La présente recherche a eu comme objectif principal d'identifier le meilleur procédé de préparation des surfaces du bois d'érable à sucre pour fins de vernissage. Le procédé traditionnel de ponçage de même que le rabotage oblique avec couteau fixe et barre de pression et le rabotage périphérique hélicoïdal ont été étudiés. La possibilité de substitution complète ou partielle du ponçage par les autres procédés a été ensuite analysée. Le dispositif expérimental fut divisé en quatre étapes: les trois premières ont servi à optimiser chaque procédé d'usinage par rapport à la qualité de surface du bois, tandis que la quatrième a servi à comparer les procédés par rapport à leur aptitude au vernissage. La qualité de surface a été évaluée en fonction des caractéristiques de rugosité, de mouillabilité et d'endommagement cellulaire. Les meilleures conditions d'usinage rencontrées dans les trois premières étapes furent les suivantes: la coupe oblique à 0,25 mm de profondeur, à 25º d'angle d'attaque et aux angles obliques de 30º et de 50º; le rabotage hélicoïdal perpendiculaire au fil à 0,50 mm de profondeur de coupe et aux vitesses d'avance ajustées pour 14 et 17 traces de couteau par 25,4 mm de longueur rabotée; et le ponçage à l'aide de l'oxyde d'aluminium à une vitesse d'avance de 14 m/min et aux grosseurs finales de grain de 100 et de 150. Ces conditions furent testées lors de la quatrième étape, où on a revêtu les surfaces avec un vernis polyuréthane. La qualité du revêtement fut alors jugée à l'aide des essais de résistance à l'adhésion et d'un vieillissement accéléré. Le ponçage et le rabotage hélicoïdal perpendiculaire au fil ont produit des surfaces sans défauts visibles, tout en procurant la meilleure adhésion du revêtement avant le vieillissement. Ces surfaces ont toutefois subi une perte d'adhésion suite au vieillissement accéléré. En revanche, ce vieillissement n'a pas affecté l'adhésion des surfaces préparées à l'aide de la coupe oblique avec barre de pression. Ainsi, l'adhésion après vieillissement fut similaire pour les trois procédés d'usinage. Cependant, le vieillissement a détérioré davantage les échantillons rabotés par coupe hélicoïdale que ceux poncés. On a conclu que la coupe oblique et le rabotage hélicoïdal pourraient réduire la dépendance au ponçage. / The main objective of this research was to identify the best machining method to prepare sugar maple wood surfaces to varnishing. Conventional sanding, as well as the fixed-oblique-knife pressure-bar cutting and the peripheral helical-knife planing were studied. The possibility of complete or partial substitution of sanding by these other methods was then evaluated. The experiment was divided in four stages: the first three stages aimed to optimize each surfacing method in terms of wood surface quality, while the fourth stage was intended to compare these methods in terms of their aptitude for coating. The surface quality was evaluated based on roughness characteristics, wetting properties and cell damage. The best conditions found in the first three stages are described as follows: oblique cutting at 0.25-mm cutting depth, 25º rake angle, and 30º and 50º oblique angles; cross-grain helical planing at 0.50-mm cutting depth and feed speeds set to 14 and 17 knife marks per 25.4 mm of planed length; and sanding with aluminum oxide at 14 m/min of feed speed, and final grit sizes of 100 and 150. These conditions were tested in the fourth stage of the experiment, in which surfaces were coated with a polyurethane varnish. The quality of the coating films was then assessed by pull-off adhesion tests and by an accelerated aging treatment. Sanding and cross-grain helical planing produced surfaces with no visible defects and yielded the best pull-off adhesion before aging. However, these surfaces underwent a loss of adhesion during aging. On the other hand, the accelerated aging did not affect the adhesion in the oblique-knife pressure-bar cut surfaces. As a result, the pull-off adhesion measured after aging was similar for the three surfacing methods. However, the accelerated aging caused more coating deterioration in cross-grain helical-planed than in sanded samples. Results allow to conclude that oblique cutting and helical planing could reduce the need for sanding.

