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L’interaction électrostatique associative entre la β-lactoglobuline (βlg) native et la gomme xanthane (XG) résultant en la formation des gels couplés a été étudiée par diverses techniques. Les principaux objectifs de cette étude étaient premièrement de mieux comprendre le rôle de la protéine (βlg) et du polysaccharide (XG) dans la structuration du gel et les interactions impliquées dans la stabilisation du gel, et ensuite d’étudier les propriétés du gel en relation avec ses caractéristiques structurales. La gélification des mélanges βlg-XG a été suivie par la rhéologie dynamique. La caractérisation de la structure des gels a été réalisée au moyen de la microscopie confocale à balayage laser. L’effet de plusieurs facteurs environnementaux, incluant le ratio βlg-XG, la concentration des biopolymères, la force ionique, la vitesse d'acidification et la présence d’autres polysaccharides neutres (inuline et β-glucane) a été étudié. Il a été constaté que le réseau initial de XG a fourni le patron de base pour l'organisation de gel; les protéines ont agrégé sur les chaînes de XG et pourrait être considérées comme un agent de réticulation. La structure du gel et ses propriétés peuvent être modifiées et contrôlées en ajustant le ratio βlg-XG, la concentration des biopolymères, la force ionique. L'effet de la vitesse d'acidification a été étudié en utilisant des quantités variables de glucono-delta-lactone (GDL). Cette approche a permis de réduire le temps de gélification sans modifier la structure du gel. De plus, la spectroscopie infrarouge (FTIR) a permis d’étudier la conformation de protéines au cours de la gélification avec la XG. Il a été trouvé que la conformation secondaire de βlg n’a pas changé lors de l'interaction électrostatique avec la XG. La participation des liaisons hydrogène (entre βlg-XG, βlg-βlg) et des interactions hydrophobes (entre βlg-βlg) dans la stabilisation du gel lors d'un traitement thermique de gel à 80°C pendant 30 minutes a été déterminée. Le traitement thermique a non seulement amélioré la stabilisation mais aussi réduit la synérèse du gel. Les résultats de ce projet devraient permettre à l’industrie alimentaire et non-alimentaire (biomédicale, cosmétique, pharmaceutique) de développer des produits semi-solides fonctionnels ou des matériaux intéressants pour incorporer des molécules actives. / The associative electrostatic interaction between native β-lactoglobulin (βlg) and xanthan gum (XG) resulting in the formation of electrostatic gels was studied by several techniques. The main objectives of this study were firstly to better understand the role of βlg and XG in gel structuration and the interactions involved in gel stabilization and secondly to relate gel behaviors to their microstructures. The gelation processes of βlg-XG mixtures were monitored by viscoelastic measurements and the microstructure of the gels was observed by confocal laser scanning microscope. The effect of several environmental factors including the βlg-XG ratio, biopolymer concentration, ionic strength, acidification rate, and presence of neutral polysaccharides (inulin and β-glucan) were investigated. It was revealed that the initial network of XG provided a frame for gel organization; the βlg aggregated along the XG chains and played a role of cross-linking agent. Gel structure and behavior can then be modified and tailored through the adjustment of βlg-XG ratio, biopolymer concentration, and ionic strength. The effect of acidification rate was studied using different quantities of glucono-delta-lactone (GDL). This approach allowed reducing the gelation time without modification in gel structure. In addition, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to study the conformation of proteins during gelation with the XG. It was found that the secondary conformation of βlg did not change during the electrostatic interaction with the XG. The involvement of hydrogen bonds (between βlg-XG, βlg-βlg) and hydrophobic interactions (between βlg-βlg) in gel stabilization upon thermal treatment of gel at 80°C for 30 minutes were determined. The heat treatment has not only improved the stability but also reduced gel syneresis. The results of this project should enable the food, biomedical, cosmetic, pharmaceutical industries to develop new functional semi-solid products or new interesting materials to incorporate active molecules.

