Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et post-doctorales, 2017-2018 / Depuis des décennies, la canneberge est reconnue comme un aliment fonctionnel grâce à ses bienfaits sur la santé humaine. Cependant, ce petit fruit, très riche en acides organiques, peut engendrer à long terme des troubles gastro-intestinaux chez certains consommateurs. L’objectif principal de ce travail de thèse de doctorat était de démontrer qu’à partir d’un traitement du jus de canneberge par électrodialyse selon une certaine configuration, il était possible de diminuer la concentration en acides organiques dans le jus tout en permettant une réduction potentielle de l’inflammation intestinale et de conserver les composés bénéfiques (anthocyanes et proanthocyanidines) sur la santé humaine. Au cours de ces travaux, les premiers résultats ont démontré que la nature des membranes et un agencement judicieux de celles-ci permettaient de diminuer significativement la concentration en acides organiques dans le jus de canneberge tout en conservant les anthocyanes et les proanthocyanidines présentes dans le jus. En parallèle, cette étude a mise en évidence pour la première fois une sélectivité de migration des acides organiques lors de l’électrodialyse avec membrane bipolaire. Ainsi, l’étude de l’impact de la nature et de l’agencement des membranes sur la désacidification du jus de canneberge a montré que, parmi les configurations testées, seule la configuration possédant deux membranes bipolaires et une membrane anionique résultait en un taux de désacidification du jus de canneberge optimal en termes de paramètres électrodialytiques et physico-chimiques. Par la suite, l’étude in vitro sur l’impact du taux de désacidification du jus de canneberge sur la barrière intestinale a démontré qu’une diminution suffisante des acides organiques dans le jus de canneberge permettait de protéger la barrière intestinale. L’acide quinique n’a montré aucun impact sur l’intégrité de la barrière intestinale à la différence des acides citrique et malique. Néanmoins, l’effet des acides citrique et malique seuls sur l’intégrité de la barriére intestinale n’a pas été démontré. Cette étude a mis en évidence pour la première fois l’impact des acides organiques présents dans le jus de canneberge sur l’intégrité de la barrière intestinale. Enfin, l’approche mathématique a permis de mieux comprendre le comportement et le transfert des acides organiques à travers la membrane échangeuse d’anions durant le procédé d’électrodialyse. Ainsi, une compétition entre les fractions anioniques des acides organiques et les H+ produits par la membrane bipolaire a pu être déterminée. Enfin, un brevet a été déposé à la fois sur le procédé et le produit en lui même menant dans un futur proche à l’apparition d’un nouveau breuvage de canneberge sur le marché. / For decades, cranberry has been recognized as a functional food due to its beneficial effects on human health. However, cranberry, which possesses a very high organic acid content, may potentially cause gastrointestinal disorders following a longterm consumption. The main objective of this doctoral thesis was to demonstrate that through an electrodialysis treatment of cranberry juice using a specific configuration, it is possible to decrease the organic acid concentration, while conserving compounds beneficial to human health and potentially decreasing organic acid impact on intestinal inflammation. The results of the first study demonstrated that the membrane’s nature and stacking (ion-exchange, bipolar or ultrafiltration membranes) allowed for a significant decrease of the organic acid concentration while preserving anthocyanins and proanthocyanidins in the juice. In addition, this study highlighted for the first time a migration selectivity of organic acids during the ED treatment. This study showed that only the configuration possessing two bipolar membranes and one anion exchange membrane produced an optimal rate of deacidification in cranberry juice in terms of electrodialytic and physico-chemical parameters. In the second study, it was demonstrated that a deacidification rate of at least 37% was necessary to protect the intestinal barrier in vitro. Quinic acid has no impact on the intestinal barrier’s integrity as opposed to citric and malic acids. However, the effect of citric or malic acids alone on the integrity of the intestinal barrier has not been demonstrated. Notably, this is the first time a study demonstrated the impact of organic