L’objectif de ce travail consiste à développer un nouveau potentiel SMTB-Q, puis à l’incorporer dans un code de dynamique moléculaire (DM) afin d’étudier les premiers stades de l’oxydation de l’aluminium. Le potentiel peut modéliser les différents polymorphes de l’alumine ainsi qu’une transition de la phase amorphe vers une phase cristalline. Notre approche couple un terme covalent avec la charge. Il utilise le schéma de Rappé et Goddard pour la partie électrostatique et le modèle du réseau alterné de C. Noguera pour la partie covalente. Le potentiel SMTB-Q obtenu est validé par une approche Monte Carlo. Nous y présentons les outils utilisés pour l’optimisation du potentiel ou analyser les résultats obtenus pour les situations hétérogènes. Cette étude permet de montrer que le potentiel SMTB-Q donne une description satisfaisante de la liaison Al-O dans différentes configurations atomiques. Cette liaison résulte de la compétition entre trois contributions énergétiques : électrostatique, covalente et répulsion de Pauli entre les oxygènes. Après son incorporation dans le logiciel LAMMPS, le potentiel SMTB-Q est utilisé en DM pour l'étude d'oxydes à stœchiométrie constante. Les transitions de phases de l’alumine sont étudiées sous haute pression et en température. Le problème du changement de stœchiométrie de l’oxyde est traité à partir de l'étude de diverses structures de différentes stœchiométries. Nous introduirons la liaison métallique dans le potentiel. La superposition des liaisons iono-covalentes et métalliques sera étudiée pour des systèmes métal/oxyde. Enfin, nous discuterons du formalisme du potentiel SMTB-Q face au changement de stœchiométrie dans l’oxyde. / The goal of this work is to develop a new SMTB-Q potential in order to study the early stages of the oxidation of aluminium by molecular dynamics (MD).Our potential is able to model different alumina polymorphs as well as transitions from the amorphous state to a crystalline phase. Our approach couples a covalent term with the charge. It uses Rapp_ and Goddard scheme for the electrostatic part and the model of alternating network developed by C. Noguera for the covalent part.The SMTB-Q potential was validated with a Monte Carlo approach. This study shows that the potential SMTB-Q gives satisfactory results for the Al-O bonding in different atomic configurations. The bonding results from the competition between three energy contributions: electrostatic, covalent and Pauli repulsion between the oxygens.After implementation in the LAMMPS software, the potential SMTB-Q is used to study by DM constant stoichiometry oxides. Alumina phase transitions are observed under high pressure and temperature. We also introduce the metallic bonding in the potential. The superposition of the iono-covalent and metallic bonds was investigated for metal / oxide systems. Finally, we discuss the formalism of the SMTB-Q potential to take into account the change of stoichiometry in the oxide.

Ce travail réalisé dans le cadre de l’initiative africaine de l’IUCr porte sur l’étude structurale par diffraction des rayons X de quelques architectures élaborées par association, via des interactions faibles, des anions {[M(C2O4)3]3-,M = Cr, Fe} et des cations complexes à base de la 2-picolylamine (amp) métaux de transition (Co2+, Cu2+ et Mn2+). L’architecture à base de l’ion Co2+ est bidimensionnelle et présente des feuillets ondulés constitués de chaines bimétalliques de chiralité différente où les deux ions complexes ([Cr(C2O4)3]3- et [Co(amp)3]3+ ) sont connectés par des liaisons hydrogène. Ces feuillets hébergent des molécules d’eau qui forment des clusters dodécamèriques aux caractéristiques nouvelles. Le composé déshydraté se réhydrate rapidement dans l’air ambiant et les deux états possèdent des couleurs différentes. Plusieurs cycles de déshydratation-réhydratation n’altèrent pas la qualité cristalline du composé. L’architecture à base des ions Cu2+ possède également des feuillets mais présente une ondulation plus forte que celle de l’architecture au cobalt. Ces couches sont constituées de chaines formées de cations dimériques [Cu2(amp)4Cl]3+ et d’anions {[M(C2O4)3]3-,M = Cr, Fe}. Les deux composés sont iso-structuraux et leur architecture présente des canaux monodimensionnels qui contiennent des molécules d’eau qui forment des clusters hexamèriques. Le composé subit des transitions de phase entre la basse température (100K) et la température de déshydratation (341K) avec une perte de la