Les forêts du sud-ouest de la province de Québec, Canada, sont riches en essences feuillues dites nobles telles que le bouleau jaune (Betula alleghaniensis) et l’érable à sucre (Acer saccharum). Leur exploitation antérieure a généralement été basée sur une coupe à diamètre limite visant la récupération des billes de grande valeur. Une telle pratique, avec le temps, a amené une diminution générale de la vigueur des arbres sur pied en forêt. La réglementation actuelle oblige les exploitants forestiers à récolter préférentiellement les arbres de faible vigueur de manière à rétablir la qualité des forêts. Ces arbres de faible vigueur, souvent de faible qualité, possèdent généralement une faible valeur économique. La pertinence de l’ajout d’une étape d’extraction chimique à l’éthanol des tissus de bois et de l’écorce dans les procédés de transformation de la matière déjà existants a été étudiée dans ce mémoire. Plus spécifiquement, les travaux visaient à évaluer le potentiel d’une telle stratégie appliquée à la transformation des arbres de faible vigueur. Du bois et de l’écorce provenant d’arbres vigoureux (références) et non-vigoureux mourants (infectés par des champignons ou séchant du houppier) ont été extraits à l’éthanol à l’aide de deux méthodes différentes : par macération et par extraction assistée aux ultrasons. D’une part, les extraits ont été étudiés pour leur contenu en polyphénols (phénols totaux, taux de proanthocyanidines, de flavonoïdes et d’acides hydroxycinnamiques) et en triterpènes et phytostérols. D’autre part, les tissus ont été étudiés avant et après extraction pour leur pouvoir calorifique supérieur, leur composition chimique organique, leur contenu en cendres, ainsi que la composition chimique des cendres. Bien qu’une variation soit observée entre les différents arbres, les extractions n’affectent pas les capacités de combustion des tissus. Elles peuvent en outre constituer un apport notable de polyphénols, de triterpènes et de stérols possédant un potentiel économique dans les domaines nutraceutique, pharmaceutique ou cosméceutique, et ce, peu importe la vigueur des arbres à la source des tissus ou la méthode d’extraction utilisée. L’extraction du bois et de l’écorce de bouleaux jaunes et d’érables à sucre de faible vigueur peut donc être envisagée dans une stratégie de transformation à valeur ajoutée de la ressource. / Forests of South-West Québec, Canada, are rich in yellow birch (Betula alleghaniensis) and sugar maple (Acer saccharum). Past forest practices were aiming to harvest the superior quality and higher value logs via selective cuttings, which resulted in a decrease of the general vigor of the trees left standing in the forests. Current regulations require the foresters to harvest preferentially low vigor trees in order to restore the quality of the forests. These low vigor trees, which are often less suitable for value-added products such as flooring or furniture, are also generally of a low economic value. The addition of an ethanolic extraction of the wood and bark tissues to a currently applied processing approach was studied in order to assess its feasibility with trees of different vigor. Wood and bark tissues were collected from vigorous (references) and non-vigorous dying trees (fungus infected or with very poor foliage) and were extracted with ethanol using two different methods: maceration assisted and an ultrasound assisted extraction. The extracts were characterized for their total phenols, proanthocyanidins, flavonoids, hydroxycinnamic acids, triterpenes and phytosterols content. Tissues were characterized before and after extraction for their calorific value, organic composition, ash content and ash mineral composition. While much variation was observed between trees, the ethanolic extractions did not affect the combustion properties of the tissues, while bringing a significant contribution in polyphenols, triterpenes and phytosterols - all molecules having potential applications in nutraceutics, pharmaceutics or cosmeceutics - no matter the vigor of the tree at the source of the tissues or the extraction method employed. The ethanolic extraction of wood and bark coming from low vigor yellow birch and sugar maple can be considered as a mean to add value to the resource.

La coloration du bois pendant le séchage diminue la qualité et la valeur du produit fini, augmente les coûts de production et diminue le rendement matière. C’est un processus complexe qui est difficile à prédire. Le développement d'un modèle de changement de couleur du bois en cours de séchage peut donc favoriser l’économie de temps et de matière première. Deux séries de six essais ont été effectuées dans cette étude sur l’aubier du bouleau à papier et de l'érable à sucre afin de mesurer le changement de couleur du bois pendant un séchage conventionnel à trois niveaux différents de température sèche (40, 60 et 80°C) et deux niveaux de dépression au thermomètre humide (4 et 15°C). Les données de ces essais ont conduit au développement de modèles statistiques du changement de l’indice de clarté L* pour chaque espèce, séparément pour la surface et l’intérieur du bois, en utilisant des modèles de régression mixte avec la planche considérée comme effet aléatoire. Deux types de modèles ont été développés, soit en considérant les trois températures sèches (40, 60 et 80°C) d’une part, et les deux températures les plus élevées seulement (60 et 80°C) d’autre part. Finalement, les modèles statistiques furent combinés à un modèle existant de transfert de masse et de chaleur (DRYTEK) afin de simuler les changements de couleur pour tout autre programme spécifique de séchage à moyenne température. Les paramètres du modèle numérique de transfert de masse et de chaleur ont été mesurés préalablement pour les deux espèces. Les modèles statistiques et les modèles intégrés de changement de couleur furent enfin validés en réalisant pour chaque espèce un essai indépendant de séchage à une température sèche de 70°C et à une dépression au thermomètre humide de 10°C. Les résultats des essais de mesure de couleur aux températures de 60 et 80°C montrent que les valeurs de L* des deux espèces à l’intérieur de la planche diminuent rapidement avec une diminution de la teneur en humidité (M) jusqu’au point de saturation des fibres. Par la suite, les valeurs de L* diminuent lentement jusqu'à 15 - 25% M où celles-ci peuvent même commencer à augmenter. Le changement de couleur du bois à 40°C est très faible ou inexistant. Les valeurs de L* à la surface de la planche diminuent également de façon substantielle avec la diminution de la teneur en humidité, exception faite à 40°C. Pour l’ensemble de l’épaisseur du bois, plus élevée est la température de séchage, plus grande est la diminution des valeurs de L*. Réciproquement, plus forte est la dépression au thermomètre humide, plus faible est le changement de couleur à une température sèche donnée. Les composantes a* et b* montrent un comportement similaire à L* par rapport aux variations de la température de séchage et de la dépression au thermomètre humide. Par contre, les valeurs de a* et b* augmentent avec la teneur en humidité au lieu de diminuer. La comparaison des valeurs de L* obtenues des modèles statistiques de prévision avec les valeurs de L* mesurées expérimentalement à partir