Le lactosérum est un coproduit de l'industrie de fabrication du fromage et de la caséine et se caractérise par une forte demande chimique et biologique en oxygène. Les énormes quantités de lactosérum générées dans le monde, sa composition particulière et son utilisation limitée dans l'industrie alimentaire rendent nécessaire la recherche d'autres moyens d'ajouter de la valeur à cet ingrédient en vue d'augmenter la rentabilité de la transformation du lait. Dans ce contexte, la technologie de l'électro-activation (EA) offre la possibilité de valoriser le lactosérum par la conversion in situ d'une partie du lactose en lactulose, un prébiotique bien connu et éprouvé. De plus, l'EA cathodique du lactosérum a montré une formation des bases de Schiff suite à la glycation avec différents sucres des protéines, des peptides et des acides aminés libres dans le processus d'électro-isomérisation du lactose en lactulose. Ces produits sont connus pour leur forte activité antioxydante. Ainsi, l'EA ouvre une possibilité de générer un ingrédient fonctionnel avec une valeur ajoutée significative. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce projet de doctorat était d'étudier et de démontrer la faisabilité technologique de l'utilisation du lactosérum électro-activé comme ingrédient fonctionnel à haut potentiel prébiotique dans la production de différents produits laitiers fermentés. La première étape de ce projet a été l'évaluation du comportement du lactosérum électro-activé dans la matrice de gel de lait fermenté. Une comparaison entre le pourcentage de matière grasse du lait, l'inoculum de lactosérum et le type de lactosérum a été effectuée. À cette fin, des échantillons de lait fermenté ont été préparés avec un ajout de 3, 6 et 9 % de lactosérum des deux types (électro-activé et non électro-activé). Il a été constaté que le lactosérum électro-activé prolongeait le temps d'obtention d'un pH de 4,6 en fonction de la quantité ajoutée. Ceci a été attribué à la capacité tampon plus élevée du lactosérum électroactivé; les résultats de l'acidité titrable ayant démontré des niveaux élevés de groupes acides libres. La microstructure du gel obtenu avec l'ajout du lactosérum électro-activé a montré une structure uniforme et moins poreuse, ce qui était en accord avec les résultats de la réduction de la synérèse. Pour confirmer ces résultats, un autre produit laitier fermenté avec un ajout de lactosérum électro-activé a été également développé. Le kéfir enrichi de lactosérum électro-activé présentait également une phase de fermentation prolongée. Les particules de lactosérum EA ont été incorporées de manière homogène dans la matrice du gel de kéfir. Par conséquent, aucune synérèse n'était visible dans les échantillons de kéfir additionnés de lactosérum EA à 9 %. De plus, les deux produits contenaient des niveaux élevés d'acides organiques (lactique, citrique, acétique, propionique et butyrique) lorsqu'ils étaient supplémentés avec du lactosérum EA. La production d'acide butyrique a été induite par l'ajout de lactosérum des deux types. L'analyse HPLC a révélé qu'environ 75-85% des niveaux initiaux de lactulose ont été conservés dans les produits avec du lactosérum EA après le processus de fermentation, ce qui démontre que la consommation de tels produits pourrait constituer une source de lactulose pour le consommateur. La deuxième étape de cette recherche a été d'optimiser l'utilisation du lactosérum électro-activé en tant qu'ingrédient par son incorporation dans le produit qui convient à sa couleur et aux caractéristiques de la réaction de Maillard et des conjugués entre les matières azotées avec les sucres. Le lait fermenté cuit, Ryazhenka, a été testé comme une matrice alimentaire appropriée pour véhiculer le lactosérum EA enrichi en lactulose. L'extension du temps de fermentation a été moins importante pour ce produit. Ainsi, le Ryazhenka additionné de lactosérum à 9% a atteint un pH de 4,6 après 4 h de fermentation. Le produit additionné de lactosérum EA (9%) a atteint ce niveau après 6,5 h. De plus, le lactosérum EA a amélioré la capacité antioxydante de Ryazhenka. Au cours de cette étape, nous avons démontré par des tests in vitro que l'électro-activation du lactosérum peut diminuer l'allergénicité de la β-lactoglobuline de 19,52 mg/kg à 7,56 mg/kg, qui s'est stabilisée à 12,13 mg/kg après neutralisation. Comme le protocole de production de