Les souches Lactobacillus rhamnosus RW-9595M et ATCC 9595 possèdent 17 cadres de lecture ouverts (ORF) identiques à 99 % identifiés comme gènes de biosynthèse putatifs des EPS. Par contre, les quantités produites diffèrent avec 543 mg l-1 pour RW-9595M et 108 mg l-1 pour ATCC 9595. La phosphorylation réversible a été proposée comme mécanisme pour réguler la polymérisation des EPS chez les bactéries lactiques. Parmi les protéines participant à la polymérisation, on propose la tyrosine kinase, la tyrosine phosphatase et la co-polymérase. Cette étude cherche à démontrer l’impact de la phosphorylation de ces protéines, surtout la co-polymérase (Wzd), sur le complexe de ces protéines chez L. rhamnosus. Afin de tester l’effet de la phosphorylation sur leurs interactions, Wzd (co-polymérase) et Wze (kinase) ont été exprimées chez L. lactis ou chez E. coli. Chez L. lactis ssp. cremoris, certaines combinaisons de gènes peuvent être associées à la production d'EPS in vivo. Chez E. coli, l'expression des gènes peut être contrôlée, permettant d'exprimer et de purifier des protéines dans le but d'effectuer l'étude de leurs interactions in vitro. Les clones de la souche L. lactis ssp. cremoris MG1363 (naturellement non productrice d’EPS) transformée avec l’opéron EPS de RW-9595M ou ATCC 9595 produisent respectivement 326 et 302 mg l-1, mais avec des rendements inférieurs à la production chez la souche d'origine RW-9595M. Lors des essais in vitro, Wzd et Wze ne s’autophosphorylent pas lorsqu'elles sont seules, mais ensemble elles forment un complexe. Le complexe entre ces deux protéines non phosphorylées permet la phosphorylation de Wzd par Wze en présence d’ATP. Wze est libérée par la déstabilisation de cette interaction suivant la phosphorylation. L’existence de Wzd phosphorylée et de l’ATP conduit à l’auto-phosphorylation de Wze par une interaction transitoire. De plus, l’activité de Wzd est modulée par la phosphorylation des tyrosines en permettant l’autophosphorylation de Wze. Or, la phosphorylation de Wzd peut être une étape de phosphorylation réversible pour la polymérisation des EPS. Cette étude contribue à la compréhension de la relation entre les caractéristiques et les fonctions biologiques des polymères d'EPS. / Lactobacillus rhamnosus RW-9595M and ATCC 9595 have 99 % identical 17 open reading frames (ORFs) identified as putative genes coding for EPS biosynthesis and both strains produce very different EPS amounts: 543 mg l-1 (RW-9595M) and 108 mg l-1 (ATCC 9595). Reversible phosphorylation has been proposed as a mechanism to regulate the polymerization of EPS in lactic acid bacteria and three proteins, tyrosine kinase, tyrosine phosphatase and co-polymerase are proposed to be responsible for this regulation. The aim of this project was to demonstrate the impact of the phosphorylation of these proteins, especially the co-polymerase (Wzd), on the protein complex for EPS polymerization in L. rhamnosus. To test the effect of phosphorylation on their interactions, Wzd and Wze were expressed in L. lactis subsp. cremoris and E. coli. In L. lactis subsp. cremoris, the presence of certain combinations of genes can be associated with EPS production yields. In E. coli, gene expression can be controled and the proteins purified in order to study their interactions and phosphorylation state in vitro. Lactococcus lactis subsp. cremoris MG1363, a non EPS-producing strain, was transformed with two recombinant plasmids coding for the genes required for EPS synthesis. These transformants with operons from either RW-9595M or ATCC 9595 produce 326 and 302 mg l-1 respectively, with lower yields than RW-9595M. The proteins encoded by wzd and wze are respectively the co-polymerase and the kinase which theoretically participate in determining the chain length of the EPS. These two proteins do not autophosphorylate when they are alone, but together form a complex. The non-phosphorylated complex of two proteins allows the phosphorylation of Wzd by Wze, in the presence of ATP. This phosphorylation destabilizes the protein interaction with Wze. The transient interaction with phosphorylated Wzd leads to autophosphorylation of Wze in the presence of ATP. In addition, the activity of Wzd is modulated by tyrosine phosphorylation allowing autophosphorylation of Wze. Thus, the phosphorylation of Wzd may be an additional step of reversible phosphorylation for polymerization of EPS. This study may help advance our understanding of the relationship between the characteristics and biological functions of these polymers.