des essais de validation montre une très forte similarité des deux types de résultats dans le cas de l'érable de sucre. Pour le bouleau à papier, un écart important est observé entre les valeurs prédites et mesurées au-dessus du point de saturation des fibres. La relation teneur en humidité-potentiel hydrique mesurée expérimentalement montre que le potentiel hydrique augmente avec la température à une teneur en humidité donnée. Pour les deux espèces, un plateau caractéristique est observé dans la gamme de potentiels hydriques entre -2000 et -6000 J kg-1. Tel que prévu, la conductivité hydrique effective augmente avec le contenu d'humidité et la température, et elle est plus élevée en direction radiale qu’en direction tangentielle. Le coefficient de transfert convectif de masse augmente avec la température de séchage à une dépression au thermomètre humide donnée, alors qu’il diminue avec la dépression au thermomètre humide à une température de séchage donnée. Finalement, la comparaison des mesures de changement de couleur au cours des essais de validation avec les valeurs simulées à partir des modèles statistiques combinés au modèle de transfert de masse et de chaleur montre une évolution des valeurs de L* très similaire dans le cas de l’érable à sucre. À l’instar des modèles statistiques, un écart important existe entre les deux types de résultats pour le bouleau à papier dans la première partie du séchage. / Wood discoloration during drying is diminishing quality and value of end product, increasing production costs and decreasing yield. Wood discoloration during drying is a complex process which is difficult to predict. The development of a wood color model can save material and time by simulating color changes for any specific drying conditions. A set of six experiments were performed in this study on paper birch and sugar maple sapwood to measure wood color changes during conventional drying at three different levels of dry-bulb temperature (40, 60 and 80˚C) and two levels of wet-bulb depression (4 and 15˚C). Statistical wood color models for lightness L* were proposed for each species, both for the wood surface and through the board thickness, to predict the wood color changes during conventional drying using mixed regression models with the board sample taken as the random effect. Three temperature (3T) (40, 60 and 80˚C) and two temperature (2T) (60 and 80˚C) models were developed. Finally, the statistical wood color models were integrated into an existing heat and mass transfer numerical model (DRYTEK) in order to simulate, for any conventional dynamic wood drying schedule, wood color changes on the surface and through the board thickness. The numerical model parameters (moisture content-water potential relationship, effective water conductivity, convective mass transfer coefficient) were experimentally determined for paper birch and sugar maple at the three drying temperatures. Both types of wood color predictive models were then validated by means of an independent drying run conducted at the dry-bulb temperature of 70°C and the wet-bulb depression of 10oC. The results of the wood color measurement tests show that at the dry-bulb temperatures of 60 and 80˚C, the L* values of both species below the surface decrease rapidly with a decrease of the moisture content (M) from the green state to the fiber saturation point. Then, the L* values decrease slowly until about 15 - 25% M where they may even start to increase. Wood color changes at 40˚C were found very small, either positive or negative. The L* values at the surface also decrease as the moisture content decreases and, except for the temperature of 40oC, the changes in color increase with the drying temperature. In general, the higher is the dry-bulb temperature, the greater is the decrease of the L* values through the board thickness. Conversely, the higher is the wet-bulb depression at a given dry-bulb temperature, the smaller are the color changes. The color components a* and b* follow a similar behavior as L* with respect to drying temperature and wet bulb depression. However, contrarily to the L* values, the a* and b* values increase with a decrease of M. The comparison of the predicted L* values obtained from the statistical models with the experimental L* values obtained from the validation tests shows a very good agreement between both types of results in the case of sugar maple. For paper birch, a fairly large discrepancy is observed during the first part of drying between predicted and experimental results but a better agreement is found at the end of drying. The results of the moisture content-water potential relationship determination show that the water potential increases with temperature at a given moisture content. A characteristic plateau was found in the water potential range of -2,000 and -6,000 J kg-1. As expected, the effective water conductivity increases with moisture content and temperature and it is higher in the radial direction than in the tangential direction. The convective mass transfer coefficient increases with dry-bulb temperature at a given wet-bulb depression, whereas it decreases with an increase of web-bulb depression at a given dry-bulb temperature. Finally, the comparison of the wood color measurements during the validation tests on paper birch and sugar maple with the wood color values simulated with the integrated statistical/numerical models shows a very good agreement between both types of results in the case of sugar maple. As it was observed for the statistical models, the fit was poorer in the case of paper birch, especially above the fiber saturation point where the initial moisture content seems to be an important factor in the color changes behavior of wood during drying.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Résidu généré en fortes quantités par l’industrie forestière, l’écorce est principalement valorisée par combustion pour la production d’énergie. Pourtant, des projets de bioraffineries sont en développement croissant pour proposer de nouvelles voies de valorisation telle que l’extraction. L’écorce pouvant contenir des molécules extractibles potentiellement bioactives en quantités appréciables, les industries agro-alimentaire, cosmétique et pharmaceutique s’intéressent de près à de telles initiatives. Cette vaste gamme de composés bioactifs propose en effet des alternatives séduisantes à des ingrédients de synthèse de moins en moins prisés. De tels extractibles démontrant des activités antioxydantes, antibactériennes, anti-cancer ou encore anti-inflammatoires ont été isolés au sein de l’écorce des deux essences d’érables, Acer rubrum L. (érable rouge) et Acer saccharum Marsh. (érable à sucre). Ces hétérosides phénoliques ainsi que d’autres extractibles d’intérêt sont susceptibles d’être extraits à l’eau, un solvant vert apprécié pour des applications finales ayant trait à la santé humaine. La thèse présentée s’intéresse donc à la valorisation de l’écorce de l’érable rouge et de l’érable à sucre par récupération et caractérisation d’extractibles hydrosolubles potentiellement antioxydants. Le premier axe de la recherche est centré sur l’optimisation d’un procédé d’extraction à l’eau chaude. En variant les paramètres de granulométrie de l’écorce, de température, de durée de l’extraction et de