L’objectif de la thèse était la préparation et la caractérisation des catalyseurs hétérogènes à base de polyoxométalates. L’étude mécanistique d’oxydation du méthane jusqu’au méthanol a montré que sur des polyoxométalates supportés sur la silice l’activation C-H a lieu déjà à la température ambiante. L’adsorption du méthane-13C sur H4SiMo12O40 supporté, suivie par RMN solide a mis en évidence la création de l’espèce méthoxy [SiMo12O40(CH3)]3-. Le cycle catalytique est complété par l’hydrolyse de cette espèce - méthanol est formé et une molécule de l’eau recrée la structure du départ de polyoxométalate. L’adsorption du méthanol-13C sur des polyoxométalates a montré la création de deux types des espèces methoxy, localisées sur des atomes d’oxygènes terminaux ou pontants est caractérisées par deux signaux RMN distincts – à 58 et 77 ppm, respectivement. En greffant un complexe de platine PtMe2COD sur les sels de césium de polyoxometalates, le dégagement du méthane ou de la mélange du méthane et de l’éthane a été observé et expliqué par la séquence de l’addition oxydative du proton de polyoxometalate au centre métallique, couplage C-H ou C-C et finalement l’élimination réductrice et libération d’une molécule de gaz. Sels d’ammonium de l’acide phosphotungstique H3PW12O40 ont été montrées de catalyser l’isomérisation du n-butane a l’isobutane dans des conditions douces (225°C, 1 atm.). Composé du cuivre Cu(OTf)2 sur la surface des sels inorganiques des polyoxometalates donne des catalyseurs très actifs en insertion des carbènes aux liaisons C-H des éthers cycliques. / The aim of this work was preparation and characterization of catalysts based on polyoxometalates and their use in various catalytic reactions in heterogenous conditions. Methane C-H activation on silica-supported polyoxometalates was shown already at room temperature. Methoxy species [SiMo12O40(CH3)]3- from the 13C-enriched methane adsorption at 200°C on the surface of a silicadispersed silicomolybdic acid was detected by means of 13C SS NMR. Its hydrolysis led to methanol formation, thus completing the catalytic cycle. After 13C-enriched MeOH adsorption presence of two distinct methoxy species on the surface of polyoxometalates was shown, located on terminal (single coordinated) and bridging (double coordinated) oxygen atoms and resulting in the resonances at 58 and 77 ppm in 13C SS NMR. Grafting of PtMe2COD on the surface of various polyoxometalate supports led to methane or combined methane and ethane release, explained by means of oxidative addition/reductive elimination mechanism on metal centers. Ammonium salts of phosphotungstic acid catalyzed efficiently n-butane to isobutane skeletal isomerisation at mild conditions (225 °C, atmospheric pressure). Successful heterogenization of copper catalysts, active in enantioselective C-H carbene insertion reactions, on polyoxometalate supports have been shown

Ce travail traite de la synthèse énantiosélective de composés trifluorométhylés via l’étude de la réaction d’isomérisation rédox d’alcools allyliques trifluorométhylés catalysée par des complexes de ruthénium. Nous avons mis au point la réaction d’isomérisation rédox d’alcools allyliques secondaires β-trifluorométhylés. Une étude du mécanistique réactionnel a mis en évidence que l’étape cinétiquement déterminante de cette réaction pour les substrats β-trifluorométhylés est différente de celle décrite pour les substrats non fluorés, il s’agit de l’étape d’insertion. Cette observation nous a permis de mettre au point une réaction d’isomérisation rédox énantiospécifique permettant un transfert intramoléculaire de chiralité via un processus suprafacial. Cette méthode a été appliquée à la synthèse du (S)-CF3-citronellol. En parallèle, nous avons étudié la réaction tandem : isomérisation rédox – transfert d’hydrogène en partant d’alcools allyliques ou d’énones β-trifluorométhylées permettant l’accès aux alcools saturés correspondants. / This work deals with the enantioselective synthesis of trifluoromethylated compounds via the study of the ruthenium catalyzed redox isomerization reaction of trifluoromethylated allylic alcohols. We have developed optmized conditions for the redox isomerization of β-trifluoromethylated secondary allylic alcohols. A mechanistic study of the reaction revealed that the rate determining step for β-trifluoromethylated substrates is different from that described for the non-fluorinated substrates. This observation allowed us todevelop an enantiospecific redox isomerization reaction with a total transfer of chirality via a suprafacialintramolecular process. This methodology has been applied to thesynthesis of (S)-CF3-citronellol. In parallel, we have studied the tandem reaction : redox isomerization - transfer hydrogenation starting from β-trifluoromethylated allylic alcohols orenones, allowing access to the corresponding saturated alcohols.

