La croissance constante de la population mondiale exige l’élaboration de stratégies alimentaires capables de soutenir les besoins nutritionnels des populations. Parmi les moyens stratégiques mis en œuvre, nous pouvons citer l'utilisation des sous-produits de transformation des aliments pour des besoins nutritionnels humains. En ce sens, l’industrie de concassage des graines oléagineuses, produisant des huiles végétales, fournit des résidus qui sont riches en fibres et en protéines. Ceci fait de ces résidus d’excellentes matières premières pour le développement de nouveaux ingrédients pour l'industrie alimentaire. Le tourteau de canola est un sous-produit du processus de broyage des graines de canola. En 2007 par exemple, la production du tourteau de canola au Canada était de l’ordre de 2050 tonnes métriques. Sur base sèche, le tourteau de canola contient environ de 12 à 20% (p / p) de fibres et de 35 à 45% (p / p) de protéines. Sa composition en acides aminés est bien équilibrée, ce qui rend du tourteau de canola une source potentielle de protéines pour l'alimentation humaine. Toutefois, des niveaux élevés de facteurs antinutritionnels comme les glucosinolates et les phytates ainsi que la présence de composés phénoliques limitent l’utilisation du tourteau de canola dans des produits alimentaires. Les composés phénoliques dans le tourteau de canola sont responsables de la couleur foncée, du goût amer et de l’odeur désagréable des matrices alimentaires dans lesquelles le tourteau est utilisé. Le niveau de composés phénoliques dans le tourteau de canola est plus élevé que celui dans le tourteau de soja, et il doit être diminué avant d’utiliser le tourteau de canola comme source d'ingrédients alimentaires. La couleur du tourteau doit également être considérablement améliorée. Jusqu'à présent, il n'existe aucune technologie complètement réussie pour diminuer la teneur en composés phénoliques dans le tourteau de canola et améliorer son odeur, sa couleur et son goût. Dans le présent travail, nous avons développé une nouvelle approche pour améliorer l'utilisation du tourteau de canola et de ses dérivés (protéines et fibres) comme ingrédients dans des applications alimentaires humaines. Pour ce faire, le tourteau de canola a été décoloré (blanchi) par des solutions de peroxyde d'hydrogène. La couleur du tourteau a été considérablement améliorée et elle est passée de L * = 45 à L * = 78. Le traitement au peroxyde d'hydrogène a permis aussi l'amélioration de l'extractabilité de la matière sèche totale dans les solutions aqueuses. Cette extractabilité était d'environ 22% pour le tourteau initial, tandis que celle du tourteau traité avec du peroxyde d'hydrogène est de 83%. La solubilité élevée de la matière sèche totale, comprenant les protéines et les fibres, permettra d'améliorer la biodisponibilité de ces ingrédients. La teneur en polyphénols totaux a été abaissée d'au moins 93%. Aussi, la matière extraite à sec a été caractérisée par de très bons paramètres organoleptiques (couleur, odeur et goût). Nous espérons que ce travail contribuera à résoudre des problèmes nutritionnels à l’échelle mondiale. / This research work was aimed to study the possibility of enhancing the use of canola meal as a source of food ingredients. The main objectives of this research work were to discolour the meal and to evaluate the product properties as well as the effect of the treatment on the extractability of the total dry matter, protein profile, total polyphenolics content, and overall acceptability of the end product. The constant growth of world population requires governments in all countries to develop food policies to support the nutritional needs of populations. Among the strategic means adopted, we can found the use of by-products of food processing practices for human nutritional needs. In this context, vegetable oils crushing industry provides residues which are rich in fibres and proteins. This makes them excellent raw materials for the development of new ingredients for the food industry. Canola meal is a by-product of de-oiling process of canola seeds. For example, the production of canola meal in Canada in 2007 was estimated at 2050 metric tonnes. On a dry basis, canola meal contains approximately 12-20% (w/w) carbohydrates and 35-45% (w/w) proteins. The well balanced and favourable amino acid composition of the canola meal makes this latter a potential source of proteins for human nutrition. However, high levels of antinutritional factors such as glucosinolates and phytates and the presence of phenolics prevent canola meal from being fully used in food products. Phenolics in canola meal are responsible of the dark color of the food matrices in which they are used, bitter taste, and strong undesirable smell. The level of phenolics compounds in canola meal is at least an order of magnitude higher than in soybean meal, and has to be decreased before the meal can be used as a source of food ingredients. The meal color must also be