acids present in cranberry juice on the integrity of the intestinal barrier. Finally, the mathematical approach led to a better understanding of the behaviour and transport of organic acids through the anion exchange membrane during VI the ED treatment. A competition between the anionic fractions of organic acids and the H+ produced by the bipolar membrane during the ED process was demonstrated. These results showed that electrodialysis with bipolar membrane deacidified cranberry juice while preserving the beneficial compounds such as anthocyanins and proanthocyanidins, and potentially decreasing the impact on intestinal inflammation. Additionally, a better understanding of the migration of organic acids through the anion exchange membrane during the process has been shown. A patent concerning the process and the final product was submitted. We hope this work will lead in a close future to the commercial availability on the market of a new cranberry juice beverage.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'électrodialyse peut être utilisée pour traiter des effluents salins contenant de la matière organique. La compréhension des mécanismes de transfert (eau, ions, espèces organiques) à travers les membranes échangeuses d'ions et particulièrement l'influence de la composition ionique est un point clé vis-à-vis des performances du procédé. L'objectif de cette thèse est l'étude du transfert et la relation avec les performances de dessalement. Les nombres d'hydratation des ions sont tout d'abord calculés à partir des mesures du transfert des ions et de l'eau. Ils sont indépendants du courant et de la composition saline. La comparaison avec des valeurs de la littérature montre que les membranes ont peu d'effet sur l'hydratation des ions. Le transfert d'espèces organiques est ensuite étudié pour différentes compositions salines. Outre la diffusion, une contribution additionnelle est mise en évidence (convection pour les espèces neutres, migration pour les espèces chargées). Pour les espèces neutres, diffusion et convection sont du même ordre de grandeur et fixées par l'effet stérique. Des tendances inverses sont obtenues concernant l'hydratation des ions, la diffusion étant limitée par les modifications des membranes, la convection étant limitée par l'hydratation des espèces organiques en solution. Pour les espèces chargées, la migration domine la diffusion, les deux contributions étant influencées par la présence de sel. Les performances de dessalement sont enfin discutées sur la base d'un modèle phénoménologique à 4 paramètres liés au transfert de l'eau, des ions et des espèces organiques. La robustesse du modèle est validée pour différentes conditions. Ce travail montre que l'électrodialyse est une technologie très prometteuse pour le dessalement d'effluents contenant de la matière organique. / Electrodialysis can be used to treat saline water containing organic solute, separating organic solutes from salt. The understanding of salt, water and organic solute transfer through ion- exchange membranes and especially the influence of salt composition is a key factor regarding the process performances. The aim of the Thesis is to investigate the mass transfer and the relationship with the desalination performance. Firstly, hydration numbers of individual ion transferring through the membranes are computed based on experimental measurements of ion- water flux. They are independent from the salt compositions and current. Comparison with literatures values shows that the membranes have a weak influence on the ion hydration. Secondly, the transfer of different organic solutes is investigated with different salt compositions. Two contributions are pointed out, diffusion and additional one (convection for neutral solute, migration for charged one). For neutral solutes, diffusion and convection are comparable and both fixed by steric effect. Ion hydration leads to reversed trend for diffusion due to membrane swelling and convection due to solute dehydration. For charged solute, migration is more important than diffusion, both being influenced by the presence of salt. Then, desalination performance is discussed based on a phenomenological model, consisting of 4 parameters, related to ion, water and organic solute transfer respectively. The robustness of the model is demonstrated for different conditions. This work shows that electrodialysis can be a very promising process for the desalination of saline water containing organic solutes.

