Le succès de l’application d’une coupe partielle dans les peuplements feuillus repose sur la contribution des arbres prélevés et résiduels à la croissance globale du peuplement, ce qui peut être capté par un critère à l’échelle du peuplement appelé le coefficient de dominance de croissance (CDC). L’objectif principal de cette étude était donc de tester la pertinence d’utiliser le CDC pour évaluer le succès de coupes partielles appliquées à des peuplements d’érable à sucre (Acer saccharum Marsh.) et de bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britt.) de structures équienne et inéquienne. Pour ce faire, le CDC a été calculé de deux façons, c’est-à-dire en utilisant comme base de calculs la biomasse des tiges ou la surface foliaire des arbres. Par la suite, nous avons utilisé des modèles linéaires mixtes pour vérifier si une coupe de jardinage dans les peuplements de structure inéquienne occasionnait un changement de CDC à court et à moyen termes, et pour vérifier si les effets de la vigueur et de la taille de l’arbre avant la coupe influençaient la croissance en diamètre de l’arbre après la coupe. Les résultats indiquent que les CDC calculés à partir de la biomasse des tiges étaient semblables aux CDC calculés à partir de la surface foliaire des arbres dans les peuplements de structure équienne (p = 0,7200), mais qu’ils avaient des valeurs plus basses dans les peuplements de structure inéquienne (p < 0,001). De plus, les coupes partielles n’ont pas significativement modifié les CDC à court (p = 0,7721) et à moyen (p = 0,8363) termes. Cependant, plusieurs arbres qui avaient une croissance rapide avant la coupe ont réagi négativement à la coupe partielle alors que de nombreux arbres qui avaient une croissance lente avant la coupe ont réagi positivement. En somme, l’évaluation du succès d’une coupe partielle semble difficile en utilisant un critère à l’échelle du peuplement comme le CDC. Une telle évaluation, ainsi qu'une meilleure compréhension des effets d'une coupe partielle, pourraient toutefois être obtenues par une analyse de croissance à l’échelle de l'arbre ou de la classe de diamètre. / The success of applying a partial cut in northern hardwood stands is based on the contribution of harvested and residual trees to overall stand growth, which can be captured by a stand-level criterion called the growth dominance coefficient (GDC). The main objective of this study was to test the relevance of using the GDC to evaluate the success of partial cuts applied to even-aged and uneven-aged sugar maple (Acer saccharum Marsh.)-yellow birch (Betula alleghaniensis Britt.) stands. To do this, we first determined whether GDC calculated with two indicators of resource acquisition, stem mass and tree leaf area, produce similar results after partial cutting according to stand structure. Second, using mixed linear models, we determined the effect of selection cuts on GDC in uneven-aged stands over the short and medium term, and we quantified the effects of tree vigour and size before cutting on diameter growth response of trees after cutting. Results indicate that GDC calculated based on stem mass were similar to GDC calculated based on tree leaf area in even-aged stands (p = 0.7200) but were significantly lower in uneven-aged stands (p < 0.001), likely because of a limited ability for crown expansion in large trees. Furthermore, selection cutting in uneven-aged stands did not significantly change GDC in the short (p = 0.7721) and medium (p = 0.8363) term. However, several trees that grew rapidly before cutting responded negatively to partial cutting while many trees that grew slowly before cutting responded positively. Overall, assessing the success of a partial cut seems difficult using a stand-level criterion such as the GDC. Such an assessment, as well as a better understanding of the effects of a partial cut, could, however, be obtained by a more detailed growth analysis performed at the tree or diameter class level.

Le bois abouté est souvent utilisé dans la fabrication de produits de bois d’ingénierie structuraux tels que le lamellé-collé et la poutrelle en I. Au Québec, les fabricants de produits de bois d’ingénierie utilisent principalement du bois du groupe Épinette-pin-sapin (EPS) qui comporte des essences de résineux acceptées dans les normes canadiennes. Étant un bois de feuillus, l’érable à sucre n’est pas une essence prescrite dans les normes de fabrication par contre, en théorie, ce bois peut offrir une alternative intéressante aux bois résineux compte tenu de sa résistance mécanique supérieure. Une revue de la littérature démontre qu’il existe plusieurs recherches sur l’aboutage par entures multiples, mais que celles portant sur l’aboutage de bois de feuillus sont plutôt rares. Plusieurs paramètres d’usinage doivent être contrôlés afin de fournir de belles surfaces de collage et d’optimiser le procédé d’aboutage. Ce projet vise à définir un intervalle de paramètres d’usinage pour l’aboutage structural par entures multiples de l’érable à sucre afin de développer les meilleures résistances mécaniques que ce bois peut potentiellement offrir. Plus spécifiquement, ce projet étudie la résistance en traction parallèle au fil en variant la vitesse de coupe ainsi que l’avance par couteau (chip-load). Des deux paramètres étudiés, la vitesse de coupe semble être le paramètre ayant le plus d’effet sur la résistance en traction parallèle au fil de l’érable à sucre. Les meilleures résistances furent atteintes avec une vitesse de coupe de 2726 m/min et une avance par couteau de 0,60 mm. La vitesse de coupe de 2726 m/min semble être la meilleure afin d’atteindre les meilleures résistances en traction parallèle au fil, et ce, peu importe l’avance par couteau. Finalement, les résultats obtenus nous permet de croire que l’érable à sucre abouté possède un bon potentiel pour des applications structurales dont la fabrication de produits de bois d’ingénierie structuraux. / Finger-jointed softwood lumber is often used in manufacturing of structural engineered wood products such as glued laminated (glulam) beams and prefabricated wood I-joists. In Québec, producers of engineered wood products utilize generally wood species of Spruce-pine-fir (SPF) group, which includes softwood species recognized in Canadian standards. As hardwood species, sugar maple is not listed in the product standards, although, presumably, it can offer an interesting alternative to softwoods from the view point of strength. Literature review shows that there are many studies on finger-jointing but there are few on finger jointing of hardwoods. Certain machining parameters have to be controlled in order to produce suitable gluing surfaces and to optimize the finger-jointing process. The main objective of this study was to evaluate the effect of machining parameters on the ultimate tensile strength parallel to grain (UTS) of finger-jointed sugar maple dimension lumber. Three different chip-loads and three cutting speeds were used as variables. Based on test results, the cutting speed appeared to influence the UTS the most. The best UTS (47.1 MPa) of finger-jointed sugar maple specimens were achieved with a chip-load of 0.60 mm and a cutting speed of 2726 m/min (rotation speed of 3250 RPM and feed speed of 11.7 m/min). Finally, results of the study show that finger-jointed sugar maple possesses a good potential for structural applications including fabrication of structural engineered wood products.