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Fucus vesiculosus et Ascophyllum nodosum sont des algues brunes comestibles et abondantes au Québec. Cependant, elles ont été négligées en raison de leur valeur potentielle inconnue et de la période de récolte limitée. Afin de valider leur utilité, la composition chimique de ces algues et l’activité inhibitrice des enzymes digestives de l'amidon par les fucoïdanes extraits de ces deux espèces d'algues ont été étudiés en fonction de la saison. Les composants principaux des algues sont dans l’ordre: les polysaccharides> minéraux> protéines> fucoïdane> lipides>> composés phénoliques, et leur quantité est très variable selon la période de récolte. F. vesiculosus contenait une plus grande quantité de protéines et de minéraux, alors que A. nodosum avait relativement plus de polysaccharides. Par conséquent, F. vesiculosus serait plus avantageux comme source d’éléments nutritifs. L’algue A. nodosum récoltée en Juillet a permis d’obtenir le fucoïdane ayant la pureté la plus élevée et le meilleur rendement. Les fucoïdanes extraits des deux espèces d’algues ont inhibé l’activité de l’α-glucosidase alors que seul celui extrait d’A. nodosum a pu, de plus, inhiber l’α-amylase. Le fucoïdane d’A. nodosum était un inhibiteur plus puissant que le fucoïdane de F. vesiculosus pour l’α-glucosidase avec des IC50 variant de 0,013 ~ 0,047 mg/ml, tout comme pour l’α-amylase avec des IC50 de 0,12 ~ 4,62 mg/mL selon le mois. Pour comprendre les facteurs clés expliquant les différences d’inhibition d’α-amylase entre les fucoïdane d’A. nodosum et F. vesiculosus, certaines caractéristiques structurales ont été analysées et comparées à du galactofucoidane qui a servi de contrôle. A partir des résultats obtenus, il est confirmé que la masse moléculaire plus faible (637 kDa) du fucoïdane d’A. nodosum et la présence de sulfates sont liées à son activité inhibitrice. Nous avons émis l’hypothèse que les faibles masses moléculaires permettent d’exposer facilement les groupements sulfate qui peuvent agir sur l’α-amylase par interaction électrostatique, et donc d'inhiber son activité. En conclusion, les algues brunes du Québec présentent un potentiel d’utilisation important pour leur valeur nutritionnelle et leurs composés bioactifs. Le fucoïdane a montré une activité d'inhibition des enzymes digestives de l'amidon (α-amylase et α-glucosidase) et cette activité est différente selon les espèces d'algues et la période de récolte. Une meilleure compréhension du mécanisme inhibiteur par le fucoïdane peut être utile afin de développer un ingrédient fonctionnel permettant de prévenir le diabète de Type-2. / Fucus vesiculosus and Ascophyllum nodosum are edible brown seaweed and abundantly available in Quebec. However, they have been neglected because of their unknown value and technical limitation in harvest. In order to validate their usefulness, chemical composition in seaweeds and starch digestive enzyme inhibition activity by fucoidan extracted from two seaweed species were investigated with different seasons. The major components in both seaweeds were in order: polysaccharide > minerals > protein > fucoidan > lipid > phenol, and their quantity was quite variable depending on harvesting timing. F. vesiculosus contained larger amount of proteins and minerals, while A. nodosum had relatively more polysaccharides. Therefore, F. vesiculosus are advantageous as a nutritional source. Especially, from A. nodosum harvested in July, a fucoidan having higher purity and better yield was obtained. Fucoidans from two seaweeds species inhibited α-glucosidase activity while, only fucoidan from A. nodosum could inhibit α-amylase activity. A. nodosum fucoidan was a more potent inhibitor than F. vesiculosus fucoidan for α-glucosidase with IC50 of 0.013 ~ 0.047 mg/mL, and for α-amylase with IC50 of 0.12 ~ 4.62 mg/mL depending on harvest month. To understand the key factors explaining the difference in α-amylase inhibition between A. nodosum fucoidan and F. vesiculosus fucoidan, structural characteristic was analyzed and compared with galactofucoidan as a control. From the obtained results, it is confirmed that smaller molecular weight (637 kDa) of A. nodosum fucoidan and the presence of sulfates are related to its inhibitory activity. It is proposed that small molecular weight permits to expose easily sulfate groups for interaction with α-amylase throughout electrostatic interactions, and therefore inhibiting its activity. In conclusion, brown seaweeds in Quebec have a considerable importance for nutrition and bioactive products. Fucoidan shows the inhibition activity for starch digestive enzymes (α-amylase and α-glucosidase) and its activity is different depending on seaweed species and harvesting period. Further understanding of the inhibitory mechanism by fucoidan can be useful to develop a functional ingredient to help preventing for Type-2 diabetes.