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

La conception de surfaces "intelligentes" sensibles aux stimuli externes (lumière, champ électromagnétique, environnement chimique ...) attire un intérêt considérable en raison de leur potentiel pour une large gamme d'applications. Dans ce contexte, nous étudions les propriétés de transfert de photos d'une monocouche de photochromes organiques immobilisés sur des surfaces de silicium.Les groupes Fulgimide sont ancrés par liaison covalente au-dessus de monocouches alkyliques fonctionnalisées greffées sur des surfaces Si (111) exemptes d'oxyde. La composition des monocouches dans les états stationnaires photo EPS-UV et EPS-Vis est déterminée à partir de l'analyse quantitative de l'intensité de la bande infrarouge caractéristique des isomères ouverts (E, Z) et fermés (C). La photocommutation de surface UV-Vis est surveillée par des mesures infrarouge à transformée de Fourier in situ en temps réel lors de l'éclairage UV-Vis. Les études de dépendance temporelle de la photocommutation montrent une diminution de l'efficacité quantique pendant la commutation. Cette diminution de l'efficacité quantique dépend faiblement de la densité de fulgimide et n'est pas observée en solution. Cependant, les mesures de PC en fonction du flux de photons ont permis de déterminer une section efficace de la PC (σ) de la majorité des molécules commutables. Les études de photocommutation dépendantes de la polarisation montrent une forte dépendance de σ par rapport au champ électrique local de la lumière excitante d'isomérisation.Les modèles analytiques et les simulations de Monte Carlo basées sur les interactions des voisins les plus proches sont effectuées pour obtenir une meilleure compréhension des observations expérimentales. Ces simulations expliquent qualitativement la dépendance à la température de la cinétique de commutation, diminuant l'efficacité quantique et la faible densité de surface de la photocommutation.Il a été montré dans cette thèse que σ dépend du champ électrique local. À l'instar de la spectroscopie Raman améliorée en surface, le champ électrique local sur les surfaces augmente en raison du plasmon des nanoparticules d'or. Le plasmon de la monocouche de nanoparticules d'or et ainsi l'amélioration du champ électrique dépend de la longueur d'onde de l'irradiation externe. L'exploitation de cet effet améliore significativement la cinétique de la commutation en fonction de la longueur d'onde de l'irradiation. Cette amplification dépendant de la longueur d'onde de la cinétique de la commutation s'explique par la même amplification dépendante de la longueur d'onde du champ électrique. / The design of “smart” surfaces responsive to external stimuli (light, electromagnetic field, chemical environment…) is attracting considerable interest because of their potential for a wide range of applications. Within this context we are studying the photoswitching properties of a monolayer of organic photochromes immobilized onto silicon surfaces.Fulgimide groups are anchored through covalent linkage atop of functionalized alkyl monolayers grafted on oxide free Si(111) surfaces. The monolayers composition at the photo stationary states PSS-UV and PSS-Vis is determined from quantitative analysis of the infrared band intensity characteristic of open (E,Z) and closed (C) isomers. The UV-Vis surface photocommutation is monitored by in-situ real time FTIR measurements during UV-Vis illumination. Time dependence studies of photocommutation evidence decreasing quantum efficiency during the commutation. This decrease in quantum efficiency only weakly depends on fulgimide density and is not observed in solution. However, PC measurements as a function of photon flux enabled determining a PC cross section (σ) of the majority of switching molecules. Polarization dependent photocommutation studies show the strong dependence of σ with respect to the local electric field of the isomerization-exciting light.Analytical models and Monte Carlo simulations based on nearest neighbor interactions are performed to gain deeper insight in the experimental observations. These simulations qualitatively explain the temperature dependence of the commutation kinetics, decreasing quantum efficiency and weak surface density dependence of the photocommutation.It has been shown in this thesis that σ depends on the local electric field. Similar to the Surface Enhanced Raman Spectroscopy the local electric field at surfaces is increased due to the plasmon of gold nanoparticles. The plasmon of the gold nanoparticle monolayer and thereby the enhancement of the electric field depends on the wavelength of the external irradiation. Exploitation of this effect improves the photo switching kinetics significantly depending on the wavelength of the irradiation. This wavelength dependent amplification of the switching kinetics is explained by the same wavelength dependent enhancement of the electric field.

L'objectif de la présente thèse était de développer un nouveau procédé en vue de valoriser intégralement le perméat de lactosérum (WP) qui a un impact négatif important sur l'environnement en raison de sa forte demande biochimique et chimique en oxygène (DBO et DCO). Pour cela, le WP a été valorisé par isomérisation in situ de son lactose en lactulose prébiotique en utilisant la technologie d'électro-activation (EA) comme une nouvelle approche sans aucun prétraitement et/ou fractionnement en amont et en aval. Premièrement, les meilleures conditions d'isomérisation du lactose en lactulose en utilisant le WP comme source de lactose bon marché ont été déterminées. L'effet de l'intensité du courant électrique et du sel (CaCl2, KCl et MgCl2) sur la conversion du lactose en lactulose en utilisant des solutions de WP (6%, P/V) et de lactose pur (5%, P/V) ont été étudié. Le lactose a été converti en lactulose à un taux de 35,1% lorsque le KCl, une intensité de courant de 330 mA pendant 21 min d'EA ont été