Ce travail de recherche avait comme objectif général d'évaluer la taille des pores des parois cellulaires de trois espèces canadiennes à l'aide de deux méthodes expérimentales. L'érable à sucre, le bouleau jaune, et l'épinette noire constituaient les trois espèces. La thermoporosimétrie (DSC ; differential scanning calorimetry) et la porosimétrie au mercure (MIP ; mercury intrusion porosimetry) ont été utilisées. L'ensemble des échantillons fut prélevé à partir des tranches de bois d'épaisseur d'environ 0,5 mm. Nous avons en DSC, observé la présence d'un pic (pic I) à de très basses températures et celle de deux autres pics (pics II et III) à des températures autour de 0 °C. La différence au niveau de l'ultrastructure des parois cellulaires, pourraient expliquer les différences significatives observées pour le pic I d'une part entre l'érable à sucre versus le bouleau jaune et d'autre part entre ce dernier versus l'épinette noire. La présence de différentes quantités d'extractibles associés à l'eau liquide dans les lumens, pourrait expliquer les différences significatives observées pour le pic II entre les trois espèces et pour le pour III, entre l'épinette noire versus chaque feuillu. Les pores apparents des parois cellulaires des trois espèces dont le diamètre moyen, calculé à l'aide de l'équation de Gibbs-Thomson, variait entre 1,27 et 1,61 nm. Des différences significatives ont été observées pour cette variable entre les deux feuillus et entre l'érable à sucre versus l'épinette noire. Celles-ci, seraient attribuées à une différence d'ultrastructure des parois cellulaires des trois espèces. Les résultats obtenus à l'aide de la méthode de MIP, ont montré que la pénétration du mercure dans la structure poreuse des trois espèces a été incomplète et que les pores des parois cellulaires des deux feuillus ont été atteints par le mercure, ce qui ne fut pas le cas pour le résineux. Nous avons également constaté à partir des résultats de MIP, que le diamètre des pores des parois cellulaires de l'érable à sucre serait plus grand que celui des pores dans les parois cellulaires du bouleau jaune et de l'épinette noire.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Résidu généré en fortes quantités par l’industrie forestière, l’écorce est principalement valorisée par combustion pour la production d’énergie. Pourtant, des projets de bioraffineries sont en développement croissant pour proposer de nouvelles voies de valorisation telle que l’extraction. L’écorce pouvant contenir des molécules extractibles potentiellement bioactives en quantités appréciables, les industries agro-alimentaire, cosmétique et pharmaceutique s’intéressent de près à de telles initiatives. Cette vaste gamme de composés bioactifs propose en effet des alternatives séduisantes à des ingrédients de synthèse de moins en moins prisés. De tels extractibles démontrant des activités antioxydantes, antibactériennes, anti-cancer ou encore anti-inflammatoires ont été isolés au sein de l’écorce des deux essences d’érables, Acer rubrum L. (érable rouge) et Acer saccharum Marsh. (érable à sucre). Ces hétérosides phénoliques ainsi que d’autres extractibles d’intérêt sont susceptibles d’être extraits à l’eau, un solvant vert apprécié pour des applications finales ayant trait à la santé humaine. La thèse présentée s’intéresse donc à la valorisation de l’écorce de l’érable rouge et de l’érable à sucre par récupération et caractérisation d’extractibles hydrosolubles potentiellement antioxydants. Le premier axe de la recherche est centré sur l’optimisation d’un procédé d’extraction à l’eau chaude. En variant les paramètres de granulométrie de l’écorce, de température, de durée de l’extraction et de ratio écorce/solvant, le but a été d’obtenir des valeurs optimales de rendement, teneur en phénols totaux, capacité antioxydante et consommation énergétique estimée. Partant des résultats obtenus, les conditions suivantes : granulométrie de 250–500 μm, température de 90°C, durée de 1 h, ratio écorce/solvant de 1/10, ont été jugées pertinentes pour une mise à l’échelle. Ainsi, des traitements post-extraction ont été investigués à échelle laboratoire pilote pour la production d’extraits secs. Combinant plusieurs méthodes de concentration (osmose inverse, évaporation sous vide) et de séchage (atomisation, lyophilisation), ces traitements ont été évalués selon différentes variables réponses : récupération de l’extrait, capacité antioxydante, teneurs en protéines, en composés phénoliques, en sucres totaux et énergie nécessaire aux opérations unitaires des différents procédés. Pour les extraits des deux essences d’érable, les combinaisons osmose inverse/atomisation et osmose inverse/lyophilisation se sont avérées les plus prometteuses. De qualité supérieure en termes d’antioxydants phénoliques, l’extrait d’écorce d’érable rouge lyophilisé a été choisi pour l’investigation de tels composés par criblage antioxydant. L’approche basée sur des techniques couplant test antioxydant in vitro au radical DPPH et séparation chromatographique par HPLC a permis de mieux comprendre les mécanismes radicalaires en présence des dérivés galloyl-glucitols de l’érable rouge. Le phénomène d’auto-oxydation mis en évidence chez ces dérivés testés purs n’a pas été observé lorsque ceux-ci ont été évalués dans des mélanges tertiaires ou directement dans l’extrait. L’effet de mixture/matrice associé à ce comportement a orienté la suite des travaux vers l’étude de fractions de composés plutôt que vers l’isolement de composés purs. Pour cela, la technique d’ultrafiltration a été investiguée pour la production de fractions concentrées. Ce dernier volet a donc permis d’explorer des classes de composés peu, voire non étudiés au sein des deux érables (protéines, tannins). Même si les résultats demeurent préliminaires, la caractérisation des tannins a révélé certaines similarités chez les deux essences, à savoir la présence de tannins de type proanthocyanidine en quantités comparables. En termes de différences, contrairement à l’érable à sucre, l’érable rouge semble riche en gallotannins de hautes masses moléculaires. Toutefois, des analyses complémentaires seraient nécessaires pour confirmer ce résultat. Au final, cette thèse fournit une base substantielle pour l’établissement d’une voie de valorisation viable des extractibles des écorces d’érable rouge et d’érable à sucre. Elle propose un défrichage des principales problématiques intrinsèques à la production d’extraits pour des applications alimentaire, cosmétique ou pharmacologique. Si les connaissances des composés présents dans l’écorce d’érable ont été améliorées, de nombreuses étapes restent nécessaires à la création d’une filière de bioraffinerie pérenne. Pour aller dans ce sens, la suite de la recherche prévoit, entre autres, des tests de toxicité et d’activités in vivo, ainsi que l’étude de l’intégration des extraits dans des matrices alimentaires. / Bark is a