Le travail réalisé au cours de cette thèse est le fruit d’une collaboration étroite entre une équipe de l’Université du MAINE et la société ASHLAND qui est spécialisée dans la synthèse de polymères.Le sujet de cette thèse concerne la synthèse d’un polymère biomimétique de la gélatine afin de l’engager dans un procédé de coacervation complexe permettant l’encapsulation de principes actif ou de colorants.La micro-encapsulation est une méthode permettant d’envelopper de petites particules individuelles ou de gouttelettes dans une couche protectrice de polymères. Largement utilisée en pharmacie, agroalimentaire, cosmétique, les biotechnologies, le phénomène d’encapsulation nécessite la protection des matières et de contrôler la libération de l’actif.Parmi les nombreux procédés d’encapsulation existant, nous nous sommes particulièrement orientés vers une méthodologie de coacervation complexe.Cette dernière est basée sur la complexation entre deux polyélectrolytes de charges opposées. Ainsi, cette technique requiert un polymère anionique et un polymère cationique qui interagissent ensemble (interactions électrostatiques, liaisons hydrogène…) pour former des coacervats.Un des systèmes les plus utilisés de la coacervation complexe est le système gomme d’acacia avec la gélatine en raison de leur abondance et de leur biodégradabilité. Cependant, à cause de son origine animale, l’objectif du travail a consisté à remplacer la gélatine dans le processus d’encapsulation. Pour ce faire, nous avons synthétisé plusieurs polymères spécifiques à partir de différents monomères méthacryliques / méthacrylamides permettant la coacervation et ensuite la réticulation des coacervats formées. Dans un premier temps, nous avons créé une approche permettant de déterminer les conditions optimales de formation des coacervats (le pH d’encapsulation, le ratio de polymère, la force ionique) par potentiel zêta, mesure de la turbidité et par spectroscopie infra-rouge. Par la suite, des essais d’encapsulation avec plusieurs polymères anioniques ont permis de confirmer que la méthodologie établie précédemment était adéquate. Ensuite, un test de réticulation a été réalisé à l’aide d’agents de réticulation afin de rigidifier les parois des coacervats. Enfin, des analyses de force de rupture et de stabilité dans des détergents standards ont été réalisées afin de valider l’application de ces capsules en cosmétique. / The work realized during the last three years CIFRE PhD program consist in a collaborative research between a polymer team of the University of LE MANS and ASHLAND company which the first goal is the synthesis of polymers.The aim of this thesis is the synthesis of biomimetic polymers of the gelatin which were further engaged in the process of encapsulation by complex coacervation.Micro-encapsulation is an effective method of wrapping small individual particles or droplets in polymers protective coating widely used in the fields of food, pharmaceutics, cosmetics, pesticides, biotechnologies. The encapsulation phenomenon target is to protect functional materials and control its release. Among many existing processes, we particularly focused our attention on complex coacervation to produce microcapsules. Complex coacervation is a methodology based on the complexation between two oppositely charged polymers as polyelectrolyte. Thus, this technique requires one anionic and one cationic polymer which are capable to interact together (through electrostatic attractions, hydrogen bond) to form coacervats. One of the most used systems for complex coacervation is the gelatin / acacia gum system. These two natural polymers are widely used as wall material for the capsules due to their abundance and biodegradability. However, gelatin polymer needs to be replaced in the encapsulation process due to its animal origin. In order to substitute gelatin by synthetic polymers in the complex coacervation process, we synthesized several polymers from various monomers authorizing coacervation and further crosslinking. Firstly, we stetted up an approach allowing the evaluation of the optimal conditions of coacervation (pH, ratio, ionic strength) by zetâ potential, and infra-red analysis.Furthermore, encapsulation tests with several anionic polymers were performed which tended to confirm that the methodology was appropriate. Moreover, a test of crosslinking was successfully realized using crosslinkers in order to rigidify coacervats walls. Finally, break strength analysis and the stability in surfactants were conducted to validate the process for cosmetic applications.