appliqués au WP; et 38,66% lorsque le KCl, une intensité de courant de 330 mA pendant 14 minutes ont été appliqué à une solution de lactose. L'utilisation de WP dans les compartiments central et cathodique sans addition de sel a donné un rendement de 39,78% de lactulose après 35 min d'EA à 330 mA. La microscopie électronique à balayage et le calcul de la résistance électrique globale du réacteur n'ont révélé aucun encrassement de la membrane. Deuxièmement, les solutions électro-activées cathodiques obtenues avec un rendement élevé en lactulose et les produits de réaction de Maillard induits (MRP) ont été soumis au séchage à trois températures (160, 180 et 200 °C) et leur activité antioxydante (AA) a été évaluée. Pour ce faire, l’AA a été évaluée par l'AA au DPPH, le pouvoir réducteur, le test au radical ABTS•+ et l’effet chélateur du fer. L'effet de la température de séchage sur l'AA du perméat de lactosérum électro-activé (EAWP) a également été évalué. Les données obtenues démontrent que l'EA améliore significativement l'AA du WP et que cette AA est principalement due aux MRP intermédiaires, comme le montre l'absorbance la plus élevée à 294 nm. De plus, les résultats ont montré que la température de séchage influençait significativement l'AA de l'EAWP. Enfin, l’effet de la concentration de poudre EAWP (EAWPP) obtenue (0%, 2%, 4% et 6%, P/P) sur l’oxydation des lipides et la stabilité de la couleur du bœuf haché stocké à 4 °C pendant 17 jours a été étudié. L'oxydation lipidique et l'apparence du bœuf haché ont été évaluées par la mesure des produits d'oxydation primaires (indice d'acide (AV) et de peroxyde (PV)) et secondaires (substances réactives à l'acide thiobarbutirique, TBARS), ainsi que par la mesure de la couleur dans le système CIELAB après 1, 2, 3, 10 et 17 jours. Les résultats démontrent que l'EAWPP agit comme un antioxydant efficace sur les lipides de la viande. Les analyses de l’AV, de PV et de TBARS démontrent que la viande de bœuf hachée réfrigérée additionnée de la poudre EAWPP inhibait l'oxydation des lipides par rapport au témoin. Ces résultats ont été également confirmés par l'analyse des acides gras de la fraction lipidique. De plus, la stabilité de la couleur a été sauvegardée lorsque la poudre EAWPP a été ajoutée. En conclusion, le procédé proposé peut, d’une part, résoudre le problème environnemental du WP en le transformant d’un sous-produit polluant en un ingrédient à haute valeur ajoutée ayant des propriétés prébiotiques et antioxydantes et, d’autre part, une alternative possible la synthèse chimique du lactulose réduisant ainsi son impact négatif sur l'environnement. / The aim of the present thesis was the development of a new process in view to the integral valorization of whey permeate (WP) which have a serious negative environmental impact due to it high biochemical and chemical oxygen demand (BOD, CDO) (COD). For this, WP was valorized through in situ isomerisation of it lactose into the prebiotic lactulose using electro-activation technology as a new approach without any upstream and/or downstream fractionation. Firstly, the best conditions of the isomerisation of lactose into lactulose using WP as a cheap lactose source were determined. The effect of electric current intensity and salt (CaCl2, KCl and MgCl2) on the amount of lactose conversion into lactulose by using WP (6 %, wt) and pure lactose (5 %, wt) solutions was studied. Lactose was converted into lactulose at a level of 35.1% when KCl, current intensity of 330 mA during 21 min of electro-activation were applied to WP; and 38.66% when KCl, current intensity of 330 mA during 14 min were applied to lactose solution. The use of WP in both the central and cathodic compartments without addition of salt yielded 39.78% lactulose after 35 min of electro-activation at 330 mA. Scanning electron microscopy and calculation of the global electrical resistance of the reactor did not reveal any membrane fouling. Secondly, the cathodic electro-activated solutions obtained with a high lactulose yield and induced Maillard reaction products (MRPs) were submitted to spray drying at three temperatures (160, 180 and 200 °C) and their antioxidant activity (AA) was evaluated. For this purpose, the AA was evaluated by the DPPH scavenging activity, reducing power, ABTS•+ Radical scavenging assay and iron chelating capacity. The effect of the drying temperature on the AA of the EAWP was also evaluated. The obtained data demonstrated that electro-activation significantly (P < 0.001) enhanced the AA of WP and that this AA was mainly due to the intermediate MRPs, as shown by the highest absorbance at 294 nm. Moreover, the results showed that the drying temperature significantly influenced the AA of EAWP. Finally, the effect of the obtained EAWP powder (EAWPP) concentration (0%, 2%, 4% and 6%, wt/wt) on lipid oxidation and color stability of chilled minced beef stored at 4°C for 17 days was investigated. The minced beef lipid oxidation and appearance were evaluated through measurement of primary (acid value (AV) and peroxide values (PV)) and secondary oxidation products (thiobarbutiric acid reactive substances, TBARS), together with measurement of color in the CIELAB system at 0, 1, 2, 3, 10 and 17 days. Results demonstrate that the EAWPP act as an effective antioxidant on lipid meat. The AV, PV and TBARS analysis demonstrate that the chilled minced beef added with the EAWPP inhibited the lipid oxidation compared to the control. This finding was also confirmed by the fatty acid analysis of the lipid fraction. In addition, the color stability was saved when EAWPP was added. In conclusion, the proposed process can, on one hand, solve the environmental problem of WP by transforming it from a pollutant by product into a high value added ingredient having prebiotic and antioxidant properties and, on the other hand, it constitutes a possible alternative to the chemical synthesis of lactulose thus reducing its negative environmental impact.