significantly improved. Enhancing the overall quality of the canola meal would contribute to both higher nutritional and monetary values of this material. Until now, there is no completely successful large scale technology for decreasing the phenolic content in canola meal and for improving its color, bitterness, and strong smell. The prupose of the present work was to develop a novel approach to improve the use of canola meal and its derivatives (proteins and fibres) as ingredients in food applications. The canola meal was successfully discolored (bleached) following a treatment with hydrogen peroxide solutions. The meal color was significantly improved and passed from L* = 45 up to L* = 78. The treatment with hydrogen peroxide allowed enhancing the extractability of the total dry matter in aqueous solutions. The initial meal extractability was approximately 22% whereas the meal treated with hydrogen peroxide was characterized by an extractability of the total dry matter of 83%. The increased solubility of the total dry matter, including proteins and fibres, will enhance the bioavailability of these ingredients. Total phenolic content was lowered by at least 93%. The extracted dry matter was characterized by very good organoleptic parameters (color, smell, and taste). The output of this research work will hopefully contribute to solving nutritional problems worldwide.

L'objectif de cette maîtrise était de développer une méthode qui permettra de trouver une formule de blanchiment efficace du tourteau de canola. Dans ce souci d'optimisation, la méthodologie basée sur les surfaces de réponse (MRS) a été utilisée pour déterminer le pH, les concentrations de tourteau de canola (CM) et de peroxyde d'hydrogène (HP) optimums qui procurent le meilleur profil chromatique au produit. La démarche expérimentale consistait à trouver les conditions optimales pour blanchir le tourteau. Nous avons trouvé les réponses suivantes: L*=83,46; a*=-3,66; b*=17,18; BI=18,05, grâce à la combinaison : pH=10, HP=10 (v/v) et CM = 2,65 (p/v). La MSR nous a également permis de trouver une formule de blanchiment qui donne un profil chromatique identique à celui des farines de blé entier pâtissière et tamisée, d'avoine et de seigle. L’autre objectif était d’examiner les conditions d’extraction des isolats de protéines des tourteaux de canola blanchis (ITB) et non blanchis (ITNB) et d’étudier leurs propriétés fonctionnelles; à savoir le pouvoir moussant et émulsifiant qui sont très importants dans des applications alimentaires. L'étude de fonctionnalité des protéines du tourteau blanchi en présence et en absence de sel et leur comparaison avec les protéines du tourteau non blanchi dans les mêmes conditions ont démontré que les ITB ont de bonnes propriétés moussantes et émulsifiantes. Les capacités émulsifiantes des ITB avec ou sans sel sont respectivement 65,22 et 63,83% et restent supérieures à celles des ITNB (50%); les stabilités des émulsions suivent aussi la même tendance. La capacité moussante et la stabilité des mousses des ITNB avec ou sans sel sont inférieures à celles des ITB avec et sans sel. Les résultats ont montré la bonne capacité de l'ITB à former une émulsion et une mousse en présence de sel. Le blanchiment optimal a eu un impact positif sur l'extractabilité de la matière sèche totale et les propriétés fonctionnelles des isolats. / The objective of this research study was to develop a method to find a formula for effective bleaching of canola meal. Optimization methodology based on response surfaces (MRS) was used to determine the pH, the concentrations of meal (CM), and hydrogen peroxide (HP) which provide the optimum color profile. The experimental approach was to find the optimum conditions for bleaching canola meal. We found the following parameters: L * = 83.46, a * = -3.66, b * = 17.18, BI = 18.05, with the combination of pH = 10, HP = 10 (v/v) and CM = 2.6515 (p / v). MSR also allowed finding a formula which gives a bleaching color profile identical to whole wheat pastry and sifted flour, oats and rye. The other objective was to analyse/investigate the extraction conditions of protein isolates bleached canola meal (ITB) and unbleached (ITNB) and study their functional properties. The study of protein functionality meal bleached in the presence and absence of salt and their comparison with the unbleached protein meal under the same conditions showed that the ITB have good foaming and emulsifying properties. Emulsifying capacities of ITB with or without salt are 65.22 and 63.83%, respectively, and remain higher than those of ITNB ( 50%); the stabilities of emulsions also follow the same trend. The foaming capacity and foam stability of ITNB with or without salt are lower than those of ITB with and without salt. The results showed good ability of ITB to form an emulsion and foam in the presence of salt. The optimal bleaching had a positive impact on the extractability of dry matter as well as the functional properties of the isolates.