ratio écorce/solvant, le but a été d’obtenir des valeurs optimales de rendement, teneur en phénols totaux, capacité antioxydante et consommation énergétique estimée. Partant des résultats obtenus, les conditions suivantes : granulométrie de 250–500 μm, température de 90°C, durée de 1 h, ratio écorce/solvant de 1/10, ont été jugées pertinentes pour une mise à l’échelle. Ainsi, des traitements post-extraction ont été investigués à échelle laboratoire pilote pour la production d’extraits secs. Combinant plusieurs méthodes de concentration (osmose inverse, évaporation sous vide) et de séchage (atomisation, lyophilisation), ces traitements ont été évalués selon différentes variables réponses : récupération de l’extrait, capacité antioxydante, teneurs en protéines, en composés phénoliques, en sucres totaux et énergie nécessaire aux opérations unitaires des différents procédés. Pour les extraits des deux essences d’érable, les combinaisons osmose inverse/atomisation et osmose inverse/lyophilisation se sont avérées les plus prometteuses. De qualité supérieure en termes d’antioxydants phénoliques, l’extrait d’écorce d’érable rouge lyophilisé a été choisi pour l’investigation de tels composés par criblage antioxydant. L’approche basée sur des techniques couplant test antioxydant in vitro au radical DPPH et séparation chromatographique par HPLC a permis de mieux comprendre les mécanismes radicalaires en présence des dérivés galloyl-glucitols de l’érable rouge. Le phénomène d’auto-oxydation mis en évidence chez ces dérivés testés purs n’a pas été observé lorsque ceux-ci ont été évalués dans des mélanges tertiaires ou directement dans l’extrait. L’effet de mixture/matrice associé à ce comportement a orienté la suite des travaux vers l’étude de fractions de composés plutôt que vers l’isolement de composés purs. Pour cela, la technique d’ultrafiltration a été investiguée pour la production de fractions concentrées. Ce dernier volet a donc permis d’explorer des classes de composés peu, voire non étudiés au sein des deux érables (protéines, tannins). Même si les résultats demeurent préliminaires, la caractérisation des tannins a révélé certaines similarités chez les deux essences, à savoir la présence de tannins de type proanthocyanidine en quantités comparables. En termes de différences, contrairement à l’érable à sucre, l’érable rouge semble riche en gallotannins de hautes masses moléculaires. Toutefois, des analyses complémentaires seraient nécessaires pour confirmer ce résultat. Au final, cette thèse fournit une base substantielle pour l’établissement d’une voie de valorisation viable des extractibles des écorces d’érable rouge et d’érable à sucre. Elle propose un défrichage des principales problématiques intrinsèques à la production d’extraits pour des applications alimentaire, cosmétique ou pharmacologique. Si les connaissances des composés présents dans l’écorce d’érable ont été améliorées, de nombreuses étapes restent nécessaires à la création d’une filière de bioraffinerie pérenne. Pour aller dans ce sens, la suite de la recherche prévoit, entre autres, des tests de toxicité et d’activités in vivo, ainsi que l’étude de l’intégration des extraits dans des matrices alimentaires. / Bark is a high-volume residue from the forest industry that is mostly incinerated for its calorific value. However, biorefineries are increasingly gaining importance by providing new alternatives, such as solvent extraction. As bark is usually rich in extractives susceptible to exhibit bioactivities, agro-food, cosmetic and pharmaceutical industries keep a close eye on such opportunities. This high diversity of bioactive natural compounds in extracts provides a valuable substitute to synthetic ingredients, currently losing popularity. Phenolic extractives associated to antioxidant, antibacterial, anti-cancer or anti-inflammatory activities have been found in red maple (Acer rubrum L.) and sugar maple (Acer saccharum Marsh.) bark. In addition to other promising extractives, these phenolic glycosides could be recovered using water. This non-toxic extraction solvent is usually privileged for human-health related applications. This thesis investigates the valorisation of red maple and sugar maple bark by recovery and antioxidant characterisation of their water-soluble extractives. First, the research was focused on hot-water extraction optimisation. By varying several parameters (particle size of bark, extraction temperature and duration, bark/solvent ratio), optimal values were determined in terms of extraction yield, phenolic content, antioxidant capacity and estimated energy consumption. From these results, a 250–500 μm particle size, 90°C temperature, 1 h duration and a 1/10 bark/water ratio were found relevant for a scale-up. Therefore, post-extraction treatments were investigated at semi-pilot scale aiming to produce dry extracts. Combining concentration (reverse osmosis, vacuum evaporation) and drying (spray-drying, freeze-drying) methods, treatments were evaluated based upon several response variables: extract recovery, antioxidant capacity, protein, phenolic and carbohydrate contents and power consumption induced by the operation units of the process. In regards to these variables, extracts from both maple species seemed more potent when processed using reverse osmosis, associated to spray-drying or freeze-drying. The higher potential in terms of antioxidant phenolics determined for the red maple bark extract obtained using reverse osmosis and freeze-drying led us to perform antioxidant screening on this extract. An approach based on in vitro DPPH radical scavenging test associated to HPLC separation allowed for a better understanding of radical scavenging mechanisms related to galloyl-glucitol derivatives from red maple. Autoxidation of these compounds tested individually was not observed when evaluated in a tertiary mixture or in the crude extract. This mixture/matrix effect helped us define the next step as a study focusing rather on the production of fractions than on the isolation of pure compounds. To this end, ultrafiltration was studied as a tool for extract fractionation. Thus, this last part of the project allowed us to explore different classes of compounds in both sugar and red maple (proteins, tannins), which have rarely been studied. Although preliminary, the obtained results indicated the similarities between the characteristics of tannins found in both species i.e. proanthocyanidins in comparable amounts. However, only the high molecular fraction form red maple bark extract seemed to contain substantial amounts of high-molecular-weight gallotannins. Supplementary analyses would be required to confirm this result. To conclude, this thesis provides solid information to promote the extraction of red and sugar maple bark at a commercial level. This work offers valuable findings and insights about extract production for application in foods, cosmetics or pharmaceutics. The results obtained help enhance the knowledge about maple bark phytochemicals. Yet, further studies would be required before creating a sustainable biorefinery project based on maple bark. Such investigations, including in vivo toxicity, activity testing, as well as studies about food enrichment using maple extracts are planned for the continuation of this research.

