Titre de l'écran-titre (visionné le 5 février 2024) / L'Organisation des Nations Unies prévoit une augmentation de 73 % de la demande mondiale en protéines d'ici 2050. Les protéines végétales et particulièrement les légumineuses représentent une source protéique de choix pour répondre à cet enjeu. Cependant, du fait de leurs propriétés sensorielles et techno-fonctionnelles non optimales, le développement de systèmes protéiques mixtes, combinant protéines végétales et animales, émerge comme une stratégie prometteuse. Ces systèmes ont été étudiés principalement par co-agrégation thermique mais peu d'informations sont disponibles sur l'impact des technologies non thermiques. Dans le cadre de ce projet de maîtrise, l'impact du procédé à haute pression hydrostatique (HHP) sur les interactions de protéines de pois (PPI) et de micelles de caséine (CN) a été étudié et comparé à celui d'un traitement thermique. Les résultats ont montré une formation d'agrégats protéiques solubles après HHP mais, moins importante qu'après le traitement thermique. Les profils protéiques des agrégats étaient similaires pour les deux traitements, composés de conviciline, de viciline, de légumine et de lipoxygénase. L'albumine PA2 n'était pas impliquée dans la formation des agrégats induits par HHP, tandis que la viciline l'était, mais à moindre mesure. Finalement, peu importe la technologie utilisée (HHP ou thermique), les protéines de pois s'agrégeaient seulement entre elles et non avec les CN. Par conséquent, la production de systèmes protéiques mixtes pois-CN n'a pas été possible sous les conditions utilisées. L'évaluation de l'impact du traitement HHP sur les PPI et les CN a permis, pour la première fois, d'étudier les interactions générées après ce traitement. Ce projet a non seulement mis en évidence l'importance de comprendre ces interactions, mais également la composition des agrégats produits. Ces résultats ouvrent la voie au développement de nouveaux ingrédients composés de protéines de pois et de CN, dont les propriétés techno-fonctionnelles seraient à déterminer. / The United Nations predicts that global protein demand will increase by 73% by 2050. Plant proteins, especially pulses, represent an interesting protein source to address this challenge. However, due to non-optimal sensory and techno functional properties, the development of mixed protein systems combining plant and animal proteins is emerging as a promising strategy. These systems have mainly been studied by thermal co-aggregation, but little information is available on the impact of non-thermal technologies. In this research project, the effect of high hydrostatic pressure (HHP) on the interactions of pea proteins (PPI) and casein micelles (CN) was studied and compared with that of thermal treatment. The results showed that soluble protein aggregates were formed after HHP, but to a lesser extent than after heat treatment. The protein profiles of the aggregates were similar for both treatments and were composed of convicilin, vicilin, legumin and lipoxygenase. The albumin PA2 was not involved in the formation of HHP-induced aggregates, whereas vicilin was involved to a lesser extent. Finally, regardless of the technology used (HHP or thermal), pea proteins aggregated only with each other and not with CNs. Consequently, the production of mixed pea-CN protein systems was not possible under the conditions used. Through the evaluation of the effect of HHP treatment on PPI and CN, the interactions generated after HHP treatment were able to be studied for the first time. This project highlighted the importance of understanding these interactions and the composition of the aggregates produced. These results pave the way for developing new ingredients composed of pea proteins and CN, whose techno-functional properties would need to be determined.