Le tourteau de canola est un complément protéique de plus en plus utilisé dans les rations des vaches laitières. La substitution d'un complément protéique par du tourteau de canola a un effet positif sur la production laitière ainsi que sur la quantité de protéines produites. Cette réponse positive au niveau de la production laitière est observée, et ce, même si le NRC (2001) prédit une diminution de l'apport en protéines métabolisables lorsque le tourteau de canola remplace du tourteau de soya dans les rations des vaches laitières. Cela pourrait être dû à une sous-estimation de l'apport en protéines métabolisables par les modèles, comme le NRC (2001), lorsque le tourteau de canola est utilisé. Le projet avait comme objectif d'évaluer la cinétique de l'azote au rumen du tourteau de canola et d'évaluer l'apport en protéines métabolisables. Les objectifs spécifiques de l'étude étaient de (1) déterminer la contribution en azote soluble et en petites particules non dégradées du tourteau de canola et du tourteau de soya au flux de protéines au duodénum ; de (2) mesurer les flux de bactéries au duodénum à partir des deux suppléments ; et de (3) mieux comprendre la contribution en petites particules du tourteau de canola. Pour ce faire, quatre vaches munies de canules ruminale et duodénale ont été utilisées selon un plan croisé avec des rations soit à base de tourteau de canola, soit de tourteau de soya. De plus, du tourteau de canola et du tourteau de soya marqué au $^\textup{15}$N ont été administrés sous forme de dose unique pendant l'expérience. Les résultats ont montré que la proportion de bactéries associées à la phase liquide dans le digesta duodénal était supérieure pour le tourteau de canola que pour le tourteau de soya, puis l'inverse a été observé pour les bactéries associées aux particules. Lorsque ces résultats sont combinés avec les flux de matière sèche qui atteignent le duodénum, les flux totaux de bactéries arrivant au duodénum ne sont pas les mêmes pour les deux suppléments protéiques. L'étude des aires sous la courbe qui ont été obtenues à partir des excès en $^\textup{15}$N en fonction du temps a démontré que pour la fraction associée aux petites particules, la fraction des bactéries associées aux particules et la fraction des bactéries associées à la phase liquide, les aires sous la courbe estimées avec le modèle non linéaire étaient supérieures pour les rations contenant du tourteau de canola. Ceci renforce donc notre hypothèse selon laquelle la réponse positive du tourteau de canola serait associée davantage à la fraction de l'azote soluble et aux petites particules contenant de l'azote du tourteau de canola. / Canola meal is a protein supplement increasingly used in dairy cows diets. Substituting a protein supplement with canola meal has a positive effect on milk production as well as on the amount of protein produced. This positive response on milk production occurs even though the NRC (2001) predicts a reduction in metabolizable protein intake when canola meal replaces soybean meal in dairy cows rations. This could be due to an underestimation of metabolizable protein supply by models, such as the NRC (2001), when canola meal is used. The objective of the project was therefore to evaluate the kinetics of nitrogen in the rumen of a ration containing canola meal and to determine the consequences on the supply of metabolizable proteins. The specific objectives of the study were to (1) determine the contribution of soluble nitrogen and small undegraded particles from canola meal and soybean meal to protein flow to the duodenum; to (2) measure the flow of bacteria to the duodenum from the two supplements; and (3) to have a better understanding of the contribution of small particles from canola meal. Four cows fitted with a ruminal and a duodenal cannula were used in a cross-over design with diets including canola meal or soybean meal. Also, canola and soybean labeled with $^\textup{15}$N were given as single-pulse doses during the experiment. The results have shown that the proportion of fluid-associated bacteria in the duodenal digesta was higher when cows were fed canola meal than soybean meal. The opposite was observed for the particle-associated bacteria. When these results are combined with the flow of dry matter reaching the duodenum, the total flow of bacteria arriving at the duodenum was not the same for the two protein supplements. The study of the areas under the curve, which were obtained from the $^\textup{15}$N excesses as a function of time, demonstrated that for the fraction associated with small particles as well as for the fraction of particles-associated bacteria and the fraction of fluid-associated bacteria, areas under the curve estimated with the nonlinear model were greater for diets containing canola meal. This reinforces our hypothesis that the positive response of canola meal would be associated more with the soluble fraction of nitrogen and small particles of canola meal.