Les co-produits agricoles, son et paille de blé, sont riches en arabinoxylanes (AX) qui après hydrolyse peuvent fournir des molécules pour des usages variés: xylo-oligosides (prébiotiques), xylose (xylitol), acide férulique (vanilline, antioxydant). L’étude a visé à mettre en place un procédé intégré et éco-compatible, depuis l'hydrolyse enzymatique des AX du son de blé jusqu'à la purification de l'acide férulique. Des cocktails hémicellulasiques produits par culture de la bactérie Thermobacillus xylanilyticus sur paille ou son de blé et mis en œuvre dans des conditions variées ont permis de libérer des glucides (mono- et oligomères) et de l’acide férulique. Afin d’augmenter la monomérisation, deux nouvelles β-xylosidases ont été produites à partir de T. xylanilyticus et caractérisées. Elles ont été testées pour complémenter des cocktails hémicellulasiques complexes issus de T. xylanilyticus et étudiées en mélange avec une xylanase et une arabinosidase pures. Le choix d’une résine anionique faible sous forme base libre pour séparer les fractions glucidique et phénolique et purifier l’acide férulique s’est également inscrit dans une démarche d’éco-conception : la résine Amberlyst A21 a montré une bonne affinité pour l’acide férulique et sa régénération a libéré une fraction très concentrée. La déminéralisation préalable de l’hydrolysat par électrodialyse a permis d’accroître la capacité de la résine pour l’acide et la pureté de la fraction récupérée, potentiellement cristallisable. / Agriculture by-products (wheat bran and straw) are rich in arabinoxylans (AX). These polymers composed of a main chain of β-(1,4) linked xylose ramified by arabinose and ferulic acid, are sources of molecules for various applications: xylooligosaccharides as prebiotics, xylose to synthesize xylitol, a non-cariogenic sweetener, or ferulic acid as a precursor of vanillin or an antioxidant molecule for packaging applications. The aim of this work was to set up an eco-friendly process ranging from wheat bran AX hydrolysis to ferulic acid purification.Hemicellulasic cocktails obtained by growing Thermobacillus xylanilyticus on wheat straw or wheat bran were implemented in various conditions. They released a carbohydrate fraction (mono- and oligosaccharides) and ferulic acid. In order to increase the monomerization, two new β-xylosidases were grown from T. xylanilyticus and characterized. They were tested to supplement the complex hemicellulasic cocktails from T. xylanilyticus and studied in mixture with a pure xylanase and a pure arabinosidase.The choice of a weak anionic resin under free base form to separate the glucidic and the phenolic fractions and to purify ferulic acid was also driven by environnement purposes: Amberlyst A21 resin showed a good affinity for ferulic acid and regeneration allowed a concentrated fraction of ferulate to be obtained. Prior demineralization by electrodialysis increased the capacity of the resin for ferulic acid and the purity of the recovered fraction, potentially allowing crystallization.

Le présent travail porte sur l’étude comparative des procédés d’électrodialyse et d’électrodéionisation. Les possibilités d’application des procédés électro-membranaires à la production d’acide lactique par voie fermentaire sont investiguées. Deux axes de recherche sont choisis : le premier consiste à extraire de manière continue le lactate de sodium hors du milieu de fermentation. Pour cela, un empilement d’électrodialyse ne comportant que des membranes anioniques est couplé au fermenteur : environ 95 % des ions lactate sont extraits lors de l’opération. Par comparaison avec une fermentation témoin en mode batch, aucune inhibition de la fermentation n’est observée, et la productivité est multipliée par 13. Le deuxième axe de recherche consiste à convertir le lactate de sodium en acide lactique : un taux de purification comparable à celui obtenu en échange d’ions est recherché. Un procédé continu d’électrodéionisation à membranes bipolaires permettant d’atteindre 99,9 % de taux de conversion est élaboré pour le traitement de produit dilué. Est présentée finalement la modélisation mathématique d’un compartiment d’électodéionisation : les points expérimentaux sont fortement similaires aux points recalculés / This work deals with the comparative study of electrodialysis and electrodeionization. The possibilities to integrate the electro-membrane processes in the lactic acid fermentive production lines are investigated. Two main research ways are chosen : the first one lies in the continuous extraction of natrium lactate out of