high-volume residue from the forest industry that is mostly incinerated for its calorific value. However, biorefineries are increasingly gaining importance by providing new alternatives, such as solvent extraction. As bark is usually rich in extractives susceptible to exhibit bioactivities, agro-food, cosmetic and pharmaceutical industries keep a close eye on such opportunities. This high diversity of bioactive natural compounds in extracts provides a valuable substitute to synthetic ingredients, currently losing popularity. Phenolic extractives associated to antioxidant, antibacterial, anti-cancer or anti-inflammatory activities have been found in red maple (Acer rubrum L.) and sugar maple (Acer saccharum Marsh.) bark. In addition to other promising extractives, these phenolic glycosides could be recovered using water. This non-toxic extraction solvent is usually privileged for human-health related applications. This thesis investigates the valorisation of red maple and sugar maple bark by recovery and antioxidant characterisation of their water-soluble extractives. First, the research was focused on hot-water extraction optimisation. By varying several parameters (particle size of bark, extraction temperature and duration, bark/solvent ratio), optimal values were determined in terms of extraction yield, phenolic content, antioxidant capacity and estimated energy consumption. From these results, a 250–500 μm particle size, 90°C temperature, 1 h duration and a 1/10 bark/water ratio were found relevant for a scale-up. Therefore, post-extraction treatments were investigated at semi-pilot scale aiming to produce dry extracts. Combining concentration (reverse osmosis, vacuum evaporation) and drying (spray-drying, freeze-drying) methods, treatments were evaluated based upon several response variables: extract recovery, antioxidant capacity, protein, phenolic and carbohydrate contents and power consumption induced by the operation units of the process. In regards to these variables, extracts from both maple species seemed more potent when processed using reverse osmosis, associated to spray-drying or freeze-drying. The higher potential in terms of antioxidant phenolics determined for the red maple bark extract obtained using reverse osmosis and freeze-drying led us to perform antioxidant screening on this extract. An approach based on in vitro DPPH radical scavenging test associated to HPLC separation allowed for a better understanding of radical scavenging mechanisms related to galloyl-glucitol derivatives from red maple. Autoxidation of these compounds tested individually was not observed when evaluated in a tertiary mixture or in the crude extract. This mixture/matrix effect helped us define the next step as a study focusing rather on the production of fractions than on the isolation of pure compounds. To this end, ultrafiltration was studied as a tool for extract fractionation. Thus, this last part of the project allowed us to explore different classes of compounds in both sugar and red maple (proteins, tannins), which have rarely been studied. Although preliminary, the obtained results indicated the similarities between the characteristics of tannins found in both species i.e. proanthocyanidins in comparable amounts. However, only the high molecular fraction form red maple bark extract seemed to contain substantial amounts of high-molecular-weight gallotannins. Supplementary analyses would be required to confirm this result. To conclude, this thesis provides solid information to promote the extraction of red and sugar maple bark at a commercial level. This work offers valuable findings and insights about extract production for application in foods, cosmetics or pharmaceutics. The results obtained help enhance the knowledge about maple bark phytochemicals. Yet, further studies would be required before creating a sustainable biorefinery project based on maple bark. Such investigations, including in vivo toxicity, activity testing, as well as studies about food enrichment using maple extracts are planned for the continuation of this research.

La présente recherche a eu comme objectif principal d'identifier le meilleur procédé de préparation des surfaces du bois d'érable à sucre pour fins de vernissage. Le procédé traditionnel de ponçage de même que le rabotage oblique avec couteau fixe et barre de pression et le rabotage périphérique hélicoïdal ont été étudiés. La possibilité de substitution complète ou partielle du ponçage par les autres procédés a été ensuite analysée. Le dispositif expérimental fut divisé en quatre étapes: les trois premières ont servi à optimiser chaque procédé d'usinage par rapport à la qualité de surface du bois, tandis que la quatrième a servi à comparer les procédés par rapport à leur aptitude au vernissage. La qualité de surface a été évaluée en fonction des caractéristiques de rugosité, de mouillabilité et d'endommagement cellulaire. Les meilleures conditions d'usinage rencontrées dans les trois premières étapes furent les suivantes: la coupe oblique à 0,25 mm de profondeur, à 25º d'angle d'attaque et aux angles obliques de 30º et de 50º; le rabotage hélicoïdal perpendiculaire au fil à 0,50 mm de profondeur de coupe et aux vitesses d'avance ajustées pour 14 et 17 traces de couteau par 25,4 mm de longueur rabotée; et le ponçage à l'aide de l'oxyde d'aluminium à une vitesse d'avance de 14 m/min et aux grosseurs finales de grain de 100 et de 150. Ces conditions furent testées lors de la quatrième étape, où on a revêtu les surfaces avec un vernis polyuréthane. La qualité du revêtement fut alors jugée à l'aide des essais de résistance à l'adhésion et d'un vieillissement accéléré. Le ponçage et le rabotage hélicoïdal perpendiculaire au fil ont produit des surfaces sans défauts visibles, tout en procurant la meilleure adhésion du revêtement avant le vieillissement. Ces surfaces ont toutefois subi une perte d'adhésion suite au vieillissement accéléré. En revanche, ce vieillissement n'a pas affecté l'adhésion des surfaces préparées à l'aide de la coupe oblique avec barre de pression. Ainsi, l'adhésion après vieillissement fut similaire pour les trois procédés d'usinage. Cependant, le vieillissement a détérioré davantage les échantillons rabotés par coupe hélicoïdale que ceux poncés. On a conclu que la coupe oblique et le rabotage hélicoïdal pourraient réduire la dépendance au ponçage. / The main objective of this research was to identify the best machining method to prepare sugar maple wood surfaces to varnishing. Conventional sanding, as well as the fixed-oblique-knife pressure-bar cutting and the peripheral helical-knife planing were studied. The possibility of complete or partial substitution of sanding by these other methods was then evaluated. The experiment was divided in four stages: the first three stages aimed to optimize each surfacing method in terms of wood surface quality, while the fourth stage