L'isomérisation alcaline du lactose en lactulose a été effectuée électro-chimiquement à l’aide d’un réacteur d'électro-activation en combinaison avec des résines échangeuses d'anions de polystyrène de trois types; à savoir Lewatit VP-OC-1065 faible-acide, Lewatit MP-64 moyenne-acide et Lewatit Monoplus M500 forte-acide. Les paramètres opératoires qui ont fait l’objet de cette étude ont été étudiés sur trois blocs expérimentaux pour optimiser le système. Dans le Premier bloc, les paramètres étudiés sont : (1) ratio lactose-5%(p/v) : résine échangeuse d'anions (1:0.5, 1:1 et 1:2), (2) intensité du champ électrique : 50 mA, 100 mA et 200 mA et (3) type de résines : faible, moyenne et forte. Dans le Deuxième bloc, les paramètres mis à l’étude comprenaient : (1) l’intensité du champ électrique : 300 mA, 450 mA et 550 mA, (2) le débit de la solution traitée : 25 ml / min, 50 ml/ min et 100 ml/min et (3) la surface active de la membrane adjacente au compartiment cathodique : 0.78 cm2, 7.06 cm2 et 18.1 cm2. Le Troisième bloc expérimental a été effectué sur la base de la distance entre la membrane et l'électrode : 3.1 cm, 5.6 cm et 9 cm. Le même modèle expérimental a était également réalisé avec du perméat du lactosérum d’une concentration de 7% (p/v). Les résultats obtenus ont révélé que le meilleur rendement de l’isomérisation du lactose en lactulose était obtenu après 30 minutes d’électroactivation en utilisant une solution modèle de lactose-5% avec une valeur d’environ 20.1%. Les conditions opératoires qui ont permis d’avoir ce taux de conversion sont une intensité du courant de 550 mA, un débit de la solution de 25 ml/min, une surface active de la membrane de 7.06 cm2 et une distance de 9 cm entre la cathode et la membrane qui lui y est adjacente. En utilisant le perméat de lactosérum-7%, un taux de conversion de lactose en lactulose de 8.34% a était obtenu avec une intensité du courant de 200 mA, un débit de 120 ml/min, une surface active de de 18.1cm2 et une distance de 9 cm entre la membrane et l’électrode dans le compartiment cathodique. Les analyses de variance ont indiqué un effet catalytique significatif du type de la résine. En effet, la résine-forte a permis d’avoir les plus hauts rendements de la réaction d’isomérisation par électro-activation. La résistance électrique globale du système d’électroactivation dépendait de la valeur de l’intensité du courant. Le produit final était d’une grande pureté, car il ne présentait que quelques traces de galactose (&lt; 4%). / The isomerization of lactose to lactulose in alkaline conditions was carried out electrochemically using an electro-activation reactor in combination with three types of anion-exchange polystyrene resins, namely Lewatit VPOC 1065 weak acid, Lewatit MP-64 medium acid, and Lewatit Monoplus M500 strong acid. The operational parameters evaluated in this study have been adjusted to three blocks to optimize the system: first block: a) ratio lactose- 5% (w /v): anionexchange resin (1:0.5, 1:1 and 1:2), b) electric field intensity of 50 mA, 100 mA, and 200 mA, and c) resin type; second block: a) electric field intensity of 300 mA, 450 mA, and 550 mA, b) flow rate (25 ml / min, 50 ml / min, and 100 ml / min); and c) area of the membrane adjacent to the cathode compartment (0.78 cm2,7.06 cm2, and 18.1 cm2); and third block: distance between the membrane and the electrode (3.1 cm, 5.6 cm, and 9 cm). The same experimental model was used with whey permeat at a concentration of 7% (w/v). Obtained results revealed that the best yield was obtained after 30 minutes of electro-activation using a typical solution based on 20.1% of lactose-5% under a current intensity of 550 mA, a flow rate of 25 ml / min, a membrane area of 7.06 cm2, and a distance of 9 cm between the membrane and the electrode. The use of whey permeate-7% resulted in 8.34% of lactulose under a current intensity of 200 mA, a flow rate of 120 ml / min, a membrane area of 18.1 cm2, and a distance of 9 cm in the cathodic compartment. The analysis of variance indicated a significant catalytic effect on the resin type since the strong acid resin allowed obtaining the highest yields of the isomerization reaction by electro-activation. The overall electrical resistance of the electro-activation system depends on the current intensity. The final product was of high purity since it contains only few traces of galactose (&lt; 4%).

Deux copolymères blocs contenant un bloc azobenzène et un bloc polystyrène, ainsi qu'un polymère d' azobenzène de référence, ont été étudiés. À l'aide de la technique du dichroïsme linéaire infrarouge avec modulation de polarisation, il a été possible d' étudier l'effet de confinement qu'a le polystyrène sur le bloc azobenzène des deux copolymères, comparativement au comportement du polymère de référence. Nous avons aussi étudié la présence de l'isomère cis à en irradiation l' échantillon à l'aide de radiation ultraviolette. Ces travaux nous ont permis de déterminer que les deux copolymères possèdent des niveaux d'orientation supérieurs à celui du polymère de référence, montrant que le confinement des blocs azobenzène des deux copolymères respectifs par les matrices de polystyrène nuit à l'orientation de ces blocs. Grâce aux résultats obtenus à l'aide des expériences réalisées à l'aide d'irradiation ultraviolette, nous avons aussi pu déterminer que certaines composantes spectrales en infrarouge des polymères étudiés pourraient être associées à l'isomère cis-azobenzène.