the fermentation middle. For this, an electrodialysis stack of only anionic membranes is coupled with the fermenter : approximately 95 % of lactate are removed during the operation. By comparison with a standard fermentation in batch mode, no inhibition is observed, and the productivity is increased by 13. The second way is to convert the natrium lactate in lactic acid : a high purity rate is seeked. A continuous electrodeioniation process including bipolar membranes, leading to 99,9% conversion rate, is elaborated for the treatment of diluted solutions. Finally is presented the mathematic calculation of an electrodeionization compartment : experimental points and calculated values are very similar

Le but de ce projet était d'étudier l'impact du débit de la solution d'alimentation, de la surface membranaire effective et de la force du champ électrique sur un procédé d'électrodialyse avec membrane d'ultrafiltration pour le fractionnement de peptides issus d'un hydrolysat trypsique de P-lactoglobuline. L'évolution des paramètres électrodialytiques, soit le pH des solutions d'alimentation et de perméation de même que leur conductivité électrique a été suivie. La migration peptidique dans le temps a été quantifiée par spectrophotométrie et qualifiée par RP-HPLC et par spectrométrie de masse. Les résultats ont montré que le débit des solutions n'influençait pas la productivité et que très peu les paramètres électrodialytiques, mais qu'il pouvait moduler la sélectivité du procédé. Il a aussi été montré que l'augmentation de la surface membranaire permet d'augmenter de façon linéaire la productivité du procédé, en ne modifiant pas sa sélectivité. La hausse de la valeur du champ électrique s'est aussi avérée importante pour améliorer la migration peptidique. Le pH et la conductivité des solutions ont aussi été fortement influencés par ces paramètres d'opération. Une bonne combinaison de surface, débit et champ électrique permet d'améliorer la rapidité et la productivité de l’électrodialyse avec membrane d'ultrafiltration pour la séparation sélective de peptides d'hydrolysats protéiques. / The aim of this study was to evaluate the influence of three process parameters (flow rate of the feed solution, effective membrane area, electrical field strength) on electrodialysis with ultrafiltration membrane for the fractionation of peptides from a tryptic P-lactoglobulin hydrolysate. To achieve this, the evolution of electrodialytic parameters such as the pH. of the feed and permeation solutions as well as their electrical conductivity was followed. Peptide migration over time was evaluated by spectrophotometry and the molecular profiles of both solutions were determined by RP-HPLC and mass spectrometry. Results of the first part of the study have shown that the flow rate had no impact on the productivity, a slight influence on the electrodialytic parameters but could modify the selectivity of the process. On the other hand, the increase of the membrane effective area resulted in a linear increase of the peptide concentration in the permeation solution without influencing the selectivity. The raise of the electrical field strength also resulted in an important increase of the productivity of the process. Modification of those parameters also modified the behaviour of pH and conductivity over time. A combination of the optimal flow rate, membrane area and electrical field strength allows to improve the productivity and the speed of electrodialysis with ultrafiltration membrane for the selective fractionation of peptides derived from protein hydrolysates.

Un hydrolysat de co-produits de crabe des neiges a été fractionné par le procédé d'électrodialyse avec membranes d'ultrafiltration afin de séparer spécifiquement des fractions peptidiques bioactives. La configuration électrodialytique utilisée permettait une séparation simultanée des peptides anioniques et cationiques. Différents paramètres liés au procédé d'EDUF ont été étudiés afin d'obtenir les conditions optimales de séparation. Une fraction anticancer cationique a été obtenue lors d'un fractionnement réalisé à pH 6 avec des membranes d'ultrafiltration de 20 kDa sous une force de champ électrique de 5 V/cm. Une fraction antibactérienne anionique a également été isolée après un fractionnement réalisé à pH 9 avec des membranes d'ultrafiltration de 50 kDa sous une force de champ électrique de 14 V/cm. L'efficacité de l'EDUF, qui est très dépendante des paramètres de procédés appliqués, a donc été démontrée pour le fractionnement et la récupération de fractions peptidiques bioactives.