L’augmentation en dominance du hêtre à grandes feuilles (Fagus grandifolia Ehrh.) jumelée à la diminution de l’érable à sucre (Acer saccharum Marsh.) en régénération menace la viabilité économique des forêts feuillues nordiques aménagées. En se basant sur l’hypothèse que l’augmentation de la disponibilité de la lumière pour la régénération favoriserait l’érable à sucre, la coupe progressive irrégulière est passée d’une mise en oeuvre expérimentale à opérationnelle à grande échelle au cours de la dernière décennie. Nous avions comme objectif de vérifier si des variantes de coupes partielles, telles que la coupe de jardinage et la coupe progressive irrégulière, faites dans un contexte industriel, avaient tendance à favoriser la régénération de l’érable à sucre au détriment de celle du hêtre. Nous avons mesuré le coefficient de distribution, l’abondance et la croissance de la régénération dans des coupes industrielles âgées de trois à six ans dans la forêt feuillue du Québec, Canada. Le suivi de la régénération a per mis de démontrer une indéniable dominance du hêtre à grandes feuilles, tout type de coupe confondu, particulièrement chez les grands semis et gaules. Cependant, dans certaines conditions, les indices de probabilités de transition (combinant la croissance et l’abondance relative) de l’érable à sucre pouvaient être légèrement favorisés par l’augmentation du prélèvement en surface terrière, dans certaines conditions. En se basant sur le coefficient de distribution et la surface terrière marchande du hêtre avant la coupe, nous avons proposé de nouveaux critères pour aider à décider dans quelles situations une augmentation de l’intensité de la coupe partielle permettrait de favoriser significativement la régénération de l’érable à sucre. Au-delà de ces résultats, l’étude met en lumière l’importance de raffiner le processus de diagnostic et les prescriptions sylvicoles de nos forêts feuillues afin de limiter efficacement l’expansion du hêtre à grandes feuilles.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Dans les forêts de feuillus nordiques, les traitements sylvicoles visant à régénérer l'érable à sucre (Acer saccharum Marsh.) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britt.), tels que le scarifiage du sol et le contrôle mécanique de la végétation compétitrice, résultent parfois en la formation d'une dense strate de hêtre à grandes feuilles (Fagus grandifolia Ehrh.). L'objectif de ce mémoire était de comparer la croissance et la survie de trois types de régénération de hêtre, soit les rejets de souche, les drageons racinaires et les semis, à celles de semis de bouleau jaune et d'érable à sucre dans des peuplements feuillus traités par coupe partielle et sous une contrainte de broutement par le cerf de Virginie. Sur une période de huit ans, 997 individus des trois espèces ont été suivis dans trois peuplements composés principalement d'érable à sucre, de bouleau jaune et de hêtre dans un dispositif expérimental situé à la station forestière de Duchesnay, près de Québec. Chaque peuplement comprenait quatre traitements de coupes partielles, de même qu'un témoin, ce qui a permis d'étudier un gradient de conditions de lumière et de compétition. Les rejets de souche et les drageons de hêtre ont montré une croissance plus élevée que les semis des trois espèces, alors que tous les types de hêtre ont montré des probabilités de survie plus importantes que les autres espèces, quelles que soient les conditions de lumière ou de compétition. Nos résultats indiquent que les traitements stimulant l'établissement de rejets de souche et de drageons de hêtre doivent être appliqués avec prudence et dans des conditions qui garantissent une croissance et des taux de survie suffisants des espèces désirées. Cette étude suggère également que le broutement sélectif par le cerf de Virginie est un facteur important pouvant exacerber le phénomène d'envahissement par le hêtre en supprimant la capacité de croitre en hauteur du bouleau jaune. / In northern hardwood forests, silvicultural treatments aimed at regenerating sugar maple (Acer saccharum Marsh.) and yellow birch (Betula alleghaniensis Britt.), such as soil scarification and mechanical control of competing vegetation, often result in the formation of dense American beech (Fagus grandifolia Ehrh.) thickets in the seedling and sapling layers. The aim of this Master's thesis was to compare the growth and survival of three types of beech regeneration, i.e. stump sprouts, root suckers and seedlings, with those of yellow birch and sugar maple seedlings in partially harvested stands under cervid browsing pressure. Over an eight-year period, 997 individuals of the three species were monitored in three stands composed mainly of sugar maple, yellow birch, and American beech in an experimental field trial in the Duchesnay Forest, located near Quebec City, Canada. Each stand included four partial harvest treatments of different intensities, as well as a control, providing a gradient of light and competition conditions. American beech stump sprouts and root suckers showed higher growth than seedlings of all three species, and all types of American beech regeneration showed higher survival probabilities than the other species, regardless of light or competition conditions. Our results suggest that treatments that induce the establishment of American beech stump sprouts and root suckers, like high intensity partial cut combined with soil scarification and mechanical control, should be applied with caution and under conditions that ensure sufficient growth and survival rates of the desired species. This thesis also suggests that selective browsing by cervids is an important factor that can exacerbate the phenomenon of dense beech thickets formation in the seedling and sapling layers by suppressing the yellow birch's ability to grow in height.