was intended to compare these methods in terms of their aptitude for coating. The surface quality was evaluated based on roughness characteristics, wetting properties and cell damage. The best conditions found in the first three stages are described as follows: oblique cutting at 0.25-mm cutting depth, 25º rake angle, and 30º and 50º oblique angles; cross-grain helical planing at 0.50-mm cutting depth and feed speeds set to 14 and 17 knife marks per 25.4 mm of planed length; and sanding with aluminum oxide at 14 m/min of feed speed, and final grit sizes of 100 and 150. These conditions were tested in the fourth stage of the experiment, in which surfaces were coated with a polyurethane varnish. The quality of the coating films was then assessed by pull-off adhesion tests and by an accelerated aging treatment. Sanding and cross-grain helical planing produced surfaces with no visible defects and yielded the best pull-off adhesion before aging. However, these surfaces underwent a loss of adhesion during aging. On the other hand, the accelerated aging did not affect the adhesion in the oblique-knife pressure-bar cut surfaces. As a result, the pull-off adhesion measured after aging was similar for the three surfacing methods. However, the accelerated aging caused more coating deterioration in cross-grain helical-planed than in sanded samples. Results allow to conclude that oblique cutting and helical planing could reduce the need for sanding.

La tendance croissante des consommateurs à rechercher des sources alternatives d’aliments sains et naturels a incité l’industrie à rechercher des sources uniques, notamment à base de plantes. Le sirop d'érable, obtenu à partir de la sève d’érable à sucre et d’érable rouge, est largement consommé comme aliment ingrédient. De plus, les Premières nations utilisaient les écorces de ces espèces comme médicaments traditionnels et les consommaient sous forme d’infusion ou de thé. Avec l'industrialisation et l'utilisation intensive de produits forestiers, de grandes quantités de résidus d'écorce provenant de l’industrie sont devenues disponibles. Environ 17 millions de m3 d'écorce sont produits chaque année au Canada, dont une fraction seulement sert à la production d’énergie par combustion et le reste est mis en décharge comme déchet. D'autre part, les industries acéricoles subissent un sérieux fardeau économique en raison de l'accumulation annuelle d'un sirop de qualité inférieure en tant qu'excédent. Ce dernier représente environ 21 à 38% de la production totale de sirop par an. Dans ce contexte, ce projet doctoral s'est focalisé sur la valorisation de l'écorce de l’érable et du sirop excédentaire afin de développer un produit innovant à base d'érable en tant qu'ingrédient naturel. Premièrement, une étude des propriétés des extraits à l’eau chaude issus des écorces de l’érable à sucre et de l’érable rouge a été effectuée et a révélé que ceux-ci étaient riches en polyphénols antioxydants, ainsi qu’en nutriments organiques et inorganiques (oligo/polysaccharides, protéines et minéraux). En outre, l’étude sur l’effet des extraits bruts d’écorce de l’érable sur la viabilité des cellules de type neutrophiles a révélé leur noncytotoxicité jusqu’à la concentration de 100μg/ml, suggérant ainsi leur utilisation potentielle comme agents alimentaires naturels. Deuxièmement, le sirop de qualité inférieure a été transformé en poudres d’érable à sucre (MSP) au moyen de la technique de lyophilisation (FD). Une approche systématique a été développée pour mettre en place le protocole FD afin de déshydrater avec succès le sirop d’érable de qualité inférieure. Le temps total par protocole FD a été réduit de manière significative de 25 à 38% (de 40 à 25 ou 30heures) après l’optimisation du protocole. Le MSP ainsi produit avait une propriété instantanée, ce qui lui conférait un potentiel énorme pouvant être utilisé comme boissons pour sportifs, dans un mélange de céréales instantanés, etc. Enfin, la dernière partie de ce projet était consacrée au développement de poudres d’érable à sucre enrichies en polyphénols par ajout des extraits d'écorce dans le sirop de qualité inférieure avant le séchage. Cela a permis de valoriser à la fois l'extrait à l'eau chaude et le sirop d'écorce d’érable. Les poudres de l’érable à sucre enrichies en polyphénols ont été produites par FD (en utilisant le protocole FD développé et optimisé précédemment sur le sirop seul) et par séchage sous vide à l’aide du séchoir à double tambour (VDD). L'ajout d'extraits d'écorce de l’érable à seulement 0,01% w/v a permis d’enrichir le sirop en polyphénols de 13 et 20%, respectivement, pour les extraits d’écorce d’érable à sucre (SBX) et d’érable rouge (RBX). Les deux procédés de séchage ont provoqué la diminution significative des polyphénols totaux dans le produit final. Néanmoins, les composés phénoliques totaux étaient encore plus élevés (jusqu’à 10%) dans la poudre d’érable à sucre contenant des extraits d’écorce (en particulier avec le RBX) par rapport au témoin. La poudre d’érable à sucre produite par FD et par VDD présentait des propriétés physico-chimiques différentes (humidité, couleur, dissolution, coulabilité, microstructure, morphologie et taille des particules). Quatre produits d’érable tels que les extraits d'écorce de l’érable en tant qu'aliments fonctionnels, les poudres instantanées et lyophilisées d’érable à sucre, et les poudres d’érable à sucre enrichies en polyphénols ont été conçus et produits dans le cadre du projet de recherche de cette thèse. Les résultats de ce projet pourraient s’avérer utiles aux industries acéricoles pour réduire les problèmes d’accumulation de résidus d’écorce et de surplus de sirop d’érable de faible qualité. Cette approche permettra également aux industries de s’aligner sur le concept d’économie circulaire à l’avenir. / Rising consumers’ inclinations toward alternative sources of foods that are healthy and natural have catalyzed the industry on finding unique sources, notably plant-based ones. Maple syrup, obtained from the sap of sugar and red maple trees, is widely consumed as food. In addition, barks of these species were used as traditional medicines by the First Nations and consumed in tea infusions. With the industrialization and extensive use of forest products such as pulp and papers, lumbers, etc., high volumes of bark residues from forest-based industries have become available. About 17 million m3 of bark are produced annually in Canada, of which, only a fraction is used for direct energy production by combustion and the rest is landfilled as waste. On the other hand, maple industries are experiencing economical burden due to the year-over-year accumulation of low quality syrup as surplus, representing about 21-38% of total syrup production annually. In this context, this project has focused on valorizing the maple bark and surplus syrup to develop innovative maple product as natural food