC peut être obtenu en différents grades commerciaux, différant généralement par leur poids moléculaire ou leur degré de substitution. De précédentes études ont mis en évidence des différences de propriétés entre des éthers de cellulose, dont l’HPC, de même grades commerciaux. L’origine de ces différences de propriétés est encore peu documentée dans la littérature. Ce travail ambitionne d’améliorer les connaissances scientifiques par rapport à ce polymère, avec un double objectif. Premièrement, il vise à identifier clairement l’origine des différences de propriétés pouvant exister entre des échantillons commerciaux répondant aux mêmes spécifications techniques. D’autre part, il vise à étudier de manière approfondie les propriétés techno-fonctionnelles de ce polymère, et à améliorer les connaissances actuelles quant à la relation structure-fonction, qui demeurent actuellement lacunaires. La thèse a été conduite de manière systématique et complète afin de répondre aux objectifs mentionnés ci-dessus. Une première partie s’est concentrée sur l’étude de la relation entre la structure et les propriétés de plusieurs échantillons de HPC commerciaux. Dans un second temps, ces échantillons ont été mis en œuvre dans un modèle afin de tester leur performance en tant qu’additifs. Cette deuxième partie, plus appliquée, a permis d’obtenir des informations sur la manière dont les différences de structure et fonctions peuvent se traduire lorsque le HPC est utilisée dans une application particulière. Il apparaît que les propriétés des celluloses modifiées dépendent non seulement du nombre absolu de substituants qui leur sont greffés, mais également de la façon dont ils sont répartis le long de la chaine. Le comportement particulier d’un échantillon a été expliqué par un profil de substitution davantage hétérogène. Ce type de substitution est caractérisé par des chaînes de polymère qui peuvent contenir, en alternance, des régions hautement substituées et des régions plus faiblement substituées. Cette répartition plus polarisée des substituants le long de la chaine de polymère affecte leurs propriétés physico-chimiques. Ces différences fondamentales se sont révélées par la suite être un facteur déterminant dans la performance des HPC, lorsqu’il a été appliqué dans un modèle. Bien que régulièrement considéré comme stabilisants, et utilisé en tant que tel, l’addition de HPC dans une émulsion H/E stabilisée par des protéines a causé une déstabilisation rapide. Un phénomène de compétition interfaciale a été mis en évidence entre les caséinates de sodium présent dans la formulation et le HPC, expliquant cette déstabilisation. Les résultats indiquent que l’ampleur de cette compétition dépend de la nature du HPC.