Les protéines du jaune d’œuf délipidées sont considérées comme un sous-produit lors de l’extraction lipidique en raison de la perte de leurs propriétés fonctionnelles. Les protéines du jaune d’oeuf existent sous forme de lipoprotéines, à l’exception de la phosvitine et des livétines. Les phosphopeptides issus de l’hydrolyse de la phosvitine possèdent une activité antioxydante pouvant conduire à des applications industrielles dans le secteur alimentaire et/ou nutraceutique. Le fractionnement de la phosvitine à partir du jaune d’œuf constitue une étape nécessaire en vue de la production de phosphopeptides. Cependant, cette méthode n’est pas applicable à grande échelle en vue de la production de phosphopeptides. Le but de ce projet était de développer une approche technologique applicable à l’échelle industrielle pour la production de la phosvitine par séparation membranaire à partir d’un extrait commercial de jaune d’œuf délipidé et pour la production de peptides antioxydant combinant l’hydrolyse enzymatique et l’ultrafiltration (UF). Un extrait de phosvitine à été obtenu à partir d’un produit commercial de jaune d’oeuf délipidé, au moyen d’une precipitation par NaCl (10% p/v), d’une centrifugation et d’une étape d’UF et de diafiltration. L’effet des conditions de filtration (pH, concentration, pression transmembranaire, seuil de coupure de la membrane) sur le flux de permeation a été évalué. La récupération protéique et la capacité de dessalage de solution de phosvitine ont été comparables pour des membranes d’UF de seuil de coupure de 10 et 30 kDa, mais le flux de perméation a été plus élevé avec la membrane de 30 kDa. L’électrophorèse 2D a été effectué afin de caractériser la composition protéique d’un produit commercial de protéines de jaune d’oeuf délipidé et de ses fractions obtenues précédement par UF. La plupart des produits de clivage de la vitellogénine ont été identifiés dans l’extrait de phosvitine. Néanmoins, le profil protéique des rétentats d’UF a montré des profils différents par rapport à la composition protéique des protéines du jaune d’oeuf frais. Les résultats suggèrent que la concentration par UF affecte la composition protéique. Les protéines du jaune d’oeuf et les phosphoprotéines ont été hydrolysées au moyen de la trypsine, ou encore, par une combinaison de deux enzymes (Alcalase et Protease N). Les hydrolysats obtenus ont été fractionnés à l’aide des membranes d’UF de seuil de coupure de 5 et 1 kDa. L’activité antioxydante des fractions a été mesurée par le test Oxygen Radical Absorbance Capacity (ORAC). La fraction peptidique produite par l’hydrolyse trypsique a montré l’activité antioxydante la plus élevée (1501.1–1886.8 µM TE.g-1 de protéines). L’activité antioxydante des hydrolysats de protéines de jaune d’oeuf pourrait être reliée à la teneur en phosphore des peptides, mais aussi à d’autres facteurs comme la masse moléculaire et la composition en acides aminés de ces peptides. L’hydrolyse enzymatique des protéines du jaune d’oeuf et l’utilisation de l’UF ont permis de produire des fractions peptidiques possédant une activité antioxydante et d’augmenter l’activité de ces peptides. Ce procédé utilisant l’hydrolyse enzymatique et l’UF offre un potentiel intéressant pour valoriser les propriétés fonctionelles et nutraceutiques des protéines du jaune d’œuf. / Delipidated egg yolk proteins are considered as a by-product in the process of the lipid and protein separation. The major proportion of yolk protein exits as lipoproteins except for phosvitin and livetins. Hen egg yolk phosphopeptides from phosvitin have demonstrated free radical scavenging and antioxidant activities against lipid peroxidation. Moreover, phosphopeptides have also been shown to provide an effective defense against oxidative stress in human intestinal epithelial cells. However, the method for producing these peptides was not applicable at large scale. The goal of this study was to develop and scale up the production of phosvitin from a commercially available delipidated egg yolk proteins and the production of antioxidant egg peptides by mean of enzymatic hydrolysis and ultrafiltration (UF). Egg yolk phosvitin was concentrated and desalted from delipidated egg yolk protein by a process that involved first a salting-out with 10% NaCl (w/w) treatment followed by UF and diafiltration. Various filtration parameters such as pH, feed concentration, transmembrane pressure and molecular weight cut-off (MWCO) membranes were studied. Results showed that performance of the 10 and 30 kDa MWCO UF membranes tested were similar in terms of production and desalting capacity. However, difference in terms of permeation flux during UF was noticed with the use of the 30 kDa MWCO membrane. Two-dimensional gel electrophoresis was performed to characterize the protein composition of the commercially delipidated egg yolk proteins and its UF-fractions obtained previously. Most of the vitellogenin cleavage products were identified in the crude phosvitin. Nevertheless, as compared to protein composition of fresh egg yolk, the UF-retentate profiles showed different patterns which suggest that egg yolk protein composition is modified as a result of UF-concentration. Fractionation of phosphopeptides by sequential UF with MWCO of 5 kDa and 1 kDa was performed to produce peptide fractions with increased antioxidant capacity. Antioxidant capacity was quantified by oxygen radical absorbance capacity (ORAC) assay to determine proton-donating capacities of the egg yolk hydrolysates. The peptide fractions with the greatest antioxidant capacity (1501.1–1886.8 µM TE.g-1 protein) were produced by enzymatic hydrolysis with trypsin alone and presented some common features such as low molecular weight, composition in amino acids and phosphorus content. The enzymatic hydrolysis of phosphoproteins from commercially delipidated egg yolk proteins obtained by UF successfully produced peptide fractions with antioxidant activity, which can be increased through fractionation. The process studied in this project offers the possibility to produce egg yolk peptides with potential uses in functional and nutraceutical applications.

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