ingredients. At first, an investigation on the properties of hot water extract of sugar and red maple barks has revealed that these are rich in antioxidant polyphenols, along with organic and inorganic nutrients (oligo/polysaccharides, proteins and minerals). Furthermore, the study on the effect of crude maple bark extracts on the viability of neutrophil-like cells has revealed their non-cytotoxicity up to the concentration of 100μg/ml, therefore suggesting their use as safe natural food agents. Secondly, a transformation of low quality syrup into maple sugar powders (MSP) was achieved by freeze-drying (FD). A systematic approach was adopted to formulate the FD protocol in order to successfully dehydrate a low quality maple syrup. The total FD time was significantly reduced by 25-38% (from 40h to 25 or 30h) after optimizing the protocol. The formulated FD protocol consisted of primary drying (T=-36 °C, t=15h), and secondary drying (T=30 °C, t=10h) conditions. Thus produced MSP had instant-like property (dissolution time<15s), signifying the huge potential for use in sport-drinks, instant cereal mix, etc. The last part of this project was dedicated to the development of polyphenolsenriched maple sugar powders by adding bark extracts into low quality syrup prior to drying. This allowed for the combined valorization of maple bark hot-water extract and syrup. Polyphenols-enriched maple sugar powders were produced by FD (using the optimized FD protocol developed previously on syrup alone) and vacuum double-drum drying (VDD). Addition of maple bark extracts at only 0.01% w/v has allowed for the syrup enrichment in polyphenols by 13 and 20%, for sugar (SBX) and red maple bark (RBX) extracts, respectively. Both drying processes have caused the significant decrease in total phenolics in the final product. Nevertheless, the total phenolics were still higher (up to 10%) in maple sugar powders with bark extracts (particularly with RBX) than control. FD and VDD produced maple sugar powder with different physicochemical properties (moisture, color, dissolution, flowability, microstructure, morphology, and particle size). MSP produced by FD was amorphous, therefore demonstrated good dissolution property (dissolution time, <15s), whereas it exhibited poor to very poor flowability. Conversely, MSP produced by VDD was crystalline with free-flowing flow characteristics and satisfactory dissolution (dissolution time, within 30s). Four maple products such as maple bark extracts as functional food agents, freezedried instant-like maple sugar powders, and polyphenols-enriched maple sugar powders have been designed and produced through the research project of this thesis. The results of this project may prove to be useful for the maple industries to mitigate the problems of the bark residues accumulation and of the low quality maple syrup surplus. This approach will also permit the industries to align with the concept of ‘circular economy’ in the future.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Les résidus provenant de l’activité de l’industrie forestière canadienne sont estimés chaque année à plus de 20 millions de tonnes de matière sèche. Des extraits réalisés à partir des écorces de troncs retrouvés dans ces résidus et présentant d’intéressantes propriétés biologiques ont été présentés comme une opportunité de valorisation des produits forestiers vers des domaines de plus fortes valeurs ajoutées. Pourtant, les branches des arbres éliminées durant des éclaircies de peuplements forestiers ou pendant les campagnes d’élagage portent également d’autres tissus végétaux dont la composition chimique et les propriétés biologiques peuvent s’avérer distinctes de celles des écorces. Notre hypothèse de recherche est que les érables, espèces d’importance économique majeure et très répandues des forêts canadiennes, dont les bourgeons se retrouvent dans les résidus forestiers, peuvent également servir à la production d’ingrédients actifs pour les secteurs de l’agroalimentaire, des produits cosmétiques et même de la santé (médicaments, phyto-médicaments, nutraceutiques). En effet, du fait de leur caractère indifférencié, ces bourgeons pourraient contenir des métabolites différents de ceux des autres tissus. Notre projet de recherche a donc eu pour principal objectif, l’exploration des domaines potentiels de valorisation de produits naturels issus de bourgeons de l’érable à sucre et de l’érable rouge. Du fait de la quasi inexistence de données dans la littérature, notre étude a consisté essentiellement à acquérir des connaissances sur la composition chimique de cette matière végétale et à évaluer les effets biologiques in vitro d’extraits et / ou de molécules issues de bourgeons d’érable. Pour cela, différentes méthodes d’extractions et différents solvants peu toxiques et respectueux de l’environnement ont été envisagés. Des explorations chimiques par Chromatographie sur Couche Mince (CCM), des dosages colorimétriques et des déterminations d’activité antioxydante ont ensuite été utilisés pour caractériser et évaluer l’extrait le plus prometteur. La détermination de la nature chimique des constituants majeurs de ce dernier ainsi que des essais biologiques ont été conduits afin de mesurer son potentiel de valorisation dans divers domaines. Les rendements en extraits secs, la nature et quantité en certains types de composés ainsi que les résultats de tests chimiques d’activité antioxydante ont montré que l’extrait à l’eau chaude de bourgeons d’érable rouge présentait un réel potentiel de valorisation comme antioxydant naturel. L’identification des composés phénoliques contenus dans cet extrait et leur quantification ont permis de révéler une forte présence de gallo-tannins, mais également d’hétérosides de quercétine et de cyanidine qui ont été décrits pour la première fois dans cette espèce. L’exploration des effets de cet extrait sur les neutrophiles humains comme première approche n’a indiqué aucune toxicité ni modification significative de leur viabilité jusqu'à 100 μg/mL. Cependant pour des plus fortes concentrations, l’extrait a montré une capacité à accélérer la mort programmée de ces cellules majeures de l’inflammation et cette activité serait due à certains gallotanins. Cette propriété biologique mis en évidence pour la première fois ouvre le champ à de nombreuses voies de valorisation notamment dans la résolution du processus inflammatoire où la survie des neutrophiles est incontestablement liée au développement de pathologies chroniques / The residues from the activities of Canadian forest industry are estimated to be more than 20 million tons of dry matter per year. The extractives of trunk barks from these residues have been studied as a way to valorize these non- wood forest products in areas with higher added values based on their interesting biological properties for human health. However, branches of the trees removed during thinning or pruning