La tendance croissante des consommateurs à rechercher des sources alternatives d’aliments sains et naturels a incité l’industrie à rechercher des sources uniques, notamment à base de plantes. Le sirop d'érable, obtenu à partir de la sève d’érable à sucre et d’érable rouge, est largement consommé comme aliment ingrédient. De plus, les Premières nations utilisaient les écorces de ces espèces comme médicaments traditionnels et les consommaient sous forme d’infusion ou de thé. Avec l'industrialisation et l'utilisation intensive de produits forestiers, de grandes quantités de résidus d'écorce provenant de l’industrie sont devenues disponibles. Environ 17 millions de m3 d'écorce sont produits chaque année au Canada, dont une fraction seulement sert à la production d’énergie par combustion et le reste est mis en décharge comme déchet. D'autre part, les industries acéricoles subissent un sérieux fardeau économique en raison de l'accumulation annuelle d'un sirop de qualité inférieure en tant qu'excédent. Ce dernier représente environ 21 à 38% de la production totale de sirop par an. Dans ce contexte, ce projet doctoral s'est focalisé sur la valorisation de l'écorce de l’érable et du sirop excédentaire afin de développer un produit innovant à base d'érable en tant qu'ingrédient naturel. Premièrement, une étude des propriétés des extraits à l’eau chaude issus des écorces de l’érable à sucre et de l’érable rouge a été effectuée et a révélé que ceux-ci étaient riches en polyphénols antioxydants, ainsi qu’en nutriments organiques et inorganiques (oligo/polysaccharides, protéines et minéraux). En outre, l’étude sur l’effet des extraits bruts d’écorce de l’érable sur la viabilité des cellules de type neutrophiles a révélé leur noncytotoxicité jusqu’à la concentration de 100μg/ml, suggérant ainsi leur utilisation potentielle comme agents alimentaires naturels. Deuxièmement, le sirop de qualité inférieure a été transformé en poudres d’érable à sucre (MSP) au moyen de la technique de lyophilisation (FD). Une approche systématique a été développée pour mettre en place le protocole FD afin de déshydrater avec succès le sirop d’érable de qualité inférieure. Le temps total par protocole FD a été réduit de manière significative de 25 à 38% (de 40 à 25 ou 30heures) après l’optimisation du protocole. Le MSP ainsi produit avait une propriété instantanée, ce qui lui conférait un potentiel énorme pouvant être utilisé comme boissons pour sportifs, dans un mélange de céréales instantanés, etc. Enfin, la dernière partie de ce projet était consacrée au développement de poudres d’érable à sucre enrichies en polyphénols par ajout des extraits d'écorce dans le sirop de qualité inférieure avant le séchage. Cela a permis de valoriser à la fois l'extrait à l'eau chaude et le sirop d'écorce d’érable. Les poudres de l’érable à sucre enrichies en polyphénols ont été produites par FD (en utilisant le protocole FD développé et optimisé précédemment sur le sirop seul) et par séchage sous vide à l’aide du séchoir à double tambour (VDD). L'ajout d'extraits d'écorce de l’érable à seulement 0,01% w/v a permis d’enrichir le sirop en polyphénols de 13 et 20%, respectivement, pour les extraits d’écorce d’érable à sucre (SBX) et d’érable rouge (RBX). Les deux procédés de séchage ont provoqué la diminution significative des polyphénols totaux dans le produit final. Néanmoins, les composés phénoliques totaux étaient encore plus élevés (jusqu’à 10%) dans la poudre d’érable à sucre contenant des extraits d’écorce (en particulier avec le RBX) par rapport au témoin. La poudre d’érable à sucre produite par FD et par VDD présentait des propriétés physico-chimiques différentes (humidité, couleur, dissolution, coulabilité, microstructure, morphologie et taille des particules). Quatre produits d’érable tels que les extraits d'écorce de l’érable en tant qu'aliments fonctionnels, les poudres instantanées et lyophilisées d’érable à sucre, et les poudres d’érable à sucre enrichies en polyphénols ont été conçus et produits dans le cadre du projet de recherche de cette thèse. Les résultats de ce projet pourraient s’avérer utiles aux industries acéricoles pour réduire les problèmes d’accumulation de résidus d’écorce et de surplus de sirop d’érable de faible qualité. Cette approche permettra également aux industries de s’aligner sur le concept d’économie circulaire à l’avenir. / Rising consumers’ inclinations toward alternative sources of foods that are healthy and natural have catalyzed the industry on finding unique sources, notably plant-based ones. Maple syrup, obtained from the sap of sugar and red maple trees, is widely consumed as food. In addition, barks of these species were used as traditional medicines by the First Nations and consumed in tea infusions. With the industrialization and extensive use of forest products such as pulp and papers, lumbers, etc., high volumes of bark residues from forest-based industries have become available. About 17 million m3 of bark are produced annually in Canada, of which, only a fraction is used for direct energy production by combustion and the rest is landfilled as waste. On the other hand, maple industries are experiencing economical burden due to the year-over-year accumulation of low quality syrup as surplus, representing about 21-38% of total syrup production annually. In this context, this project has focused on valorizing the maple bark and surplus syrup to develop innovative maple product as natural food ingredients. At first, an investigation on the properties of hot water extract of sugar and red maple barks has revealed that these are rich in antioxidant polyphenols, along with organic and inorganic nutrients (oligo/polysaccharides, proteins