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Le tourteau de canola représente une importante source de protéines de haute valeur nutritionnelle et pourrait faire l’objet de multiples utilisations dans l’alimentation humaine. Toutefois, l’extraction conventionnelle de ces protéines, généralement réalisée en milieu fortement alcalin, altère leurs qualités et fonctionnalités. De plus, l'engouement pour les technologies vertes, justifié par la pollution générée par l’industrie agroalimentaire et la consommation accrue de l’énergie par celle-ci, incite les industriels à innover en utilisant des méthodes d'extraction alternatives respectueuses des principes du développement durable. Dans ce contexte, l’électro-activation, une technologie novatrice et prometteuse pour l’industrie alimentaire, a fait l’objet d’une étude détaillée sur son utilisation pour produire des solutions d’extraction ayant un pouvoir extractif élevé. Elle consiste à appliquer un champ électrique pour activer des solutions aqueuses, légèrement salines, pour les utiliser dans la réalisation de différentes réactions chimiques, y compris l’extraction de protéines. Ce projet vise à démontrer la preuve du concept de l’efficacité de l’électro-activation à être utilisée comme technologie d’extraction sans utilisation d’acides et de bases et à étudier son potentiel pour l’extraction des protéines à partir de tourteau de canola. Le premier objectif consistait à étudier l'effet du pH, de la concentration du tourteau de canola et de sel sur le taux d'extraction des protéines par la méthode d’extraction conventionnelle. Il en est ressorti que seul le pH a un effet significatif sur le taux d’extraction. Cette étude a servi de témoin pour la comparaison avec l’extraction par la technologie de l’électro-activation en solution. Le deuxième objectif visait à étudier les propriétés alcalines des solutions électro-activées (SEA) en fonction du type de configuration du réacteur d’électro-activation, l'intensité du courant électrique, la concentration du sel ajouté et le temps d’électro-activation (de traitement). Les résultats obtenus ont montré que toutes les solutions électro-activées après 10 minutes ont toutes été caractérisées par un pH très alcalin (pH > 10), mais leur alcalinité titrable a varié de manière significative en fonction du temps d’électro-activation et de l'intensité du courant appliqué (les facteurs les plus importants), ainsi que de la concentration du sel et du type de configuration. Cette étude a montré qu'en modifiant les paramètres d’électro-activation, il était possible de moduler les propriétés alcalines des solutions aqueuses électro-activées pour une éventuelle utilisation comme conditions optimales pour l'extraction des protéines à partir de tourteau de canola. Le troisième objectif consistait à évaluer et comprendre l’effet de l’électro-activation sur le taux d'extraction des protéines du tourteau de canola et leurs propriétés physico-chimiques. Dans cette optique, les solutions électro-activées (SEA) optimisées et une solution de NaOH (témoin) ont été utilisées. Les résultats obtenus ont montré que le taux d'extraction était plus élevé avec l’utilisation des SEA. De plus, les résultats obtenus par l’analyse SDS-PAGE indiquaient que les protéines extraites par les SEA ont été nettement moins dénaturées comparées à celles extraites avec du NaOH. L’analyse par FTIR a révélé la présence de pics plus étroits, témoignant de la structure native secondaires des protéines extraites par électro-activation. Le quatrième objectif visait l’étude des propriétés fonctionnelles des protéines de canola extraites par électro-activation et leur comparaison avec les propriétés de protéines extraites par la méthode conventionnelle avec du NaOH. Les résultats obtenus ont montré des améliorations dans les propriétés de surface telles que l'émulsification et la taille des particules pour les protéines extraites par des SEA. En outre, les protéines extraites par électro-activation étaient plus efficaces pour abaisser la tension de surface liée à leur taux de flexibilité et taux d'adsorption plus élevé. Le cinquième objectif a fait l’objet d’une étude dans laquelle les protéines extraites par électro-activation sous forme de concentrés et d'isolats