La croissance de la population mondiale et l'évolution des habitudes alimentaires dans tous les pays vers une plus grande consommation d'aliments à base de protéines augmentent les préoccupations à l'échelle planétaire en ce qui concerne le risque de pénurie de protéines. Ceci est à son tour un facteur qui encourage la nécessité de mener des recherches approfondies et structurées pour trouver de nouvelles sources de protéines durables et de mieux valoriser les protéines existantes. Cependant, certaines protéines, notamment de source végétale, sont caractérisées par de médiocres propriétés fonctionnelles et ne permettent pas d'obtenir les aspects techno-fonctionnels souhaités dans les systèmes alimentaires. Afin de remédier à cet inconvénient, l'application de traitements alcalins pour modifier ces protéines et les transformer en ingrédients fonctionnels suscite un grand intérêt depuis quelques années. Ainsi, le présent projet a été réalisé dans un objectif d'utiliser la technologie d'électro-activation en solution comme traitement innovant, original et efficace pour une valorisation intégrale des ingrédients du lactosérum. En effet, le lactosérum en tant que co-produit de la production fromagère contient des composants de haute valeur nutritionnelle et technologique, notamment les protéines, mais aussi le lactose qui peut être utilisé pour produire des sucres à haute valeur ajoutée comme le lactulose qui est un prébiotique reconnu. La première étape de ce travail visait à déterminer l'impact du traitement d'électro-activation alcaline (EA) sur les propriétés physico-chimiques et fonctionnelles du lactosérum doux. L'impact de l'EA alcaline sur la solubilité des protéines, le moussage et les caractéristiques émulsifiantes du lactosérum a été également étudié. Le procédé de l'EA a amélioré la solubilité des protéines dans la plage de pH de 4,0 à 7,0. Contrairement aux échantillons de lactosérum non traités, qui formaient des émulsions micrométriques et instables à pH 3, les échantillons de lactosérum EA produisaient des émulsions nanométriques et stables à ce pH. De plus, bien que le lactosérum non traité et le lactosérum EA produisaient des émulsions stables à pH 7, les émulsions préparées avec le lactosérum EA avaient des tailles de particules plus petites et étaient plus stables contre la floculation des gouttelettes. Le lactosérum traité à l'EA avait tendance à générer des mousses avec un foisonnement et une stabilité significativement plus élevée. La présente étude a démontré que l'EA pouvait améliorer la fonctionnalité du lactosérum doux. Les protéines végétales sont de plus en plus populaires en raison de leurs bienfaits pour la santé et de leur durabilité. Cependant, comparativement aux protéines animales, les protéines végétales comme celles de canola ont une faible solubilité et des propriétés techno-fonctionnelles qui doivent être améliorées, ce qui les rend inefficaces en tant qu'ingrédients dans la formulation de différents aliments. Ainsi, dans le cadre du présent projet, le deuxième volet consistait à mener des études pour produire des protéines de canola solubles et fonctionnelles par complexation avec des protéines de lactosérum en utilisant la technologie d'électro-activation (AE) en solution. Les résultats obtenus ont permis de démontrer que la présence de lactosérum lors du traitement alcalin par EA de la solution de protéines de canola provoquait des interactions structurelles entre les protéines du lactosérum et les protéines de canola, conduisant au développement de nouveaux complexes de protéines qui sont caractérisés par un haut degré de solubilité et des propriétés émulsifiantes et gélifiantes nettement plus élevées que l'échantillon de canola non traité ou celui ayant subi un traitement par EA. En plus, par rapport aux protéines de canola non traitées qui présentaient une solubilité des protéines inférieure à 25 %, une faible capacité moussante, ainsi qu'une faible capacité d'émulsification et de gélification, les mélanges de canola/lactosérum traités par l'EA ont montré une solubilité des protéines d'environ 100 %, une capacité moussante de 300 %, une capacité de former des émulsions stables pendant 30 jours. Le troisième volet de ce projet a permis de démontrer que le traitement par électro-activation cathodique du lactosérum et des protéines de canola a permis de former un complexe qui est caractérisé par un fort pouvoir de gélification, ce qui constitue une contribution significative à l'amélioration du potentiel d'une co-utilisation des protéines de canola et du lactosérum pour la formulation d'aliments de type gel. Finalement, ce projet a apporté une contribution significative à l'avancement des connaissances sur le potentiel d'utilisation de la technologie d'électro-activation en solution pour la modification alcaline des protéines de lactosérum et du canola en vue d'améliorer leurs propriétés techno-fonctionnelles et de les utiliser comme ingrédients dans la formulation des aliments. En plus, il a été démontré que les traitements alcalins par électro-activation en solution peuvent être utilisés comme méthodes d'alcalinisation sans produits chimiques pour améliorer la solubilité et les propriétés fonctionnelles des protéines de canola et de leur mélange avec le lactosérum. / The growth