Ryazhenka comprend une étape de cuisson de 3 à 5 h à 97-100°C, on considère qu'il présente des taux d'allergénicité plus faibles en raison des changements de conformation des protéines induits par la chaleur. Ainsi, l'ajout de lactosérum électro-activé ne contribue pas à l'augmentation de l'allergénicité de ce produit. Le troisième objectif de cette étude était de démontrer un potentiel prébiotique du lactosérum électro-activé en cultivant des bactéries probiotiques Lactobacillus rhamnosus subsp, Lactobacillus rhamnosus GG et Lactobacillus acidophilus ATCC4356. La densité optique(OD₆₀₀), le dénombrement sur plaques de Petri, la stabilité durant l'entreposage à 4 °C et la tolérance aux acides et à la bile des bactéries cultivées pendant 24 heures dans du lactosérum électro-activé ont été étudiés et comparés aux résultats obtenus par la culture sur du lactosérum, du lactosérum additionné de lactulose, du MRS et du MRS avec ajout de lactulose. Les valeurs OD₆₀₀ les plus élevées (>2) ont été obtenues dans les biomasses de lactosérum EA pour toutes ces bactéries. Cependant, les numérations sur plaque de Petri n'ont pas confirmé un nombre plus élevé de cellules bactériennes dans du lactosérum électro-activé. On peut donc conclure que le lactosérum électro-activé a probablement stimulé un métabolisme distinct chez les bactéries testées, ce qui est conforme à la définition des prébiotiques qui ont la particularité d'induire une stimulation de la croissance et/ou de l'activité des bactéries probiotiques afin de conférer des avantages pour la santé. En résumé, cette recherche a validé la faisabilité technologique de l'utilisation du lactosérum électro-activé comme ingrédient dans la production de lait fermenté et source de lactulose qui reste stable durant l'entreposage pendant 14 jours à 4 °C. Également, ce projet a montré que le lactosérum électro-activé est un ingrédient fonctionnel prometteur pour une éventuelle utilisation potentielle comme additif alimentaire fonctionnel et prébiotique dans l'industrie laitière. De plus, il peut être utilisé comme agent protecteur pour améliorer la viabilité et l'activité des probiotiques.

Les fibres et les protéines sont deux types de nutriments très recherchés par les consommateurs soucieux de leur santé mais qui engendrent des problèmes de texture et d’instabilité dans les produits alimentaires dans lesquels ils sont incorporés. En système mixte, ces deux macromolécules peuvent former des complexes par interactions électrostatiques associatives sous certaines conditions bien connues mais éloignées des matrices alimentaires et de la réalité industrielle. À ce jour, il y a très peu de travaux visant l’application des complexes protéine-polysaccharide dans des produits alimentaires. Dans cette thèse, les interactions entre des protéines de lactosérum et de la purée de bleuets, plus précisément la pectine, ont été étudiées dans le but de former des complexes protéine-pectine qui améliorent les propriétés fonctionnelles d’aliments et de boissons modèles enrichis en fibres et en protéines. Tout d’abord, des purées de plusieurs cultivars de bleuets ont été caractérisées, notamment en termes de teneurs en fibres et en pectine. Deux cultivars ont été retenus pour la suite des travaux, à savoir Patriot pour sa plus large production au Québec et Polaris pour sa richesse en fibres. Il a été montré que le degré de méthylation (DM) de leur pectine peut être diminué (< 50%) par l’application d’un blanchiment à basse température (LTB) sur la purée. Un plus bas DM correspond à une plus haute densité de charges globale, ce qui peut améliorer l’affinité de la pectine avec les protéines. Puis, un isolat de protéines de lactosérum a été ajouté dans des purées non chauffées et chauffées (LTB + pasteurisation). Cette fois-ci le blanchiment n’a pas réduit le DM et le chauffage a entrainé la solubilisation de la pectine hautement méthylée (DM > 70%). Quel que soit le cultivar, des complexes protéine-pectine insolubles ont été formés au pH acide du bleuet (pH 3,5) dans la purée non chauffée et ont contribué à augmenter la viscosité des mixtures résultantes. Dans la purée chauffée, le haut DM de la pectine et la plus grande quantité de pectine soluble ont probablement diminué l’affinité de cette dernière avec les protéines et ont pu accroitre la stabilité des complexes. Les mixtures non chauffées qui contenaient des complexes ont été utilisées pour formuler des smoothies et des barres de collation riches en fibres et en protéines. La pasteurisation finale des smoothies a renforcé la complexation et réduit leur taille de particules, ce qui a participé à diminuer leur viscosité, en comparaison avec des smoothies sans protéines de lactosérum. Pour les barres, les complexes ont augmenté leur dureté initiale notamment en raison d’une solubilisation plus lente au sein de la matrice, comparativement aux barres sans complexes. En revanche, ils ont contribué à ralentir la cinétique de durcissement au cours du temps expliquée par une meilleure stabilité de l’activité de l’eau des barres et probablement par une diminution de l’agrégation des protéines. L’ensemble de ces travaux a démontré qu’une matrice composée de protéines ajoutées à de la purée de bleuets est un ingrédient fonctionnel qui peut être facilement incorporé dans des formulations pour produire des aliments et boissons riches en fibres et protéines. Ces résultats ont mis en évidence que les complexes formés entre les protéines et la pectine de la purée ont un impact important sur les propriétés texturales et rhéologiques de ces produits. Ils constituent une approche originale et un nouvel appui au développement industriel d’aliments et de boissons fonctionnels enrichis à la fois en fibres et en protéines. / Fiber and protein are two nutrients highly desired by health-conscious consumers, however they cause texture and instability problems in the food products in which they are incorporated. In mixed systems, these two macromolecules may form complexes by electrostatic associative interactions under certain well-known conditions but far from food matrices and industrial reality. To date, there has been very little work on the application of protein-polysaccharide complexes in food products. In this thesis, interactions between whey proteins and blueberry puree, more specifically pectin, were studied in order to form protein-pectin complexes improving the functional properties of foods and beverages enriched in fiber and proteins. Firstly, purees of several blueberry cultivars were characterized, in particular in terms of fiber and pectin contents. Two cultivars were selected for the further work, namely Patriot for its larger production in Quebec and Polaris for its fiber richness. It was shown that the degree of methylation (DM) of their pectin can be decreased (< 50%) by applying a low-temperature blanching (LTB) onto the puree. A lower DM corresponds to a higher overall charge density, which may improve the pectin affinity toward proteins Then, whey protein isolate was added to non-heated and heated (LTB + pasteurization) purees. This time, blanching did not reduce DM and heating resulted in the solubilization of highly methylated pectin (DM > 70%). Regardless of the cultivar, insoluble protein-pectin complexes were formed at the acidic pH of blueberry (pH 3.5) in the non-heated puree and contributed to increase the viscosity of the resulting mixtures. In the heated puree, the high DM of pectin and the higher amount of soluble pectin probably decreased the pectin affinity toward proteins and increased the stability of the complexes. The non-heated mixtures that contained complexes were used to formulate smoothies and bars rich in fiber and protein. The final pasteurization of the smoothies enhanced complexation and reduced their particle size, which helped for reducing their viscosity, compared to the smoothies without whey proteins. For bars, complexes increased their initial hardness in particular because of a slower solubilization within the matrix, compared to bars without complexes. However, they contributed to slow kinetics of hardening over time, explained by a better stability of bar water activity and probably by a decrease in protein aggregation. All of this work demonstrated that a matrix composed of proteins added to blueberry puree is a functional ingredient that may be readily incorporated into formulations to produce foods and beverages rich in fiber and protein. These results show that the complexes formed between the proteins and the pectin in a puree have a significant impact on the textural and rheological properties of these products. They provide an original approach and new support for the industrial development of functional foods and beverages enriched with both fiber and protein.