ont été ajoutées à une formulation de biscuits sans gluten afin d'étudier leur comportement dans une réelle matrice alimentaire. La formulation de biscuits sans gluten est à base d’une combinaison de farine de sarrasin biologique cultivé au Québec et de farine de riz. Les résultats obtenus ont permis de démontrer la pertinence d’ajouter des protéines de canola dans ce genre de produit. En effet, par rapport à une farine sans gluten seule, l'ajout des protéines de canola a nettement amélioré la texture des biscuits, la valeur nutritionnelle et l’acceptabilité générale du produit, ce qui a était soutenu par une évaluation sensorielle. Finalement et compte tenu des résultats obtenus à chacune des étapes ce projet de doctorat, il est possible de conclure que les solutions aqueuses électro-activées (SEA) sont des agents d'extraction puissants qui offrent des perspectives prometteuses pour l'extraction de protéines de canola et pourraient être appliquées à d'autres tourteaux oléagineux. En plus, leur utilisation comme substitut d’agents chimiques d’extraction en fait la preuve de l’adéquation totale avec les concepts du développement durable. / Canola meal is an alternative source of valuable proteins which can be valorized for human consumption. However, conventional extraction which implies the use of chemical alkali and acids has a serious impact on their quality and functionality. In addition, today’s trend towards “eco-friendly” technologies urges scientists to look for alternative methods of protein extraction. A novel technology of electro-activation (EA) has been reported to produce solutions with high extraction potential by subjecting dilute salt solutions to the energy of external electric field. Therefore the aim of the work was to study the efficiency of electro-activated solutions for protein extraction from canola meal as a “green” emerging approach. The first objective was to find the optimal conditions for higher extractability from canola meal by studying the effects of pH, meal to solvent ratio, and salt concentration. It was found that pH of the extracting medium had the most significant effect on protein extractability. This study served as a reference template for further comparison with extraction by electro-activated solutions (EAS). Second objective aimed to study the properties of electro-activated solutions depending on the type of configuration, current intensity, salt concentration, and the time of treatment. All the solutions after 10 min treatment were characterized by highly alkaline pH (> 10) gradually attaining pH ~12, yet their titratable alkalinity differed significantly depending on the time and the current intensity as the most important factors as well as on the salt concentration and cell configuration. However, most importantly, it was shown that by changing the parameters of electro-activation, optimal conditions for proteins extraction can be modulated. Third objective focused on protein extraction from canola meal. Electro-activated solutions optimized in the second objective were compared to chemical base in terms of protein extractability, and their effect on the physico-chemical properties and secondary structure. The results showed comparably higher extractability rates for electro-activated solutions as well as less damaged proteins as was reflected in the FTIR spectra and SDS-PAGE analyses. The fourth objective was to study the proteins` functionality, which showed certain improvements in surface related properties such as emulsion activity index and droplet size for proteins extracted by electro-activated solutions. Also they were more efficient in lowering the surface tension which pointed at their higher flexibility and adsorption rate. Finally, for the fifth objective the extracted proteins in the form of concentrates and isolates were added to gluten-free biscuit formulation in order to investigate their behavior in a real food matrix. In comparison with gluten free flour blend consisting of the mixture of rice and buckwheat flours, the addition of canola proteins markedly improved the texture of biscuits, their nutritional value, and general acceptance which was supported by sensorial test. Considering the results obtained at each of the stages it is possible to conclude that electro-activated solutions are powerful extracting agents providing promising perspectives for the extraction of proteins from canola and other oilseeds. Moreover their utilization will allow to eliminate the use of chemical bases for the extraction step which well corresponds to the aims stated by the concept of sustainable development.