Le bénéfice de l’encapsulation des molécules bioactives a séduit les industries agroalimentaires depuis plusieurs décennies. Plus récemment des études ont montré la capacité de protéines alimentaires de charge opposée à s’assembler en microsphères par coacervation complexe. La compréhension des forces gouvernant le processus de coacervation entre protéines et l’influence exercée par la présence de bioactifs demeurent des prérequis pour l’utilisation des coacervats complexes comme agent d’encapsulation. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de thèse a été de comprendre le mécanisme de coacervation complexe entre la ¿-lactoglobuline (¿-LG) chargée négativement, et la lactoferrine (LF) chargée positivement, en absence et en présence de petits ligands. La LF a présenté une coacervation préférentielle avec le variant A de la¿¿-LG qui se distingue du variant B par la substitution de 2 acides aminés. Au niveau moléculaire, deux sites de fixation de la ¿-LG sur la LF ont été identifiés.En outre, par la mesure d’une part des coefficients de diffusion rotationnel et d’autre part de la cinétique de diffusion des entités moléculaires constituant les coacervats, il est suggéré que ces derniers sont formés à partir de -LG libre¿¿de pentamère, LF(-LG2)2, ainsi que des entités plus larges, (LF-LG2)n. Afin d’évaluer l’effet de la présence de petits ligands sur la coacervation complexe entre la -LG et la LF, des ligands modèles (ANS et acide folique) ont été utilisés. Dans les conditions expérimentales testées ces deux ligands n’ont pas d’affinité pour la -LG, mais après interact / Encapsulation of bioactives has been used by the food industries for decades and represents a great potential for the development of innovative products. Given their versatile functional properties, milk proteins in particular from whey have been used for encapsulation purposes using several encapsulation techniques. In parallel, recent studies showed the ability of oppositely charged food proteins to co-assemble into microspheres through complex coacervation. Understanding the driving forces governing heteroprotein coacervation process and how it is affected by the presence of ligands (bioactives) is a prerequisite to use heteroprotein coacervates as encapsulation device. In this context, the objective of my thesis work was to understand the mechanism of complex coacervation between -lactoglobulin (-LG) and lactoferrin (LF) in the absence and presence of small ligands. The conditions of optimal ¿-LG - LF coacervation were found at pH range 5.4-6 with a molar excess of ¿-LG. RemarkabAt molecular level, the presence of two binding sites on LF for -LG was evidenced. Moreover, the heterocomplexes such as pentamers LF(-LG2)2 and quite large complexes (LF-LG2)n were identified as the constituent molecular species of the coacervate phase. To evaluate the -LG - LF complex coacervation in the presence of small ligands, models of hydrophobic (ANS) and hydrophilic molecules (folic acid) were used. Although under the experimental conditions tested the small ligands did not interact with -LG, both interacted with LF inducing its self-association into nanoparticles. High relati

L'influence de la concentration totale en biopolymères et de la polydispersité de la protéine sur la formation et la stabilité de coacervats a été étudiée dans un mélange b-lactoglobuline/gomme d'acacia/eau. Les mélanges de b-lactoglobuline (b-lg) native ou agrégée (56% d'agrégats insolubles à pH 4,75) et de gomme d'acacia à des pH compris entre 3,6 et 5,0 sont caractérisés par une séparation de phase par coacervation complexe. Une concentration totale élevée en biopolymères limite l'influence du pH et du ratio de mélange protéine : polysaccharide sur la formation des coacervats dans les deux systèmes. En revanche, une forte polydispersité de la b-lg permet d'étendre l'aire de la zone biphasique des diagrammes de phases ternaires obtenus à pH 4,2. Des coacervats et des précipités sont obtenus en présence d'agrégats de b-lg. Seuls des coacervats sont visibles avec la b-lg native. Leur taille est contrôlée par les agrégats protéiques qui interagissent spécifiquement avec une fraction de la gomme d'acacia. La structure des coacervats est caractérisée par une vacuolisation issue d'une coalescence partielle des plus petits coacervats. Après interaction avec la gomme d'acacia, des mesures de dichroïsme circulaire indiquent une modification de la structure en hélice a de la b-lg, caractérisée par une densité de charge positive. La stabilité et la structuration des coacervats formés résultent d'un équilibre entre des phénomènes de floculation, coalescence et sédimentation des coacervats comme indiqué par des mesure de diffusion de la lumière en milieu turbide et microscopie confocale à balayage laser. Enfin, l'étude de la cinétique de structuration des mélanges b-lg/gomme d'acacia/eau par diffusion de la lumière aux petits angles, révèle des phénomènes de diffusionnels et hydrodynamiques responsables de la croissance des domaines structuraux. Dans certains cas, la cinétique de coacervation complexe peut être décrite par le modèle théorique de décomposition spinodale.