Le lactosérum et le perméat de lactosérum (WP) sont les principaux sous-produits du processus de fabrication du fromage et de la caséine. Ils sont considérés comme des polluants environnementaux en raison de leur charge organique élevée caractérisée par une haute demande biologique et chimique en oxygène. Ils créent un problème majeur d'élimination pour l'industrie laitière en raison des grands volumes de leur production annuelle. Par conséquent, il y a une demande constante de développer une approche durable pour leur utilisation afin d'éviter la pollution de l'environnement. Dans ce contexte, cette étude visait à comparer la technologie d'électro-activation (EA) à un processus d'isomérisation chimique, à alcalinité équivalente de la solution, pour produire du lactulose, qui est un prébiotique reconnu et éprouvé, en utilisant du lactose pur, du lactosérum et du perméat de lactosérum, comme matières premières sources de lactose, et de valoriser les produits électro-activés en produisant des métabolites à haute valeur ajoutée en utilisant une culture de kéfir et une culture pure de Kluyveromyces marxianus comme approche intégrée pour la valorisation complète de ces résidus de l'industrie laitière. La technologie d'électro-activation a été appliquée pour isomériser le lactose en lactulose dans un réacteur d'électro-activation modulé par des membranes échangeuses d'anions et de cations. L'électro-isomérisation du lactose en lactulose a été réalisée en utilisant des solutions de lactose (5, 10, 15 et 20 % p/v), de lactosérum (7, 14 et 21 % p/v) et de perméat de lactosérum (6, 12 et 18 % p/v) sous des intensités de courant électrique de 300, 600 et 900 mA pendant 60 min avec un intervalle d'échantillonnage de 5 min. L'isomérisation chimique conventionnelle a été réalisée à une alcalinité de la solution équivalente au KOH correspondant à celle mesurée dans les substrats électro-activés (lactose, lactosérum et perméat de lactosérum) à chaque intervalle de 5 min en utilisant de la poudre de KOH comme catalyseur à température ambiante (22 ± 2 °C). Les résultats obtenus ont montré que la production de lactulose en utilisant l'approche par électro-activation dépendait de l'intensité du courant électrique, de la concentration de la solution soumise à l'électro-activation et du temps de réaction. Les rendements les plus élevés de lactulose sont de 38 % en utilisant une solution de lactose de 10 % électro-activé pendant 40 min sous 900 mA, de 32 % en utilisant une solution de 7 % de lactosérum électro-activé sous 900 mA pendant 60 min et de 37 % en utilisant une solution de 6 % de perméat de lactosérum électro-activé sous 900 mA pendant 50 min. Parallèlement, les résultats ont montré qu'avec une approche chimique conventionnelle avec du KOH comme catalyseur, les rendements de lactulose étaient de ~27 % en utilisant une solution de 10 % de lactose pendant 60 min et de 25,47 % en utilisant une solution de 6 % de perméat de lactosérum pendant 50 min. Cependant, aucune formation de lactulose n'a été observée en utilisant du lactosérum dans le procédé chimique conventionnel à une alcalinité équivalente de la solution traitée par électro-activation. Les résultats de cette étude ont révélé que la technologie d'électro-activation est plus efficace pour la production du lactulose à partir du lactose pur, du lactosérum et du perméat de lactosérum par rapport au processus d'isomérisation chimique conventionnelle. Par la suite, la faisabilité d'utiliser les substrats à base de lactose électro-activé, du lactosérum électro-activé et du perméat de lactosérum électro-activé comme sources de carbone pour produire de la biomasse riche en protéines et métabolites à valeur commerciale élevée comme des acides organiques (lactique, acétique, citrique et propionique) et des biomolécules aux propriétés aromatiques et gustatives a été étudiée en utilisant une culture microbienne mixte provenant de grains de kéfir comme ferment et une culture pure de Kluyveromyces marxianus. La fermentation a été réalisée pendant 96 h à 30 °C en utilisant les substrats électro-activés et non électro-activés du lactose, du lactosérum et du perméat de lactosérum. Les résultats obtenus ont montré que les substrats électro-activés ont permis d'atteindre une croissance de la biomasse la plus élevée en un temps de fermentation réduit comparativement aux substrats non électro-activés en utilisant la culture de kéfir comme agent de fermentation. La croissance cellulaire la plus élevée (6,04 g/L) a été obtenue dans le lactosérum électro-activé après 72 h, qui était 1,7 fois supérieure à ce qui était obtenu dans le milieu clostridien renforcé (RCM). De plus, le lactosérum électro-activé a permis de produire un maximum de 8,46, 3,97, 0,60 et 1,02 g/L d'acide lactique, acétique, citrique et propionique, respectivement. De plus, le lactosérum électro-activé a permis la production de kéfiran la plus élevée de 2,99 g/L, suivi par le lactosérum (2,67 g/L), le perméat de lactosérum électro-activé (2,31 g/L), le perméat de lactosérum (1,88 g/L), le milieu RCM (1,42 g /L), le lactose électro-activé (1,37 g/L) et le lactose (0,91 g/L). Les résultats ont également démontré que divers composés aromatiques volatils étaient produits au cours de la fermentation du lactosérum électro-activé, ce qui peut améliorer les caractéristiques organoleptiques et la qualité sensorielle des produits fermentés. Également, K. marxianus a également montré une production satisfaisante de la biomasse dans tous les substrats utilisés et que le lactosérum électro-activé a permis d'atteindre une biomasse maximale (4,23 g/L) après 96 h de fermentation, suivie du milieu standard YM (4,85 g/L). La biomasse produite avait une teneur élevée en protéines et en lipides (24,43-57,83 et 15,44-25,64 %, respectivement) dépendamment des substrats utilisés et des conditions de fermentation. Plusieurs acides organiques majeurs comme les acides lactique, acétique, citrique et propionique ont été produits pendant la fermentation sur tous les milieux, avec des différences significatives entre les substrats électro-activés et non électro-activés. De plus, K. marxianus a produit divers composés aromatiques volatils aux propriétés organoleptiques appréciées. Le milieu de culture YM a entraîné la plus faible production d'éthanol (8,42 g/L à 48 h) tandis que la plus forte production d'éthanol a été produite dans le lactosérum non électro-activé (28,13 g/L à 48 h), suivi du lactose (27,85 g/L à 48 h), du lactose électro-activé (26,77 g/L à 36 h), du perméat de lactosérum (25,99 à 72 h), du perméat de lactosérum