of the world population (over 30% of the existing 7.5 billion people estimated by 2050) and shifts in global eating patterns towards higher consumption of protein-based foods increase worldwide concerns on protein shortage and encourage extensive research to find new sustainable protein sources, which encourages research to recover protein from sustainable sources and valorization of existing protein sources. However, some proteins show poor functionalities in food systems and fail to provide expected functionality in food systems. The application of alkaline treatments to modify these proteins to convert them into functional ingredients has aroused great interest in recent years. The purpose of this study was to explore the electro-activation technology as an innovative alkalinity method to characteristically valorize whey components. Whey as a by-product of cheese and casein manufacturing contains several valuable components, which have demonstrated promising biological and functional properties. The first step of this work aimed to determine the impact of alkaline electro-activation (EA) treatment on physicochemical and functional properties of sweet whey. The impact of alkaline EA on the protein solubility, foaming, and emulsifying characteristics of whey was investigated. The EA process improved the protein solubility at the pH range of 4.0-7.0. In contrast to untreated whey samples, which formed micron-sized and unstable emulsions at pH 3, EA-whey produced nano-sized and stable emulsions at this pH. EA-treated whey tended to generate foams with significantly higher over run and stability. This study demonstrated that EA could enhance the protein solubility of functionality of sweet whey. Further studies were carried out to produce highly soluble and functional canola proteins through pH shifting-driven complexation with whey proteins by chemical-free alkaline electro-activation. Plant proteins are becoming more popular due to their health benefits and sustainability. Compared to animal proteins, canola proteins have poor solubility and functionality, which make them in effective in food formulation. In the second part of the study, whey protein and canola protein were grafted together to create soluble protein composite with superior functionality. Sweet whey was used as a low-price source of animal protein to modify the canola proteins. It was found that the alkaline EA treatment was very effective in functionality improvement of both canola protein alone solution and their mixtures. Further more, the results suggested the presence of whey during the alkaline EA treatment of canola protein solution caused the structural alteration of canola proteins, and formation of protein particles with smaller size and higher surface charge. It resulted in the creation of novel composites proteins with superior solubility and emulsifying properties compared to the EA-treated canola alone sample. This enhanced solubility and emulsifying properties was concluded to be a result of lactose grating on the protein backbone of canola proteins. The overrun of canola protein alone solution increase from 100% to more than 500% after EA-treatment. However, the presence of whey in the EA-treated whey/canola protein solution slightly decreased the foam over run of the sample compared to EA-treated canola alone sample, possibly due to grafting lactose onto the surface of the proteins, resulting in a lower protein surface hydrophobicity. This study showed that the alkaline EA treatment was an effective process to enhance the solubility and functionality of canola proteins and their mixture with whey. In third part of the study, the consequences of alkaline electro-activation (EA) treatment on the flow behavior and gelling properties of canola protein and the mixture of sweet whey/canola protein. Canola protein alone (C) and whey/canola protein mixed suspensions (CW) were treated in an alkalizing electro-activation reactor and then naturalized to neutral pH. The alkaline EA treatment resulted in the production of small aggregates crosslinked by disulfide and covalent bonds. The gelation experiments showed that the EA-treated canola protein and whey/canola protein samples had a superior capacity to develop an integrated gel structure with higher mechanical and rheological properties and improved water holding capacity compared to the untreated samples. Characterization of interactions involved in the gel network structure suggested that the strong covalent interactions played a prominent role in the network of these EA-treated samples. The SDS-PAGE pattern of the gels made from EA-treated canola protein and whey/canola protein samples confirmed the presence of intensive protein polymerization through covalent crosslinking in these gels. The results of this part of the study suggest that the alkaline EA treatment is an effective tool for improving the gelation properties of canola proteins and producing whey/canola protein composite gels with improved functionality. Taken together, the current study showed that alkaline EA treatments can be used as chemical-free alkalinization methods to enhance the solubility, emulsifying and foaming properties, and gelation capacity, sweat whey, canola protein, and the mixture whey and canola protein.