also carry other plant tissues with chemical composition and biological properties distinct from barks. Our research hypothesis was that maples, the widespread trees with major economic value from Canadian forests, represent a source of important quantities of forest residues containing buds which could be used to produce active ingredients for food industry and healthcare (drugs, phytomedications, and nutraceuticals). Indeed, buds contain important amount of meristems, undifferentiated embryonic tissues that may be rich in some bioactive compounds that are often found only in small quantities in other plant parts. Thus, the main objective of our research project was to explore the potential areas of valorization of natural products derived from sugar and red maple buds No data dealing with the chemical composition of this plant material nor biological effects of extracts and / or molecules derived from maple buds were found in scientific literature. The extracts of maple buds (therefore obtained with not toxic and environment- respectful solvents), were analysed by qualitative approach by Thin Layer Chromatography (TLC) assays for screening of phytochemicals. The quantitative assays and antioxidant activity assessment were used to characterize and evaluate the best promising extract. The major phytochemicals of the latter were identified, along with the biological tests undertaken in order to measure its potential of valorization in several fields The yields of dry matter, the nature and quantity of some potential bioactive compounds and the results on antioxidant activities evaluation showed that the hot water extract of red maple buds has a real potential for development as natural antioxidant. The identification of the major phenolic compounds contained in this extract and their quantification revealed an important concentration of gallo-tannins, along with quercetin and cyanidin glycosides, determined in this study for the first time in this species. Exploration of the effects of water extract from red maple buds on human neutrophils as a first approach indicated no toxicity nor significant modification of their viability up to 100 μg / mL. However, for higher concentrations, the extract showed an ability to accelerate the programmed death of these major cells of inflammation. Further studies revealed that this activity was due to particular gallotannins. This biological property highlighted for the first time opens the field to several ways of valorization especially for the resolution of inflammatory processes in which neutrophil survival is undoubtedly linked to the development of chronic pathologies.

Les forêts du sud-ouest de la province de Québec, Canada, sont riches en essences feuillues dites nobles telles que le bouleau jaune (Betula alleghaniensis) et l’érable à sucre (Acer saccharum). Leur exploitation antérieure a généralement été basée sur une coupe à diamètre limite visant la récupération des billes de grande valeur. Une telle pratique, avec le temps, a amené une diminution générale de la vigueur des arbres sur pied en forêt. La réglementation actuelle oblige les exploitants forestiers à récolter préférentiellement les arbres de faible vigueur de manière à rétablir la qualité des forêts. Ces arbres de faible vigueur, souvent de faible qualité, possèdent généralement une faible valeur économique. La pertinence de l’ajout d’une étape d’extraction chimique à l’éthanol des tissus de bois et de l’écorce dans les procédés de transformation de la matière déjà existants a été étudiée dans ce mémoire. Plus spécifiquement, les travaux visaient à évaluer le potentiel d’une telle stratégie appliquée à la transformation des arbres de faible vigueur. Du bois et de l’écorce provenant d’arbres vigoureux (références) et non-vigoureux mourants (infectés par des champignons ou séchant du houppier) ont été extraits à l’éthanol à l’aide de deux méthodes différentes : par macération et par extraction assistée aux ultrasons. D’une part, les extraits ont été étudiés pour leur contenu en polyphénols (phénols totaux, taux de proanthocyanidines, de flavonoïdes et d’acides hydroxycinnamiques) et en triterpènes et phytostérols. D’autre part, les tissus ont été étudiés avant et après extraction pour leur pouvoir calorifique supérieur, leur composition chimique organique, leur contenu en cendres, ainsi que la composition chimique des cendres. Bien qu’une variation soit observée entre les différents arbres, les extractions n’affectent pas les capacités de combustion des tissus. Elles peuvent en outre constituer un apport notable de polyphénols, de triterpènes et de stérols possédant un potentiel économique dans les domaines nutraceutique, pharmaceutique ou cosméceutique, et ce, peu importe la vigueur des arbres à la source des tissus ou la méthode d’extraction utilisée. L’extraction du bois et de l’écorce de bouleaux jaunes et d’érables à sucre de faible vigueur peut donc être envisagée dans une stratégie de transformation à valeur ajoutée de la ressource. / Forests of South-West Québec, Canada, are rich in yellow birch (Betula alleghaniensis) and sugar maple (Acer saccharum). Past forest practices were aiming to harvest the superior quality and higher value logs via selective cuttings, which resulted in a decrease of the general vigor of the trees left standing in the forests. Current regulations require the foresters to harvest preferentially low vigor trees in order to restore the quality of the forests. These low vigor trees, which are often less suitable for value-added products such as flooring or furniture, are also generally of a low economic value. The addition of an ethanolic extraction of the wood and bark tissues to a currently applied processing approach was studied in order to assess its feasibility with trees of different vigor. Wood and bark tissues were collected from vigorous (references) and non-vigorous dying trees (fungus infected or with very poor foliage) and were extracted with ethanol using two different methods: maceration assisted and an ultrasound assisted extraction. The extracts were characterized for their total phenols, proanthocyanidins, flavonoids, hydroxycinnamic acids, triterpenes and phytosterols content. Tissues were characterized before and after extraction for their calorific value, organic composition, ash content and ash mineral composition. While much variation was observed between trees, the ethanolic extractions did not affect the combustion properties of the tissues, while bringing a significant contribution in polyphenols, triterpenes and phytosterols - all molecules having potential applications in nutraceutics, pharmaceutics or cosmeceutics - no matter the vigor of the tree at the source of the tissues or the extraction method employed. The ethanolic extraction of wood and bark coming from low vigor yellow birch and sugar maple can be considered as a mean to add value to the resource.