électro-activé (24,66 g/L à 36 h) et du lactosérum électro-activé(22,06 g/L à 48 h). De plus, un maximum de 393,85 à 988,22 mg/L de 2-phényléthanol a été atteint, selon les substrats utilisés. Par conséquent, les résultats de ce projet suggèrent que la technologie d'électro-activation peut être une approche durable émergente permettant d'atteindre le double objectif de production de lactulose, un prébiotique reconnu et éprouvé, et de valorisation intégrale du lactosérum et de ses dérivés en utilisant des bioprocédés à base de culture de kéfir et de K. marxianus pour produire des métabolites à valeur commerciale élevée pour différentes applications; y compris pour l'industrie de l'alimentation humaine et animale. Ainsi, les connaissances obtenues dans ce projet pourront servir à améliorer la valorisation du lactosérum. / Whey and whey permeate (WP) are the main agro-industrial by-products from cheese or casein production process that are regarded as environmental pollutants because of their high organic load (high biochemical and chemical oxygen demand) and are creating a major disposal problem for the dairy industry. Consequently, there is a serious demand of developing a sustainable approach for their utilization to evade environmental pollution. In this context, the study was intended to compare the electro-activation (EA) technology with a chemical isomerization process at equivalent solution alkalinity to produce a prebiotic lactulose using lactose, whey, and WP as feedstocks and to valorize the electro-activated materials into valuable metabolites using a whole Kefir culture and a pure culture of Kluyveromyces marxianus as an integrated approach for complete valorization of these waste products. The EA technique was applied to isomerize lactose into lactulose in an EA react or modulated by anion and cation exchange membranes. Electro-isomerization of lactose into lactulose was performed by using lactose (5, 10, 15, and 20%, w/v), whey (7, 14, and 21%, w/v), and WP (6, 12, and 18%, w/v) solutions under current intensities of 300, 600, and 900 mA during 60 min with a sampling interval of 5 min. The conventional chemical isomerization was carried out at the KOH-equivalent solution alkalinity corresponding to that measured in the electro-activated lactose (EA-lactose), electro-activated whey (EA-whey), electro-activated whey permeate (EA-WP) solutions at each 5 min interval using KOH powder as a catalyst at ambient temperature (22 ± 2 °C). The results showed that the production of lactulose using the EA approach was current intensity-, solution concentration-, and reaction time-dependent. The highest lactulose yields of 38 (at 40 min for a 900 mA and 10% lactose solution), 32 (at 60 min for a 900 mA and 7% whey solution), and 36.98% (at 50 min for a 900 mA and 6% WP solution) were achieved for lactose, whey, and WP, respectively. Whereas the maximum lactulose yields of ~27 (at 60 min for 10% lactose solution) and 25.47% (at 50 min for 6% WP solution) were obtained for lactose and WP, respectively. However, no lactulose was produced for whey using the chemical process at the equivalent solution alkalinity as in the EA technique. The outcomes of this study revealed that the EA technology is a more efficient technique for the enhanced production of lactulose from lactose, whey, and WP compared to the convention chemical isomerization process. Thereafter, the feasibility of using electro-activated whey-based substrates including EA-lactose, EA-whey, EA-WP as carbon sources to produce protein enriched biomass and valuable metabolites including organic acids (i.e., lactic, acetic, citric, and propionic acids) and biomolecules with aroma and flavor properties was studied using a mixed microbiota originated from whole kefir grains as a starter culture and a pure culture of Kluyveromyces marxianus ATCC 64884. Fermentation was performed for 96 h at 30 °C using both electro-activated (EA) and non-electroactivated (non-EA) substances of lactose, whey, and WP. The results showed that the EA-substrates achieved a higher biomass growth in a reduced fermentation time than their non-EA mediums using the kefir culture. The highest cell growth (6.04 g/L) was obtained for EA-whey after 72 h which was even 1.7-fold higher than a standard nutrition broth, the reinforced clostridial medium (RCM). Furthermore, EA-whey produced a maximum of 8.46, 3.97, 0.60, and 1.02 g/L of lactic, acetic, citric, and propionic acid, respectively. Moreover, EA-whey achieved the highest kefiran production of 2.99 g/L, followed by the whey (2.67 g/L), EA-WP (2.31 g/L), WP (1.88 g/L), RCM broth (1.42 g/L), EA-lactose (1.37 g/L), and lactose (0.91 g/L). The results also demonstrated that various aromatic volatile compounds were produced during the fermentation of EA-whey, which may increase the organoleptic characteristic/sensory quality of the fermented products. Nevertheless, K. marxianus also demonstrated a satisfactory biomass growth in all substrates used and EA-whey achieved a maximum biomass (4.23 g/L) at 96 h of fermentation followed by YM broth (4.85 g/L). The produced biomass had high protein and lipid content (24.43-57.83, and 15.44-25.64%) depending on the used substrates and fermentation conditions. Several major organic acids including lactic, acetic, citric, propionic acids were produced during the fermentation on all media, with significant differences between electro-activated and non-electro-activated substrates. Furthermore, K. marxianus produced various volatile aroma compounds with valued organoleptic properties. The YM-broth resulted in the lowest ethanol production (8.42 g/L at 48 h) while the highest ethanol was produced in the non-electro-activated whey (28.13 g/L at 48 h), followed by lactose (27.85 g/L at 48 h), EA-lactose (26.77 g/L at 36 h), WP (25.99 at 72 h), EA-WP (24.66 g/L at 36 h), EA-Whey (22.06 g/L at 48 h). Moreover, a maximum of 393.85 to 988.22 mg/L of 2-phenylethanol was achieved, depending on the substrates used. Therefore, the results of this work suggest that the EA technology can be an emergent sustainable technology for achieving dual objectives of prebiotic lactulose production and concurrent valorization of whey and its derivatives in Kefir culture and K. marxianus driven bioprocesses to produce valuable metabolites for different applications including in food and feed industry. Thus, this knowledge is not only helpful to reduce the production cost of dairy industries, but also provide an eco-friendly alternative for the disposal of whey/WP as a part of integrated approach for complete valorization.