Le rendement en grains (Rdt) et la teneur en protéines (%Prot) sont deux cibles majeures dans les programmes de sélection variétale chez le blé car ces caractères contribuent à la valeur économique de cette culture. Malheureusement, leur amélioration simultanée est empêchée par la relation négative %Prot-Rdt. Il a été montré que l'écart à cette relation ("Grain Protein Deviation", GPD) est déterminé en partie génétiquement et serait utile pour modifier cette relation négative mais ses bases biologiques restent mal comprises à ce jour. Nous avons montré que le GPD est principalement relié à la variabilité génétique pour l'absorption d'azote post-floraison (ABSN) dans les conditions agro-climatiques du Nord-Ouest de l'Europe. Nous proposons que la variabilité génétique pour l'accès à l'azote du sol (architecture et fonctionnement racinaire) ou pour la régulation de ABSN par le statut azoté (transport et assimilation de l'azote) pourrait expliquer le GPD. Etant donné que le retardement de la sénescence durant la période post-floraison peut résulter en une augmentation de ABSN, nous avons analysé les déterminants génétique des relations entre durée de sénescence des feuilles après floraison et Rdt ou %Prot, observées au niveau phénotypique, en utilisant des données acquises sur une population de cartographie de blé cultivée au sein d'un large réseau expérimental. Une association positive entre durée de sénescence des feuilles après floraison et %Prot ou Rdt a été observée selon les environnements étudiés. Nous faisons l'hypothèse que l'impact d'un retardement de la sénescence des feuilles après floraison pourrait être modulé selon la disponibilité en azote durant cette période, ce qui conduirait à modifier la relation %Prot-Rdt selon les environnements étudiés. Enfin, des données obtenues sur trois populations de cartographie cultivées dans un large réseau expérimental ont permis de suggérer, après méta-analyse de QTL, des régions génomiques potentiellement utiles en sélection pour améliorer la %Prot sans diminuer le Rdt. Ceci a permis de mettre en avant des régions situées sur les chromosomes 2A et 3B. En particulier, la région située sur le 2A pourrait être reliée à la présence d'un gène codant pour une glutamine synthétase chloroplastique qui a été associée à la variabilité génétique pour %Prot chez le blé tendre dans une étude antérieure.

Le rendement en grains (Rdt) et la teneur en protéines (%Prot) sont deux cibles majeures dans les programmes de sélection variétale chez le blé car ces caractères contribuent à la valeur économique de cette culture. Malheureusement, leur amélioration simultanée est empêchée par la relation négative %Prot-Rdt. Il a été montré que l’écart à cette relation (“Grain Protein Deviation”, GPD) est déterminé en partie génétiquement et serait utile pour modifier cette relation négative mais ses bases biologiques restent mal comprises à ce jour. Nous avons montré que le GPD est principalement relié à la variabilité génétique pour l’absorption d’azote post-floraison (ABSN) dans les conditions agro-climatiques du Nord-Ouest de l’Europe. Nous proposons que la variabilité génétique pour l’accès à l’azote du sol (architecture et fonctionnement racinaire) ou pour la régulation de ABSN par le statut azoté (transport et assimilation de l’azote) pourrait expliquer le GPD. Etant donné que le retardement de la sénescence durant la période post-floraison peut résulter en une augmentation de ABSN, nous avons analysé les déterminants génétique des relations entre durée de sénescence des feuilles après floraison et Rdt ou %Prot, observées au niveau phénotypique, en utilisant des données acquises sur une population de cartographie de blé cultivée au sein d’un large réseau expérimental. Une association positive entre durée de sénescence des feuilles après floraison et %Prot ou Rdt a été observée selon les environnements étudiés. Nous faisons l’hypothèse que l’impact d’un retardement de la sénescence des feuilles après floraison pourrait être modulé selon la disponibilité en azote durant cette période, ce qui conduirait à modifier la relation %Prot-Rdt selon les environnements étudiés. Enfin, des données obtenues sur trois populations de cartographie cultivées dans un large réseau expérimental ont permis de suggérer, après méta-analyse de QTL, des régions génomiques potentiellement utiles en sélection pour améliorer la %Prot sans diminuer le Rdt. Ceci a permis de mettre en avant des régions situées sur les chromosomes 2A et 3B. En particulier, la région située sur le 2A pourrait être reliée à la présence d’un gène codant pour une glutamine synthétase chloroplastique qui a été associée à la variabilité génétique pour %Prot chez le blé tendre dans une étude antérieure. / Grain yield (GY) and grain protein concentration (GPC) are