Des études ont montré que la substitution, par le tourteau de canola (TC), d’autres sources protéiques augmente la production laitière des vaches d’en moyenne 1 kg/j. Par contre, les prédictions des protéines métabolisables (PM), en utilisant le modèle du NRC (2001), laissent penser que l'inclusion de TC diminue l’approvisionnement en PM pour les vaches. Une différence majeure entre le tourteau de soya (TS) et le TC est la valeur de la digestibilité intestinale estimée dans le modèle du NRC (2001): la digestibilité du TC est de 75 % contre 93 % pour le TS. Cela pourrait être dû à une sous-estimation de la digestibilité avec la technique de sachets mobiles. Ainsi, notre objectif était d'évaluer la digestibilité des protéines non dégradées dans le rumen par la méthode conventionnelle des sachets mobiles et par l’enrichissement avec le¹⁵N. Quatre vaches munies d’une fistule ruminale et d’une canule duodénale ont été nourries avec : deux sources de tourteau de canola, une commerciale (TCC) et l’autre marquée avec ¹⁵N(TCM), et du tourteau de soya (TS). Les résultats montrent qu’il n’y a aucune différence significative dans la dégradabilité effective de la protéine brute entre le TS, le TCC et le TCM (63,5 %, 62,8 % et 63,1 %, erreur standard moyen (ESM) = 2,47, respectivement). Pour la digestibilité intestinale de la protéine brute, aucunedifférence n’a été observéeentre les deux méthodes citées pour le TCM (76,1 %, et 70,04 %, ESM = 0,2, respectivement). Par contre, les résultats indiquent un effet significatif de la taille des pores des sachets sur la digestibilité intestinale. Comme nos résultats montrent qu’il n’y a pas une sous-estimation de la digestibilité, plusieurs questions se posent sur le profil des acides aminés du TC qui pourrait être responsable de la réponse positive sur la production laitière de substitution d’autres sources protéiques. / Many studies have shown that substituting canola meal (CM) to other protein sources in dairy cows, increases milk production average by 1 kg/d. Contrariwise, the predictions of metabolizable protein, using the model of the NRC (2001), showed that the inclusion of CM decreases the predicted availability of metabolizable protein for cows. A major difference between soybean meal (SBM) and CM is the value of the estimated intestinal digestibility in the model of NRC (2001): the intestinal digestibility of CM is 75% against 93% for SBM. This could be caused by an underestimation of the intestinal digestibility with the mobile bags technique. Then, the goal of this study was to evaluate intestinal digestibility of the undegraded protein by the conventional method of mobile bags and ¹⁵N method. Four cows equipped with ruminal fistula and duodenal cannula were fed with: two sources of canola, commercial canola meal (CCM), and the other canola meal labelled with¹⁵N (LCM), and a commercial soybean meal (SBM). Results showed that there is no significant difference in the effective degradability of CP for SBM, CCM and LCM (63.5%, 62.8% and 63.1%, standard error of the mean (SEM) = 2.47, respectively). For intestinal digestibility of the crude protein CP, there was no difference between the method of mobile bags and ¹⁵N method for the LCM (76.1%, 70.04%, SEM= 0.2, respectively). Contrariwise, the results indicate a significant effect of bag pore size on the intestinal digestibility. As our results show that there is no underestimation of digestibility, several questions arise on the amino acid profile of the CM that may be responsible for the positive response in milk production of substituting CM to other protein sources.