Chez Saccharomyces cerevisiae, les souches mutantes pour Rrd1, une protéine qui possède une activité de peptidyl prolyl cis/trans isomérase, montrent une résistance marquée à la rapamycine et sont sensibles au 4-nitroquinoline 1-oxide, un agent causant des dommages à l’ADN. PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères, est reconnu en tant qu’activateur de protéine phosphatase 2A. Notre laboratoire a précédemment démontré que la surexpression de PTPA mène à l’apoptose de façon indépendante des protéines phosphatase 2A. La fonction moléculaire de Rrd1/PTPA était encore largement inconnue au départ de mon projet de doctorat. Mes recherches ont d’abord montré que Rrd1 est associé à la chromatine ainsi qu’à l’ARN polymérase II. L’analyse in vitro et in vivo par dichroïsme circulaire a révélé que Rrd1 est responsable de changements au niveau de la structure du domaine C-terminal de la grande sous-unité de l’ARN polymérase II, Rpb1, en réponse à la rapamycine et au 4-nitroquinoline 1-oxide. Nous avons également démontré que Rrd1 est requis pour modifier l’occupation de l’ARN polymérase II sur des gènes répondant à un traitement à la rapamycine. Finalement, nous avons montré que suite à un traitement avec la rapamycine, Rrd1 médie la dégradation de l’ARN polymérase II et que ce mécanisme est indépendant de l’ubiquitine. La dernière partie de mon projet était d’acquérir une meilleure connaissance de la fonction de PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères. Nos résultats montrent que le «knockdown» de PTPA n’affecte pas la sensibilité des cellules à différentes drogues telles que la rapamycine, le 4-nitroquinoline 1-oxide ou le peroxyde d’hydrogène (H2O2). Nous avons également tenté d’identifier des partenaires protéiques pour PTPA grâce à la méthode TAP, mais nous ne sommes pas parvenus à identifier de partenaires stables. Nous avons démontré que la surexpression de la protéine PTPA catalytiquement inactive n’induisait pas l’apoptose indiquant que l’activité de PTPA est requise pour produire cet effet. Finalement, nous avons tenté d’étudier PTPA dans un modèle de souris. Dans un premier lieu, nous avons déterminé que PTPA était exprimé surtout au niveau des tissus suivants : la moelle osseuse, le thymus et le cerveau. Nous avons également généré avec succès plusieurs souris chimères dans le but de créer une souris «knockout» pour PTPA, mais l’allèle mutante ne s’est pas transférée au niveau des cellules germinales. Mes résultats ainsi que ceux obtenus par mon laboratoire sur la levure suggèrent un rôle général pour Rrd1 au niveau de la régulation des gènes. La question demeure toujours toutefois à savoir si PTPA peut effectuer un rôle similaire chez les mammifères et une vision différente pour déterminer la fonction de cette protéine sera requise pour adresser adéquatement cette question dans le futur. / In Saccharomyces cerevisiae, mutants devoid of Rrd1, a protein possessing in vitro peptidyl prolyl cis/trans isomerase activity, display striking resistance to rapamycin and show sensitivity to the DNA damaging agent 4-nitroquinoline 1-oxide. PTPA, the mammalian homolog of Rrd1, has been shown to activate protein phosphatase 2A. Our laboratory previously found that overexpression of PTPA leads to apoptosis independently of PP2A. At the outset of my thesis work, the molecular function of Rrd1/PTPA was largely unknown. My work has shown that Rrd1 is associated with the chromatin and interacts with RNA polymerase II. In vitro and in vivo analysis with circular dichroism revealed that Rrd1 mediates structural changes of the C-terminal domain of the large subunit of RNA pol II, Rpb1, in response to rapamycin and 4-nitroquinoline 1-oxide. Consistent with this, we demonstrated that Rrd1 is required to alter RNA pol II occupancy on rapamycin responsive genes. We also showed that upon rapamycin exposure Rrd1 mediates the degradation of RNA polymerase II and that this mechanism is ubiquitin-independent. Another part of my work was to gain insight into the function of PTPA, the mammalian counterpart of Rrd1. PTPA knockdown did not affect sensitivity to rapamycin, 4-nitroquinoline 1-oxide or H2O2. We also attempted to find protein interaction partners for PTPA using tandem affinity purification, but no stable partners for PTPA were found. We also demonstrated that overexpression of a catalytically inactive PTPA mutant did not induce apoptosis, indicating that PTPA activity is required to produce this effect. Finally, we attempted to study PTPA in a mouse model. We first determined that PTPA was expressed in a tissue-specific manner and was most abundant in bone marrow, thymus and brain. We pursued creation of a knockout mouse and successfully generated chimeras, but the mutated allele was not transmitted to the germline. My data and other data from our laboratory regarding the yeast work suggest a general role for Rrd1 in regulation of gene transcription. Whether PTPA has a similar function in mammalian cells remains unknown, and a different vision of what the protein does in mammalian cells will be required to adequately address this question in the future.