and minerals). Furthermore, the study on the effect of crude maple bark extracts on the viability of neutrophil-like cells has revealed their non-cytotoxicity up to the concentration of 100μg/ml, therefore suggesting their use as safe natural food agents. Secondly, a transformation of low quality syrup into maple sugar powders (MSP) was achieved by freeze-drying (FD). A systematic approach was adopted to formulate the FD protocol in order to successfully dehydrate a low quality maple syrup. The total FD time was significantly reduced by 25-38% (from 40h to 25 or 30h) after optimizing the protocol. The formulated FD protocol consisted of primary drying (T=-36 °C, t=15h), and secondary drying (T=30 °C, t=10h) conditions. Thus produced MSP had instant-like property (dissolution time<15s), signifying the huge potential for use in sport-drinks, instant cereal mix, etc. The last part of this project was dedicated to the development of polyphenolsenriched maple sugar powders by adding bark extracts into low quality syrup prior to drying. This allowed for the combined valorization of maple bark hot-water extract and syrup. Polyphenols-enriched maple sugar powders were produced by FD (using the optimized FD protocol developed previously on syrup alone) and vacuum double-drum drying (VDD). Addition of maple bark extracts at only 0.01% w/v has allowed for the syrup enrichment in polyphenols by 13 and 20%, for sugar (SBX) and red maple bark (RBX) extracts, respectively. Both drying processes have caused the significant decrease in total phenolics in the final product. Nevertheless, the total phenolics were still higher (up to 10%) in maple sugar powders with bark extracts (particularly with RBX) than control. FD and VDD produced maple sugar powder with different physicochemical properties (moisture, color, dissolution, flowability, microstructure, morphology, and particle size). MSP produced by FD was amorphous, therefore demonstrated good dissolution property (dissolution time, <15s), whereas it exhibited poor to very poor flowability. Conversely, MSP produced by VDD was crystalline with free-flowing flow characteristics and satisfactory dissolution (dissolution time, within 30s). Four maple products such as maple bark extracts as functional food agents, freezedried instant-like maple sugar powders, and polyphenols-enriched maple sugar powders have been designed and produced through the research project of this thesis. The results of this project may prove to be useful for the maple industries to mitigate the problems of the bark residues accumulation and of the low quality maple syrup surplus. This approach will also permit the industries to align with the concept of ‘circular economy’ in the future.

En Amérique du Nord, la coupe de jardinage a été implantée en réponse à plusieurs décennies de mauvaises pratiques forestières ayant laissé de grandes superficies de peuplements feuillus dégradés et de faible vigueur. Or, l’application de la coupe de jardinage dans un contexte industriel a produit des résultats variés et parfois peu convaincants sur sa capacité à améliorer la vigueur générale des peuplements et à fournir un rendement soutenu en bois de haute valeur. L’objectif général de ce projet de recherche était d’améliorer les prévisions de la croissance et de la mortalité des arbres feuillus à partir d’une meilleure évaluation de leur potentiel de croissance sur pied et de leur sensibilité aux conditions climatiques. Nos résultats ont d’abord montré un effet marginal du taux de dégagement induit par la coupe de jardinage sur la croissance et le taux de survie des arbres résiduels. Ce résultat s’explique en partie par une concentration de la récolte des arbres à l’intérieur et aux abords des sentiers de débardage, laissant ainsi de larges zones non traitées dans les peuplements résiduels. Dans les années suivant l’application du traitement, uniquement 24 % des arbres ont connu une hausse de croissance significative, un pourcentage de réaction de croissance légèrement inférieur à celui induit par les perturbations naturelles au cours des décennies précédentes. Nos analyses ont également montré qu’une réduction marquée de la croissance sur plusieurs décennies précédait 88 % des événements de mortalité post-récolte, et que les prévisions de ces événements pouvaient être significativement améliorées en considérant les tendances de croissance 25 ans avant la coupe. De plus, la présence de défauts affectant la vigueur des arbres au moment de la coupe était positivement reliée à la probabilité de mortalité et négativement reliée à la probabilité d’avoir une hausse de croissance après la coupe. Par ailleurs, nos analyses ont montré qu’une évaluation visuelle de la densité du houppier est l’indicateur le plus efficace pour estimer la vigueur et le potentiel de croissance sur pied de l’érable à sucre. Finalement, nos analyses des relations entre la croissance et les conditions climatiques ont montré un lien fort entre l’occurrence des stress climatiques ponctuels et une diminution de la croissance de l’érable à sucre. Les épisodes de gel-dégel de forte intensité ont été particulièrement dommageables en provoquant des baisses abruptes de la croissance dans les deux régions étudiées. À l’inverse, les analyses provenant des tendances climatiques mensuelles ont indiqué une relation faible et instable dans le temps avec la croissance. Nos résultats indiquent que l’effet synergique d’une accumulation de plusieurs stress climatiques et d’épidémies d’insectes défoliateurs au début des années 1980 a induit un changement important dans la dynamique de croissance de l’érable à sucre et sa réponse aux conditions climatiques mensuelles.