Ce travail porte sur l'étude de la microencapsulation d'huile de lin par coacervation complexe des protéines du lactosérum et de la gomme d'acacia. Il se focalise sur la coacervation des protéines du lactosérum et de la gomme d'acacia en milieu aqueux ainsi que sur les mécanismes impliqués dans la formation des microcapsules par coacervation complexe. La coacervation complexe est un phénomène de séparation de phase associative induit par des interactions électrostatiques entre deux polymères. Le couple de polymères le plus utilisé en coacervation complexe est le système gélatine/gomme d'acacia. Cependant, pour des raisons sanitaires et religieuses, l'utilisation de la gélatine devient controversée pour les applications alimentaires. Un substituant intéressant à la gélatine est constitué par les protéines du lactosérum ainsi que leur composant majoritaire, la bêta-lactoglobuline. L'étude de la composition du coacervat du système protéines du lactosérum/gomme d'acacia a été réalisée lors de ce travail. L'électrophorèse capillaire sur gel a été employée afin de quantifier la bêtalactoglobuline et l'alpha-lactalbumine dans le coacervat. L'influence du ratio protéine/polysaccharide et du pH sur la composition du coacervat a été étudiée. Bien que le procédé d'encapsulation par coacervation complexe soit connu depuis de nombreuses années, les mécanismes conduisant à la formation des microcapsules restent peu décrits. Le procédé d'encapsulation par coacervation complexe conduisant à la formation des microcapsules est composé de plusieurs étapes nécessitant chacune d'être examinée. L'étape d'émulsification a lieu en régime d'écoulement intermédiaire. La modélisation en régime turbulent rend compte des résultats expérimentaux et pourrait être utilisée pour une transposition d'échelle. Le suivi in situ du procédé d'encapsulation par coacervation complexe a été réalisé pour la première fois lors de cette étude. Il a été réalisé au moyen d'une sonde vidéo immergée dans le réacteur agité. Cette technique a permis de relever quatre étapes successives induites par l'abaissement du pH. Les influences des paramètres physico-chimiques (ratio protéine/polysaccharide et concentration totale en biopolymères) et des paramètres liés à l'étape de coacervation sur la formation des microcapsules ont aussi été étudiées au moyen de la sonde vidéo. Coacervation complexe, encapsulation, protéines du lactosérum, électrophorèse capillaire, suivi in situ, émulsification / This work deals with the study of linseed oil microencapsulation by complex coacervation of whey proteins and acacia gum. It focuses on the coacervation of whey proteins and acacia gum in aqueous medium as well as the mechanisms involved in the formation of microcapsules by complex coacervation. Complex coacervation is an associative phase separation phenomenon induced by electrostatic interactions between two polymers. The most widely used pair of polymers in complex coacervation is the system gelatin / acacia gum. However, the use of gelatin is a matter of controversy for food applications. An interesting alternative to gelatin consists of whey proteins and their major component, beta-lactoglobulin. An investigation of the composition of the coacervate system whey protein / acacia gum was carried out during this work. Capillary gel electrophoresis was used to quantify beta-lactoglobulin and alphalactalbumin in the coacervate. The influence of protein / polysaccharide ratio and pH on the composition of the coacervate was studied. Although the encapsulation process by complex coacervation has been known for many years, the mechanisms leading to the formation of microcapsules are not so much described. The encapsulation process by complex coacervation leading to the formation of microcapsules includes several stages that were examined. The emulsification step takes place in the intermediate flow regime. The modeling in turbulent regime accounted for experimental results and might be used for scaling-up the process. In situ monitoring of the encapsulation process by complex coacervation was performed for the first time in this study. It was carried out using a video probe immersed in a stirred reactor. This technique identified four successive steps induced by lowering the pH: the emulsification of the oil, the formation of the coacervate, the adsorption of the coacervate on the oil droplets, the formation of an encapsulation shell. The influence of physico-chemical parameters (protein / polysaccharide ratio and total concentration of biopolymers) and parameters related to the coacervation step on the formation of microcapsules were also studied by using the video probe