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La synthèse de composés énergétiques fortement azotés, à partir des réactifs et des processusissus de la chimie des hydrazines, a permis une nouvelle approche de composés de type HEDM(High Energy Density Materials) pour la propulsion spatiale. En effet, la formation de diazote(N−−−N) à partir d'une liaison N−−N libère de grandes quantités d'énergie, et davantage depuis uneliaison N−N. L'amination de la diméthylhydrazine dissymétrique (UDMH) a conduit à un sel de2,2-diméthyltriazanium, possédant trois atomes d'azote reliés uniquement par des liaisons sigma.L'anion inorganique de départ a ensuite été échangé avec des anions énergétiques à plus haut tauxd'azote -- 5-aminotétrazolate, 5-nitrotétrazolate, 5,5'-azobistétrazolate, azoture, nitroformiate etdinitroamidure. Pour des raisons de sécurité, l'échange d'ions impliquant l'anion azoture a étéréalisé par électrodialyse et la sensibilité à l'impact ainsi qu'à la friction de ces sels a été évaluéeselon les normes en vigueur. L'analyse des composés les plus riches en azote par calorimétrie decombustion a permis de déterminer leurs enthalpies de formation de manière fiable. Ces dernièresont ensuite été modélisées par des méthodes de chimie quantique et comparées aux procéduresreportées dans la littérature, dont les aspects théoriques ont été discutés. La procédure conduisantaux enthalpies de formation en meilleure adéquation avec les valeurs expérimentales a étéidentifiée ; sa précision excède d'ailleurs celle de résultats récents d'équipes reconnues. Ainsi, lesmoyens mis en place dans le cadre de cette thèse permettront de progresser plus efficacementdans cette nouvelle thématique au laboratoire.

<p align="justify">Des membranes échangeuses anioniques à base de polysulfone, portant des sites échangeurs de type ammonium quaternaire, ont été préparées. Misant sur la possibilité d’établissement d’interactions spécifiques entre les espèces échangées et les sites chargés, nous avons fait varier la longueur des chaînes alkyles sur l’azote de un à trois carbones, dans le but de moduler le transport d’anions caractérisés par des propriétés d’hydratation différentes.</p><p><p><p align="justify">La réaction d’halométhylation a été choisie pour l’introduction préalable sur le squelette polymérique de groupements précurseurs des sites ioniques. Une étude cinétique de la réaction a permis d’établir des conditions compatibles avec un haut taux de substitution et une absence de réticulation. Des réactions d’amination ont été sélectionnées pour la conversion des sites précurseurs en sites ammoniums quaternaires. L’étape d’élaboration du film s’est avérée essentielle pour l’obtention de membranes et peut être réalisée avant et après l’amination. Nous avons mis en évidence que l’encombrement stérique du réactif entrave la diffusion de celui-ci au sein d’un réseau polymérique dense et peut entraîner une déstructuration mécanique des films. Par conséquent, pour l’introduction de sites ammoniums quaternaires à chaînes alkyles de plus d’un carbone, des réactions en solution se sont révélées plus appropriées.</p><p><p align="justify">L’hydratation d’une membrane comportant des sites ammoniums quaternaires à chaînes latérales méthylées a été étudiée par spectroscopie vibrationnelle. Des modifications induites par l’hydratation apparaissent sur les spectres IR et Raman du polymère. L’interprétation de ces changements nous a amenés à conclure que les groupements éther et sulfone, tous deux électronégatifs, interagissent avec les sites ammoniums quaternaires dans la membrane sèche. L’entrée d’eau dans la membrane empêche l’existence de ces interactions en éloignant les chaînes polymériques les unes des autres.</p><p><p align="justify">L’ensemble des membranes préparées dans le cadre de ce travail a été caractérisé du point de vue des propriétés électromembranaires de résistance électrique, de densité de courant limite et de sélectivité nitrate versus chlorure. Nous avons mis en évidence qu’un allongement des chaînes alkyles sur l’azote de un à trois carbones conduit à une sélectivité accrue pour le nitrate, anion caractérisé par une enthalpie libre d’hydratation moins négative que le chlorure. Avec des chaînes alkyles de trois carbones sur l’azote, la membrane laisse passer jusqu’à treize anions nitrate pour un anion chlorure. Ces résultats indiquent que la sélectivité des membranes synthétisées peut effectivement être contrôlée par les interactions spécifiques s’établissant entre l’ion échangé et le site échangeur. Nous avons aussi montré que la résistance des membranes diminue jusqu’à environ 1 <font face="Symbol, serif">W</font> cm2 suite à leur réimmersion dans un bain d’amine. L’influence de cette étape de réimmersion est discutée.</p> / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished