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.

La biomasse lignocellulosique est au cœur du développement de la bioraffinerie de par l’intérêt de fractionner ses composants avec divers procédés pour la production de biocarburants, de molécules d’intérêt et de matériaux agro-sourcés. L’objectif de cette thèse visait à étudier la transformation des xylanes du son de blé en molécules tensio-actives (esters de pentoses). Cette transformation a été envisagée en deux étapes : une première étape d’hydrolyse du son de blé par des hémicellulases pour la production de xylose et d’arabinose, suivie d’une seconde étape d’acylation de ces glucides par une lipase pour accéder aux esters de pentoses. La thèse s’est principalement focalisée sur l’étude de la transestérification de D- xylose et de L-arabinose (purs ou issus d’un hydrolysat de son de blé) et du laurate de vinyle par la lipase immobilisée N435. L’influence de divers paramètres réactionnels a été étudiée. Des mono- et diesters lauriques de D-xylose et de L-arabinose, dont la structure a été caractérisée, sont produits par la lipase. Les propriétés physico-chimiques de ces esters lauriques de pentoses, originaux et nouvellement décrits, ont été évaluées et ont montré l’intérêt de ces molécules en tant que tensio-actifs. Une approche préliminaire a également été développée pour étudier la synthèse d’esters lauriques de xylo-oligosaccharides par la lipase N435. Nos résultats montrent que cette production a lieu mais qu’elle est moins efficace que dans le cas des monosaccharides. La transestérification catalysée par la lipase N435 reste dans ce cas à optimiser, de même que la purification et la caractérisation de ces esters lauriques de xylo-oligosaccharides. / Lignocellulosic biomass is at the center of biorefinery development. This development is achieved by the fractionation of the main components of lignocellulosic biomass (cellulose and hemicelluloses) in order to produce biofuels, molecules of interest and agromaterials.This PhD thesis had the objective to study the transformation of wheat bran xylanes into pentose based surfactants. A two steps system was studied, a first step of enzymatic hydrolysis of wheat bran with hemicellulases (to produce xylose and arabinose) and a second step of sugar acylation catalyzed by a lipase to produce pentoses based surfactants.The PhD thesis mainly focused on the transesterification of D- xylose and L-arabinose (pure or obtained from wheat bran hydrolysate) by the immobilized lipase N435 with vinyllaurate. Several parameters were studied. Lauryl mono- and diesters of D- xylose and L-arabinose were produced by the lipase and their structures were elucidated. Physico-chemical properties of the original and newly produced pentoses based esters were investigated and shown the surfactant potential of these molecules. A preliminary approach was also developed to study the enzymatic synthesis of lauryl xylo-oligosaccharides esters by the lipase N435. Our results showed that such a production is possible but is less efficient than with monosaccharides. The production by transesterification of xylo-oligosaccharides with the lipase N435 needs to be optimized as well as the purification and the characterization of lauryl xylo-oligosaccharides esters.

Parmi les méthodes alternatives respectueuses de l'environnement pour la lutte contre les ravageurs et la protection des cultures agricoles, les bioinsecticides à base de Bacillus thuringiensis sont les plus largement utilisés. L’activité insecticide de B.thuringiensis réside dans la production d’inclusions cristallines protéiques appelées δ-endotoxines qui sont formées au cours de la sporulation. En préalable à ces travaux, de nouvelles souches de B.thuringiensis ont été isolées du sol libanais et ont montré un potentiel insecticide élevé, supérieur à des souches classiquement utilisées. Dans le cadre du développement d'une production industrielle, au Liban, de biopesticides à base de ces souches de B.thuringiensis, ce travail a visé à optimiser la production des δ-endotoxines afin d'augmenter les rendements et de réduire les coûts de production. A l'échelle industrielle, le milieu de culture des bactéries représente une part importante du coût de production. Ainsi, l'effet, sur la concentration des δ-endotoxines, de substitution des sources synthétiques coûteuses d'azote, de carbone et de minéraux, par un sous-produit de la minoterie de blé (le son de blé) a été étudié. L’efficacité de ce sous-produit agro-industriel comme source complète de nutriments, disponible localement à faible prix, a été prouvée pour des fermentations submergées de deux souches différentes toxiques contre des diptères ou des lépidoptères. La comparaison du milieu son de blé à d’autres milieux (synthétiques ou non), classiquement utilisés en bibliographie, a montré que ce milieu présente de nombreux avantages en termes de productivité, de rendement relatif des δ-endotoxines et de coût. Parallèlement à ce travail, une méthode simple et rapide de purification des cristaux a été développée de façon à obtenir des cristaux protéiques purs à 99 % nécessaires comme standards pour le dosage des cristaux dans le milieu de fermentation. Un autre objectif du travail a été d’analyser l'effet de l'aération sur la cinétique de croissance et de sporulation d'une nouvelle souche de B.thuringiensis var kurstaki. Les différentes conditions d’aération testées en fermenteurs de 2 L, caractérisées par le coefficient volumétrique de transfert de dioxygène (KLa), ont permis de montrer l’importance de ce paramètre et de l’optimiser pour obtenir la meilleure productivité en biopesticides. Le meilleur rendement en protéines de toxines a été obtenu dans un milieu son de blé 6 % (masse/volume) dans des conditions d’aération correspondant à un KLa de 65,5 h-1 alors que la meilleure productivité des protéines de toxines a été atteinte dans le milieu 9 % pour un KLa de 102 h-1. Sur la base de cette étude, le dimensionnement de la production de B.thuringiensis à l’échelle 1000 L a été réalisé. L’unité de production a été construite et les premiers essais réalisés ont permis de produire de façon satisfaisante des lots de biopesticides. L’ajustement des protocoles industriels reste à faire. / Among the safe and environment friendly methods for the fight against pests and agricultural crops protection, Bacillus thuringiensis based biopesticides are the most widely used. The insecticidal activity of B. thuringiensis resides in the production of protein crystal inclusions called δ-endotoxins, which are formed during sporulation. Preliminary to this work, new B. thuringiensis strains were isolated from Lebanese soil and showed higher insecticidal potential than the conventionally used strains. As part of the development of an industrial production, in Lebanon, of biopesticides based on these strains of B.thuringiensis, this work aimed to optimize the production of δ-endotoxins to increase yields and reduce the cost of mass production. At industrial scale, the bacteria culture medium represents a significant part of the production cost. Thus, the effect on the concentration of the δ-endotoxins, of substituting expensive synthetic sources of nitrogen, carbon, and minerals, with a byproduct of wheat mill (wheat bran) was studied. The effectiveness of this agro-industrial by-product available locally at low prices, as complete source of nutrients, in submerged fermentations of two different strains of B.thuringiensis toxic against Lepidoptera and Diptera, has been proven. The comparison of the wheat bran medium to other mediums (synthetic or not), conventionally used in the bibliography, has shown that this medium this medium has many advantages in terms of productivity, relative yield of δ-endotoxins and cost. In parallel to this work, a simple and quick method of crystal purification was developed to obtain pure protein crystals to 99 % required as standards for the determination of crystals concentration in the fermentation medium. Another objective of the study was to analyze the effect of aeration on growth and sporulation kinetics of a new strain of B.thuringiensis var kurstaki. The different aeration conditions tested in fermenters of 2 L, characterized by the volumetric oxygen transfer coefficient (KLa), permitted to show the importance of this parameter and to optimize it to get the best biopesticides productivity. The best yield of toxin proteins relative to the wheat bran ratio in the culture medium was obtained in the 6 % (weight/volume) medium in aeration conditions corresponding to a KLa of 65.5 h-1, while the highest productivity of toxin proteins has been reached in the 9 % medium for KLa of 102 h-1. On this study basis, the scale up of B. thuringiensis production was performed in a bioreactor of 1000 L. The production unit was built and the first tests carried out have produced satisfactory batches of biopesticides. Industrial protocols are still to be adjusted.

La fermentation en milieu solide est un bioprocédé pouvant éventuellement être utilisé comme technologie de rupture pour diminuer le coût des biocatalyseurs utilisés dans la conversion de biomasse lignocellulosique comme le son de blé. La première partie de ces travaux de recherche a donc étudié le potentiel de cette technologie par rapport à celle de fermentation en milieu submergé lors d'une comparaison en application. Plusieurs tests de saccharification ont ainsi été réalisés sur différentes matières premières (cellulose, son de blé) et ont permis de montrer l'avantage différentiateur des biocatalyseurs produits par fermentation en milieu solide. Ensuite, la deuxième partie de ces travaux de recherche a porté sur l'étude des facteurs de la récalcitrance du son de blé à l'hydrolyse enzymatique. Deux principaux facteurs ont ainsi pu être démontrés : un facteur physique, lié à l'accessibilité des biocatalyseurs aux polysaccharides, et un facteur biochimique, lié à l'absence ou à la faible présence de certaines activités enzymatiques (féruloyl estérase,…) dans le complexe enzymatique de Trichoderma reesei Rut-C30. Cette étude a également permis d'identifier l'origine des différentes fractions glucidiques hydrolysées et de déterminer le potentiel glucidique actuellement hydrolysable à partir de cette biomasse. Enfin, la dernière partie de ces travaux de recherche a été consacrée à l'étude pratique d'un concept innovant de procédé permettant de favoriser la conversion des polysaccharides contenus dans le son de blé. Une levée de la barrière physique au transfert de masse et par conséquent une validation de ce concept a finalement pu être réalisée. / Solid-state fermentation is a bioprocess that can optionally be used as disruptive technology to reduce the cost of biocatalysts used in the lignocellulosic biomass conversion like wheat bran. The first part of this research has explored the potential of this technology compared to submerged fermentation in an application comparison. Several saccharification tests have thus been carried on different feedstocks (cellulose, wheat bran) and have shown the differentiator advantage of biocatalysts produced by solid state fermentation. Then, the second part of this research has investigated the recalcitrance factors of wheat bran to enzymatic hydrolysis. Two main factors have thus been demonstrated: a physical factor, related to the accessibility of biocatalysts to the polysaccharides, and a biochemical factor, related to the absence or the low presence of some enzymatic activities (feruloyl esterase, ...) in the enzymatic complex of Trichoderma reesei Rut-C30. This study has also identified the origin of the various carbohydrate moieties hydrolyzed and has determined the carbohydrate potential currently releasable from this biomass. Finally, the last part of this research has been devoted to the practical study of an innovative concept of process to promote the conversion of polysaccharides in wheat bran. A removal of the physical barrier to mass transfer and therefore a validation of this concept has finally been achieved.

Le son et la paille de blé, riches en hémicelluloses, sont deux co-produits de la récolte de blé, abondants et renouvelables, mais qui restent à mieux valoriser. Dans le but d'extraire ces hémicelluloses, possédant plusieurs propriétés intéressantes (filmogènes, épaississantes, émulsifiantes, stabilisantes…), un procédé de fractionnement a été élaboré. Ce procédé consiste, après extraction alcaline, en la purification des extraits hémicellulosiques obtenus. Deux techniques ont été appliquées : l'ultrafiltration et la chromatographie sur résine échangeuse d'anions. L'ultrafiltration a permis de concentrer les extraits d'hémicelluloses et de les purifier en éliminant dans le perméat la plupart des molécules contaminantes, essentiellement les sucres libres et les sels minéraux. Les principales limitations de cette étape étaient la viscosité des extraits et les phénomènes de polarisation de concentration et de colmatage des membranes. La percolation sur résine, quant à elle, a permis de décolorer les extraits et de produire des poudres d'hémicelluloses plus claires en fixant certaines molécules colorées telles que les molécules possédant des groupements phénoliques. La combinaison des deux techniques a permis de produire des hémicelluloses pures à 60%. L'extrapolation du procédé à l'échelle pilote par l'utilisation d'un extrudeur bi-vis a permis d'obtenir des poudres d'hémicelluloses pures à 40%. / Wheat bran and wheat straw are two by-products abundant and renewable, rich in hemicelluloses, but still not well valued. In order to extract these hemicelluloses characterized by their several interesting properties (film-forming, thickening, emulsifying, stabilizing…), a fractionation process was developed. This process consisted, after alkaline extraction, to purify the hemicellulosic extracts obtained. Two techniques were used: ultrafiltration and chromatography on anion exchange resin. The ultrafiltration allowed to concentrate the extracts and to purify them by removing in the permeate, the contaminating molecules, mostly free sugars and minerals. The main limiting factors of this stage were the extracts viscosity and the fouling of the membranes. The percolation on the resin discoloured the extracts and allowed to produce hemicellulosic powders with lighter colours and that by capturing the coloured compounds such as molecules with phenolic groups. The combination of the two techniques allowed the production of purified hemicelluloses; the purity was about 60%. The extrapolation of the process at a pilot scale using a twin-screw extruder allowed to obtain hemicelluloses with a purity of 40%.