Les changements de couleur du bois au cours du séchage constituent un problème majeur pour l'industrie du bois. Les pertes financières occasionnées par ces changements de coloration sont très importantes. Les extractibles et les composants structuraux tels que les hémicelluloses et/ou la lignine participent au processus de coloration du bois lors du séchage. Il est important d'étudier les changements chimiques et anatomiques du bois en utilisant des méthodes appropriées. L'objectif de cette étude est d'étudier les changements en termes quantitatifs (teneur) et qualitatifs (distribution) de la lignine du bois de bouleau à papier (Betula papyrifera) et d'érable à sucre (Acer saccharum) au cours du séchage. L'hypothèse de travail est que le processus de séchage peut intervenir au niveau du développement des structures chromophores de la lignine, responsables du changement de coloration du bois. Pour cette étude, trente planches de 30 x 100 x 600 mm par espèce ont été séchées avec un programme conventionnel à moyenne température dans un séchoir de laboratoire. Des échantillons ont été prélevés à l'état vert, sec et à des humidités comprises entre 10 et 20%, 20 et 30% et entre 30 et 40%. Ces planches ont été soumises à des analyses chimiques, topo-chimiques et anatomiques afin d'en déterminer la teneur en lignine et la distribution de la lignine. La teneur en lignine a été déterminée comme lignine totale : lignine acide insoluble par la méthode de la lignine Klason modifiée plus la lignine acide-soluble et ces résultats ont été comparés aux résultats obtenus par la méthode spectrophotométrique avec le bromure d'acétyle. L'analyse topo-chimique a consisté à caractériser la lignine in situ et à déterminer semi-quantitativement les diverses couches des parois cellulaires du bois. L'analyse anatomique a consisté à analyser les parois lignifiées et mesurer le nombre de pixels par groupe de couleurs. Cette étude a permis de vérifier s'il existe une différence quantitative et qualitative de la lignine au cours du séchage du bois en fonction de la teneur en humidité, ainsi que de connaître l'influence du séchage sur la structure du bois. Les résultats de cette étude ont confirmé que le changement de couleur du bois de bouleau à papier et du bois d'érable à sucre au cours du séchage conventionnel n'est pas lié à la lignine mais qu'ils pourraient être liés essentiellement aux substances phénoliques du bois en présence d'oxygène et d'eau

L’utilisation d’adhésifs issus de matériaux renouvelables dans les composites à base de bois, et en particulier dans l’industrie des panneaux, suscite beaucoup d’intérêt depuis de nombreuses années. Aujourd’hui, des résines pétro-sourcées comme l’Urée-Formaldéhyde (UF), la Mélamine Urée-Formaldéhyde (MUF) ou encore le Phénol-Formaldéhyde (PF), se sont imposées face aux résines bio-sourcées et ce depuis le début du XXème siècle par leur efficacité, mais surtout leur faible coût supporté par le développement des industries pétrochimiques. Cependant, avec le déclin programmé du pétrole et la sensibilité croissante du public face aux problématiques environnementales, de nombreux industriels se tournent de plus en plus vers des voies alternatives aux résines pétro-sourcées. Parmi les pistes alternatives étudiées, outres les résines bio-sourcées à base de soja, les lignines représentent un type de polymères qui semblent susciter un regain d’intérêt comme sources d’adhésif. En effet, les lignines, que l’on retrouve notamment dans le bois, constituent l’adhésif naturel des plantes supérieures et sont situées principalement au niveau des parois cellulaires où elles assurent la cohésion entre les fibres et la rigidité de l’ensemble de l’architecture végétale. De plus, leur structure polyphénolique leur permet une réactivité similaire à celle observée chez les résines phénoliques d’origines pétrosourcées. La transition de l’industrie papetière vers des unités de bio-raffinage, où les coproduits de la mise en pâte telles que les lignines seront mieux valorisées et le développement rapide de la chimie verte où les « déchets » de l’industrie du bois, tels que les écorces, seront eux aussi mieux utilisés sont autant de facteurs qui pourraient favoriser le développement de nouveaux adhésifs bio-sourcés dans les prochaines années. L’objectif de ce projet était de déterminer le potentiel de valorisation des écorces d’érable rouge, Acer rubrum, et d’érable à sucre, Acer saccharum, par le truchement des lignines qu’elles contiennent en d’en faire une source de production d’adhésifs naturels destinées à des panneaux de particules de bois exempts de formaldéhyde. Ces lignines ont été à la base de différentes formulations de résines dont l’une s’est révélée plus efficace comme adhésif comparativement à certaines résines pétro-sourcées. / The use of adhesives from renewable materials in wood composites, particularly in the panel industry, has been a subject of interest for many years. Nowadays, the main petrochemical resins used such as Urea-Formaldehyde (UF), Melamine Urea- Formaldehyde (MUF) or even Phenol-Formaldehyde (PF), stood out versus natural resins in the early XXth century by their efficiency, but especially their low cost carried by the development of the petroleum industries. However, with the programmed shortage of oil, and the increasing sensitivity of the public towards environmental issues, more and more manufacturers are looking for alternatives to the pretrochemical resins. Among these studied alternatives, except the soya-based adhesives, lignins are a type of polymer that raised an interest as adhesive. Indeed, inside the wood, lignins are the natural adhesive of superior plants and are mainly located in wood cells where they bind fibers and maintain the rigidity of the whole plant architecture. Moreover, their polyphenol structure allows a similar reactivity to what is observed with petrochemical resins. The transition from paper mills to biorefinery units, where the co-products of pulping such as lignin are valued and the rapid development of green chemistry where the "wastes" of the wood industry, such as barks, are used, are all factors that suggest the growth of these new bio-sourced adhesives in the upcoming years. The objective of this project was to study the potential valorization of the red maple, Acer rubrum, and sugar maple, Acer saccharum, barks by the recovery of their lignins and to use them as a source of bioadhesive for wood panels free of formaldehyde. Based on these lignins, different resins were developed, one of which proved to be more successful than some petrochemical ones