two major targets in wheat breeding programs as these traits contribute to the economic value of the wheat crop. Unfortunately, their simultaneous improvement is hampered by the genetic negative GPC-GY relationship. It has been shown that the deviation to this relationship (“Grain Protein Deviation”, GPD) has a genetic basis and might be useful to shift this negative relationship but its biological bases remain unclear. GPD was shown to be mainly related to the genetic variability for post-anthesis nitrogen (N) uptake (PANU) in the North-West European agro-climatic conditions. We proposed that the genetic variability for the access to N in the soil (root architecture and functioning) or for the regulation of PANU by the plant N status (N transport and assimilation) could explain GPD. As delaying leaf senescence during the post-anthesis period might result in increasing PANU, we analysed the genetic determinants of the phenotypic relationships between leaf senescence duration after anthesis and GPC or GY using data obtained on a wheat mapping population grown in a large mutli-environment trial network. A positive association was found between leaf senescence duration and GPC or GY depending onthe environment. We suggested that the impact of delaying leaf senescence after anthesis on GY or GPC might be modulated by the N availability during the post-anthesis period and would lead to modify the GPC-GY relationship depending on the considered environments. Finally, data obtained on three connected mapping populations grown in a large mutli-environment trial network were used to suggest by meta-QTL analysis potential genomic regions possibly useful in wheat breeding to improve GPC without reducing GY. This put forward genomic regions located on the 2A and 3B chromosomes as potentially interesting targets to improve GPC. In particular, the region on the 2A might be related to a chloroplastic glutamine synthetase gene previously shown to be associated with genetic variability for GPC in bread wheat.

Le développement de variétés performantes de blé dur (Triticum turgidum durum) doit prendre en compte la corrélation négative entre rendement et teneur en protéines (GPC). Une meilleure compréhension de ce phénomène nécessite une connaissance de l'élaboration des composantes de ces variables. Au cours de cette thèse nous nous sommes focalisés sur l'étude du déterminisme de paramètres foliaires pendant le remplissage du grain (morphologie, résorption d'azote/senescence) ainsi que leurs relations avec les caractéristiques post-récolte (rendement, GPC). La population d'étude est constituée de 282 lignées recombinantes issues d'un croisement demi-diallèle entre quatre lignées élites. Les données proviennent d'expérimentations menées en milieu contrôlé (3 expérimentations) et en plein champ (2 essais).En milieu contrôlé, plusieurs variables (teneur en azote, masse surfacique) ont été prédites par spectrométrie infrarouge à raison de mesures régulières au cours de la période d'intérêt. La résorption d'azote de la dernière feuille a été modélisée pour chaque génotype dont les paramètres ont été analysés. Un lien négatif fort a été établi entre la date d'initiation de la résorption (t0) en temps thermique post-floraison et sa durée et un lien positif entre cette date clé et le poids individuel des grains. A l'échelle de la parcelle, le suivi dynamique de la senescence par la mesure d'évolution d'un indice de végétation, le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) a montré une relation forte entre vitesse d'évolution de la senescence et son ordonnée à l'origine, suggérant que la fin de la senescence était un phénomène très contraint dans les conditions environnementales de plein champ.En absence de stress azoté, l'analyse des 4 géniteurs a montré que des combinaisons linéaires de paramètres foliaires permettaient d'expliquer environ 2/3 des variations de la production en grains d'un épi et de la GPC. En considérant l'ensemble de la population, les effets antagonistes d'une résorption tardive sur la production de grains et la teneur en protéines ont été établis. Une carence en azote appliquée post-floraison provoque une résorption précoce et longue, ce qui semble d'avantage affecter la GPC que le rendement. Une carence en azote appliqué pré-floraison réduit la quantité d'azote disponible dans les feuilles drapeau (et par conséquent leur potentiel photosynthétique) ainsi que le nombre de grains alors que les apports tardifs en azote réalisés dans ce traitement vont retarder la résorption donc augmenter le poids individuel des grains et la GPC. L'analyse génétique en modèle mixte a permis de prendre en compte un apparentement entre lignées, calculé grâce aux pedigrees ou aux marqueurs. Ces deux estimateurs de l'apparentement sont très