La coloration du bois pendant le séchage diminue la qualité et la valeur du produit fini, augmente les coûts de production et diminue le rendement matière. C’est un processus complexe qui est difficile à prédire. Le développement d'un modèle de changement de couleur du bois en cours de séchage peut donc favoriser l’économie de temps et de matière première. Deux séries de six essais ont été effectuées dans cette étude sur l’aubier du bouleau à papier et de l'érable à sucre afin de mesurer le changement de couleur du bois pendant un séchage conventionnel à trois niveaux différents de température sèche (40, 60 et 80°C) et deux niveaux de dépression au thermomètre humide (4 et 15°C). Les données de ces essais ont conduit au développement de modèles statistiques du changement de l’indice de clarté L* pour chaque espèce, séparément pour la surface et l’intérieur du bois, en utilisant des modèles de régression mixte avec la planche considérée comme effet aléatoire. Deux types de modèles ont été développés, soit en considérant les trois températures sèches (40, 60 et 80°C) d’une part, et les deux températures les plus élevées seulement (60 et 80°C) d’autre part. Finalement, les modèles statistiques furent combinés à un modèle existant de transfert de masse et de chaleur (DRYTEK) afin de simuler les changements de couleur pour tout autre programme spécifique de séchage à moyenne température. Les paramètres du modèle numérique de transfert de masse et de chaleur ont été mesurés préalablement pour les deux espèces. Les modèles statistiques et les modèles intégrés de changement de couleur furent enfin validés en réalisant pour chaque espèce un essai indépendant de séchage à une température sèche de 70°C et à une dépression au thermomètre humide de 10°C. Les résultats des essais de mesure de couleur aux températures de 60 et 80°C montrent que les valeurs de L* des deux espèces à l’intérieur de la planche diminuent rapidement avec une diminution de la teneur en humidité (M) jusqu’au point de saturation des fibres. Par la suite, les valeurs de L* diminuent lentement jusqu'à 15 - 25% M où celles-ci peuvent même commencer à augmenter. Le changement de couleur du bois à 40°C est très faible ou inexistant. Les valeurs de L* à la surface de la planche diminuent également de façon substantielle avec la diminution de la teneur en humidité, exception faite à 40°C. Pour l’ensemble de l’épaisseur du bois, plus élevée est la température de séchage, plus grande est la diminution des valeurs de L*. Réciproquement, plus forte est la dépression au thermomètre humide, plus faible est le changement de couleur à une température sèche donnée. Les composantes a* et b* montrent un comportement similaire à L* par rapport aux variations de la température de séchage et de la dépression au thermomètre humide. Par contre, les valeurs de a* et b* augmentent avec la teneur en humidité au lieu de diminuer. La comparaison des valeurs de L* obtenues des modèles statistiques de prévision avec les valeurs de L* mesurées expérimentalement à partir des essais de validation montre une très forte similarité des deux types de résultats dans le cas de l'érable de sucre. Pour le bouleau à papier, un écart important est observé entre les valeurs prédites et mesurées au-dessus du point de saturation des fibres. La relation teneur en humidité-potentiel hydrique mesurée expérimentalement montre que le potentiel hydrique augmente avec la température à une teneur en humidité donnée. Pour les deux espèces, un plateau caractéristique est observé dans la gamme de potentiels hydriques entre -2000 et -6000 J kg-1. Tel que prévu, la conductivité hydrique effective augmente avec le contenu d'humidité et la température, et elle est plus élevée en direction radiale qu’en direction tangentielle. Le coefficient de transfert convectif de masse augmente avec la température de séchage à une dépression au thermomètre humide donnée, alors qu’il diminue avec la dépression au thermomètre humide à une température de séchage donnée. Finalement, la comparaison des mesures de changement de couleur au cours des essais de validation avec les valeurs simulées à partir des modèles statistiques combinés au modèle de transfert de masse et de chaleur montre une évolution des valeurs de L* très similaire dans le cas de l’érable à sucre. À l’instar des modèles statistiques, un écart important existe entre les deux types de résultats pour le bouleau à papier dans la première partie du séchage. / Wood discoloration during drying is diminishing quality and value of end product, increasing production costs and decreasing yield. Wood discoloration during drying is a complex process which is difficult to predict. The development of a wood color model can save material and time by simulating color changes for any specific drying conditions. A set of six experiments were performed in this study on paper birch and sugar maple sapwood to measure wood color changes during conventional drying at three different levels of dry-bulb temperature (40, 60 and 80˚C) and two levels of wet-bulb depression (4 and 15˚C). Statistical wood color models for lightness L* were proposed for each species, both for the wood surface and through the board thickness, to predict the wood color changes during conventional drying using mixed regression models with the board sample taken as the random effect. Three temperature (3T) (40, 60 and 80˚C) and two temperature (2T) (60 and 80˚C) models were developed. Finally, the statistical wood color models were integrated into an existing heat and mass transfer numerical model (DRYTEK) in order to simulate, for any conventional dynamic wood drying schedule, wood color changes on the surface and through the board thickness. The numerical model parameters (moisture content-water potential relationship, effective water conductivity, convective mass transfer coefficient) were experimentally determined for paper birch and sugar maple at the three drying temperatures. Both types of wood color predictive models were then validated by means of an independent drying run conducted at the dry-bulb temperature of 70°C and the wet-bulb depression of 10oC. The results of the wood color measurement tests show that at the dry-bulb temperatures of 60 and 80˚C, the L* values of both species below the surface decrease rapidly with a decrease of the moisture content (M) from the green state to the fiber saturation point. Then, the L* values decrease slowly until about 15 - 25% M where they may even start to increase. Wood color changes at 40˚C were found very small, either positive or negative. The L* values at the surface also decrease as the moisture content decreases and, except for the temperature of 40oC, the changes in color increase with the drying temperature. In general, the higher is the dry-bulb temperature, the greater is the decrease of the L* values through the board thickness. Conversely, the higher is the wet-bulb depression at a given dry-bulb temperature, the smaller are the color changes. The color components a* and b* follow a similar behavior as L* with respect to drying temperature and wet bulb depression. However, contrarily to the L* values, the a* and b* values increase with a decrease of M. The comparison of the predicted L* values obtained from the statistical models with the experimental L* values obtained from the validation tests shows a very good agreement between both types of results in the case of sugar maple. For paper birch, a fairly large discrepancy is observed during the first part of drying between predicted and experimental results but a better agreement is found at the end of drying. The results of the moisture content-water potential relationship determination show that the water potential increases with temperature at a given moisture content. A characteristic plateau was found in the water potential range of -2,000 and -6,000 J kg-1. As expected, the effective water conductivity increases with moisture content and temperature and it is higher in the radial direction than in the tangential direction. The convective mass transfer coefficient increases with dry-bulb temperature at a given wet-bulb depression, whereas it decreases with an increase of web-bulb depression at a given dry-bulb temperature. Finally, the comparison of the wood color measurements during the validation tests on paper birch and sugar maple with the wood color values simulated with the integrated statistical/numerical models shows a very good agreement between both types of results in the case of sugar maple. As it was observed for the statistical models, the fit was poorer in the case of paper birch, especially above the fiber saturation point where the initial moisture content seems to be an important factor in the color changes behavior of wood during drying.