Le but de ce projet était de développer la technologie d'électro-activation comme une approche novatrice pour la valorisation intégrale des constituants du lactosérum. Ce sous-produit est riche en composants de valeur avec des propriétés biologiques et fonctionnelles prometteuses. La première étape de ce travail visait à déterminer les conditions optimales pour la production du lactulose en utilisant le lactosérum comme source de lactose. Un rendement de 35% a été obtenu avec une pureté élevée à des températures de 0, 10 et 25°C et un court temps de réaction (≅ 40 minutes). En outre, l'analyse protéomique a révélé l'hydrolyse des protéines de lactosérum et la formation simultanée de produits de réaction Maillard aux propriétés antioxydantes élevées. La deuxième étape visait à élucider les mécanismes antioxydants qui régissaient les hydrolysats de protéines de lactosérum à réaction de Maillard (MRP-whey) et à caractériser leurs structures. L'effet antioxydant a été attribué à de multiples propriétés et pourrait être utilisé à la fois comme antioxydants primaires et secondaires. La structure moléculaire du MRP-whey a été caractérisée comme étant des bases de Schiff. De plus, des peptides bioactifs multifonctionnels, avec des propriétés biologiques ont également été identifiés. Dans la troisième étape, l'efficacité du lactosérum électro-activé (lactosérum-EA) possédant des propriétés prébiotique et antioxydante sur la croissance des bactéries probiotiques testées a été démontrée. Le lactosérum-EA avait comparativement un meilleur effet bifidogène que le lactulose. De plus, on a constaté que le lactosérum-EA produisait un effet protecteur sur L. johnsonii La-1 durant sa croissance en présence d'oxygène. Cet effet peut être lié, en partie, à la capacité du lactosérum-EA à éliminer le peroxyde d'hydrogène et à prévenir son accumulation dans le milieu de croissance. Les spectres FTIR ont montré que le lactosérum-EA empêchait l'oxydation des lipides de la membrane cellulaire en limitant le changement dans l'ordre structurel des acides gras. Dans l'ensemble, le lactosérum-EA comme prébiotique possédant une capacité antioxydante a un grand potentiel d'application, non seulement dans l'industrie laitière, mais aussi comme ingrédient fonctionnel avec diverses bioactivités et fonctionnalités. / The goal of this project was to develop the electro-activation technology as innovative approach for an integral valorization of whey constituents. This by-product is rich in valuable components with promising biological and functional properties. The first step of this work aimed to determine the optimal conditions of lactulose production using whey as a source of lactose and a yield of 35% was obtained with high purity under temperatures of 0, 10 and 25°C and short reaction time (≅ 40 minutes). Moreover, the proteomic analysis revealed the hydrolysis of whey proteins and simultaneous formation of Maillard reaction products with high antioxidant properties. The second step aimed to elucidate the antioxidant mechanisms that governed the Maillard-reacted-whey protein hydrolysates (MRPs-whey) and to characterize their structures. The antioxidant effect was ascribed to a multiple properties and could be used as both primary and secondary antioxidants. The molecular structure of the MRPs-whey was characterized to be Schiff base compounds. Additionally, multifunctional bioactive peptides, with biological properties were also identified. In the third step, the efficacy of electro-activated whey (EA-whey) as a combined prebiotic and antioxidant component on the growth of tested probiotic bacteria was demonstrated. The EA-whey was comparatively a better bifidogenic factor than lactulose. Additionally, EA-whey was found to elicit a protective effect on L. johnsonii La-1 during its growth in the presence of oxygen. This effect may be related, in part, to the ability of EA-whey to scavenge hydrogen peroxide metabolites and prevent its accumulation in the growth medium. FTIR spectra showed that EA-whey prevented the cell membrane lipids oxidation by limiting the change in the structural order of fatty acids. Overall, EA-whey as a prebiotic supplement possessing antioxidant capacity has great potential for application not only in the dairy industry but also as a functional food ingredient with potent bioactivities and functionalities.