Chez Saccharomyces cerevisiae, les souches mutantes pour Rrd1, une protéine qui possède une activité de peptidyl prolyl cis/trans isomérase, montrent une résistance marquée à la rapamycine et sont sensibles au 4-nitroquinoline 1-oxide, un agent causant des dommages à l’ADN. PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères, est reconnu en tant qu’activateur de protéine phosphatase 2A. Notre laboratoire a précédemment démontré que la surexpression de PTPA mène à l’apoptose de façon indépendante des protéines phosphatase 2A. La fonction moléculaire de Rrd1/PTPA était encore largement inconnue au départ de mon projet de doctorat. Mes recherches ont d’abord montré que Rrd1 est associé à la chromatine ainsi qu’à l’ARN polymérase II. L’analyse in vitro et in vivo par dichroïsme circulaire a révélé que Rrd1 est responsable de changements au niveau de la structure du domaine C-terminal de la grande sous-unité de l’ARN polymérase II, Rpb1, en réponse à la rapamycine et au 4-nitroquinoline 1-oxide. Nous avons également démontré que Rrd1 est requis pour modifier l’occupation de l’ARN polymérase II sur des gènes répondant à un traitement à la rapamycine. Finalement, nous avons montré que suite à un traitement avec la rapamycine, Rrd1 médie la dégradation de l’ARN polymérase II et que ce mécanisme est indépendant de l’ubiquitine. La dernière partie de mon projet était d’acquérir une meilleure connaissance de la fonction de PTPA, l’homologue de Rrd1 chez les mammifères. Nos résultats montrent que le «knockdown» de PTPA n’affecte pas la sensibilité des cellules à différentes drogues telles que la rapamycine, le 4-nitroquinoline 1-oxide ou le peroxyde d’hydrogène (H2O2). Nous avons également tenté d’identifier des partenaires protéiques pour PTPA grâce à la méthode TAP, mais nous ne sommes pas parvenus à identifier de partenaires stables. Nous avons démontré que la surexpression de la protéine PTPA catalytiquement inactive n’induisait pas l’apoptose indiquant que l’activité de PTPA est requise pour produire cet effet. Finalement, nous avons tenté d’étudier PTPA dans un modèle de souris. Dans un premier lieu, nous avons déterminé que PTPA était exprimé surtout au niveau des tissus suivants : la moelle osseuse, le thymus et le cerveau. Nous avons également généré avec succès plusieurs souris chimères dans le but de créer une souris «knockout» pour PTPA, mais l’allèle mutante ne s’est pas transférée au niveau des cellules germinales. Mes résultats ainsi que ceux obtenus par mon laboratoire sur la levure suggèrent un rôle général pour Rrd1 au niveau de la régulation des gènes. La question demeure toujours toutefois à savoir si PTPA peut effectuer un rôle similaire chez les mammifères et une vision différente pour déterminer la fonction de cette protéine sera requise pour adresser adéquatement cette question dans le futur. / In Saccharomyces cerevisiae, mutants devoid of Rrd1, a protein possessing in vitro peptidyl prolyl cis/trans isomerase activity, display striking resistance to rapamycin and show sensitivity to the DNA damaging agent 4-nitroquinoline 1-oxide. PTPA, the mammalian homolog of Rrd1, has been shown to activate protein phosphatase 2A. Our laboratory previously found that overexpression of PTPA leads to apoptosis independently of PP2A. At the outset of my thesis work, the molecular function of Rrd1/PTPA was largely unknown. My work has shown that Rrd1 is associated with the chromatin and interacts with RNA polymerase II. In vitro and in vivo analysis with circular dichroism revealed that Rrd1 mediates structural changes of the C-terminal domain of the large subunit of RNA pol II, Rpb1, in response to rapamycin and 4-nitroquinoline 1-oxide. Consistent with this, we demonstrated that Rrd1 is required to alter RNA pol II occupancy on rapamycin responsive genes. We also showed that upon rapamycin exposure Rrd1 mediates the degradation of RNA polymerase II and that this mechanism is ubiquitin-independent. Another part of my work was to gain insight into the function of PTPA, the mammalian counterpart of Rrd1. PTPA knockdown did not affect sensitivity to rapamycin, 4-nitroquinoline 1-oxide or H2O2. We also attempted to find protein interaction partners for PTPA using tandem affinity purification, but no stable partners for PTPA were found. We also demonstrated that overexpression of a catalytically inactive PTPA mutant did not induce apoptosis, indicating that PTPA activity is required to produce this effect. Finally, we attempted to study PTPA in a mouse model. We first determined that PTPA was expressed in a tissue-specific manner and was most abundant in bone marrow, thymus and brain. We pursued creation of a knockout mouse and successfully generated chimeras, but the mutated allele was not transmitted to the germline. My data and other data from our laboratory regarding the yeast work suggest a general role for Rrd1 in regulation of gene transcription. Whether PTPA has a similar function in mammalian cells remains unknown, and a different vision of what the protein does in mammalian cells will be required to adequately address this question in the future.