Thèse en cotutelle, doctorat en génie du bois et des matériaux biosourcés : Université Laval, Québec, Canada Philosophiæ doctor (Ph. D.) et E Cen Lille Villeneuve d'Ascq, France / Le bois est un matériau composite naturel utilisé, entre autres, dans la finition d'intérieur comme couvre-plancher. Il est apprécié pour son aspect, sa disponibilité et son faible impact environnemental. Cependant, son usage est limité au Canada dans les bâtiments non résidentiels, notamment à cause des risques de propagation des flammes. L'ignifugation du bois regroupe tous les traitements qui lui sont appliqués pour le rendre moins combustible. Les approches traditionnelles d'ignifugation du bois, l'imprégnation et les revêtements, sont consommatrices de matière d'origine fossile et nécessitent parfois l'utilisation de procédés complexes. Afin de réduire l'impact environnemental des traitements, des approches par traitement de surface ont été proposées pour les textiles et ont démontré des résultats très prometteurs. Ces traitements visent à concentrer l'action d'ignifugation à la surface exposée au feu afin de limiter la consommation de matière ainsi que l'impact du traitement sur le matériau et sur l'environnement. Dans le cadre de ce projet, deux traitements de surface ont été étudiés. Tout d'abord, une nouvelle méthode de dépôt de complexes polyélectrolytes a été développée en utilisant l'imprégnation en surface à pression réduite. Les complexes polyélectrolytes ont été lyophilisés dans un premier temps afin d'étudier leurs propriétés. Cette approche nous a permis de mettre en avant l'impact du ratio entre deux polyélectrolytes sur la stabilité thermique du complexe, qui a impacté la performance au feu du bouleau jaune traité (Betula alleghaniensis, Britt). Un faible gain de masse a été identifié comme un facteur limitant la performance au feu et plusieurs approches ont été étudiées pour augmenter celui-ci. La surface du bois a ainsi été activée par délignification et l'ajout d'agents de mouillage dans la solution a augmenté sa mouillabilité. D'autre part, des nanoparticules ont été ajoutées à la formulation, mais les performances n'ont pas été améliorées, les nanoparticules modifiant le mode d'action des complexes polyélectrolytes. En ce qui concerne la seconde approche, le traitement de surface par dépôt plasma jet atmosphérique a été étudié. Plusieurs précurseurs ont été déposés sur de l'érable à sucre (Acer saccharum, Marsh.) et sur de l'érable à sucre préalablement traité avec un primaire d'adhésion photopolymérisé. Cette comparaison a mis en avant l'importance de la préparation de la surface de dépôt sur la performance au feu obtenue. Lorsque les échantillons sont préparés avec un primaire d'adhésion photopolymérisé, un dépôt homogène est obtenu par plasma et ce dernier présente un effet de synergie en ce qui concerne le comportement au feu. / Wood is a natural composite material used in interior finishing as flooring. It is appreciated for its appearance, availability, and low environmental impact. However, its use is limited in non-residential construction because of the risk of fire propagation. Fireproofing of wood considers all treatments applied to wood to make it less combustible. Traditional approaches to fireproof wood, such as impregnation, are fossil fuel, energy, and time consuming. Surface treatment approaches have been proposed for textiles and have shown very promising results limiting the amount of used chemicals and thus its impact on the environment. Indeed, surface treatments aim at concentrating the fireproofing action on the surface exposed to the fire. In this project, two surface treatments were studied. First, a new method for the deposition of polyelectrolyte complexes was developed using surface impregnation at reduced pressure. The performance of a polyelectrolyte deposit was studied on the freeze-dried polyelectrolyte complexes. This approach allowed us to highlight the effect of the ratio between two polyelectrolytes on the fire performance of yellow birch (Betula alleghaniensis, Britt). Mass gain was identified as a limiting factor to improve the fire performance and several approaches were studied to increase it either by activating the wood surface by delignification or by increasing the wettability of the solution by adding wetting agents. Nanoparticles have also been added to the formulation, but no improvement of the fire performance was noticed. As a second approach, surface treatment by atmospheric jet plasma deposition has been studied. Several precursors were deposited on sugar maple (Acer saccharum, Marsh.) virgin or pretreated with a photopolymerized primer. This comparison highlighted the importance of the preparation method of the substrate in fire performance. Better performance was obtained on samples pretreated with a light-cured primer since in that case a homogenous deposit was obtained and could act as a fire protective barrier.