fortement corrélés ; l'ordonnée à l'origine de la relation (0.3) pouvant être interprétée comme une mesure de l'identité par état de la population de base à partir de laquelle les géniteurs sont issus. Par conséquent, les variances additives issues d'un apparentement marqueurs sont systématiquement supérieures à celles d'un apparentement pedigree. Les valeurs d'héritabilité des variables étudiées caractérisant la morphologie de la feuille drapeau à floraison et des paramètres de résorption d'azote sont du même ordre de grandeur que celles du rendement d'un épi et de la teneur en protéines des grains.En conclusion, nous discutons des stratégies de sélection autour de la corrélation négative rendement/GPC en lien avec la résorption d'azote et la senescence, de l'intérêt de l'utilisation du modèle dit « animal » pour les analyses génétiques et la recherche de QTL. / Performing cultivar development of durum wheat (Triticum turgidum durum) have to take in consideration the negative correlation existing between yield and grain protein content (GPC). A best comprehension of this phenomenon needs the knowledge of these variables elaboration. During this thesis, we focused on the study of foliar parameters determinism during the grain filling (morphology, nitrogen resorption/senescence) and their relations with post-harvest parameters (yield, GPC). The population was formed of 282 recombinant lines coming from a half-diallel cross between 4 elite lines. Data are from experimentations on controlled environment (3 experimentations) and on field (2 experimentations).In controlled environment, various variables (nitrogen content, mass area) were predicted using near-infrared spectroscopy and performing regular measures during the period of interest. Nitrogen resorptions of the last leaf were modeled for each genotype and parameters were analyzed. A strong negative correlation was established between the resorption initiation date (t0) in thermal time post-flowering and its duration and a positive correlation was established between t0 and the grain individual weight. At the plot scale, the dynamic monitoring of senescence through measures of NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) evolution showed a strong relation between the senescence evolution rate and its intercept, suggesting the senescence end was a very constraint phenomenon in field.Without nitrogen stress, the analysis of the 4 genitors indicated that linear combinations of foliar parameters could explain around 2/3 of one-spike grain production and GPC variations. Considering the entire population, the antagonist effects of a late resorption on grain production and on the GPC were established. A post-flowering nitrogen stress causes an early and long resorption which seems to affect more GPC than yield. A pre-flowering nitrogen stress reduces nitrogen quantity available in flag leaves (and consequently their photosynthetic potential) and the grain number whereas late nitrogen inputs of this environment delay resorption and raise grain individual weight and GPC.The genetic analysis in mixed model allowed taking into account relatedness among lines, calculated with pedigrees or markers. Those 2 relatedness estimators are strongly correlated; the regression intercept (0.3) can be interpreted as an identity-by-state measure of the base population from which genitors are derived. Consequently, additive variances from a marker-relatedness model are always superior to additive variances form a pedigree-relatedness model. Heritability values of the study variables (flag leaf morphology and nitrogen resorption parameters) have the same order of magnitude than those of one-spike yield and GPC.Field experimentations allowed highlighting the flag leaf weight as a contributor organ to yield and GPC. Nitrogen balance showed a link between post-flowering nitrogen fluxes and nitrogen available at flowering. Genotype-phenotype association's research was realized through a simple-marker analysis for all the experimentations and a Composite Interval Mapping analysis only for data obtained in greenhouses. A stable QTL was detected on the 3 controlled environments for t0. QTL comparison on controlled environment QTL and field QTL highlighted various area containing QTL on certain chromosomes: an area of foliar nitrogen content at flowering QTL on the 1A, an area of GPC QTL, Thousand Kernel Weight (TKW) QTL and grain number QTL on the 2A, an area of foliar morphology QTL on the 2B, an area of TKW QTL on the 3B and an area of senescence variables QTL on the 7B.In conclusion, we discuss about breeding strategies around the negative correlation yield/GPC in relations with nitrogen resorption and senescence and about the interest to use the “animal” model for genetic analysis and QTL research.