symétrie. Le composé se réhydrate plus difficilement que celui à base de l’ion cobalt(III). L’ion Mn2+ ne donne pas l’architecture escomptée mais un polymère de coordination nouveau / This work, realized under the IUCr initiative, framework involves the structural study via X-ray diffraction, of some heteromolecular architectures formed by the association through non-covalent bonds, between the tris (oxalato) chromate (III) and tris (oxalato) ferrate (III) anions {[M(C2O4)3]3-, M = Cr, Fe} and the cationic complex of the 2-picolylamine (amp) and transition metal (Co2 +, Cu2 + and Mn2 +). Co2 + ion builds two-dimensional corrugated layers made of bimetallic chiral chains where the two different complex ions ([Cr(C2O4)3]3- and [Co(amp)3]3 +) are connected by hydrogen bonds. These layers, connected by weak hydrogen interactions, host between them, water molecules which build dodecameric clusters having new characteristics. The dehydrated compound has different structure and color and is able to quickly reabsorb water molecules from surrounding to regenerate the initial compound despite that it has no pores. Several cycles of this process do not seriously affect the crystalline quality of this compound. The compound obtained with the Cu2 + ion also has a two-dimensional framework. Their layers are formed between the dimeric cation [Cu2 (amp) 4Cl]3 + and the anion {[M(C2O4)3]3-,M = Cr, Fe}. Both compounds are iso-structural; their frameworks are formed via π - - - π interactions and build 1D channels which contain water molecules forming hexameric clusters. The compound undergoes a phase transition between 100 K and the dehydration temperature (341K). During this dehydration, a loss of symmetry of the compound is recorded and rehydration process is more difficult than for cobalt(III)-framework. The use of Mn2+ ions does not give the expected architecture but a new coordination polymer

Cerca de 20 % dos casos familiares de esclerose lateral amiotrófica (ELAf) são causados por mutações na enzima Cu,Zn-superóxido dismutase (SOD1). Inicialmente se supôs que as enzimas mutantes teriam a atividade SOD comprometida, entretanto isto não foi comprovado. Atualmente, considera-se que as enzimas mutantes adquiram propriedades tóxicas. Quais seriam estas propriedades e como levariam à degeneração do neurônio motor são questões ainda não respondidas. Neste trabalho, comparamos neuroblastomas humanos transfectados com SOD1 G93A associada à ELAf (SH-SY5YG93A), e SOD1 selvagem (SH-SY5YWT) com células parentais (SH-SY5Y) em relação ao crescimento, viabilidade, produção basal de oxidantes, atividades SOD e peroxidásica e modificações estruturais da SOD. As células transfectadas apresentaram aumento na taxa de crescimento e na produção basal de oxidantes. As células SH-SY5YWT e SH-SY5YG93A mantiveram a expressão de SOD1 e atividade consistente com o aumento esperado de duas vezes, em estágios iniciais de cultura. A atividade peroxidásica do homogenato da célula SH-SY5YG93A foi maior. Após quatro semanas, a linhagem SH-SY5YG93A manteve a expressão de SOD1, mas as atividades dismutásica e peroxidásica diminuíram. A expressão de SOD1 aumentou a proporção de formas alteradas de SOD1, como enzima reduzida, multímeros formados por ponte dissulfeto e formas insolúveis em detergente, particularmente na linhagem SH-SY5YG93A. Entre estas formas insolúveis, identificamos um dímero covalente de SOD. Estas formas alteradas provavelmente são responsáveis pela ativação do proteassomo e estresse do retículo endoplasmático, verificados nas células transfectadas. Concluindo, a superexpressão da SOD1 foi suficiente para elevar as formas imaturas e oligomerizadas de SOD1 e a oxidação basal, e a mutação G93A ressaltou estes processos. / Some familial ALS (fALS) are caused by mutations in the Cu,Zn-superoxide dismutase enzyme (SOD1). It was thought that the mutated enzymes would have impaired SOD activity, but this has not been corroborated so far. Presently, it is more accepted that the mutated enzymes acquire a new toxic function. What this new toxic function is and how it relates to the degeneration of motor neurons remains debatable. Here, we compared human neuroblastoma cells transfected with fALS mutant G93A (SH-SY5YG93A) or wild-type SOD1 (SH-SY5YWT) with parent cells (SH-SY5Y) in regard to growth, viability, basal oxidant production, SOD and peroxidase activities, and SOD forms. Transfected cells presented increased growth rate and basal oxidant production. SH-SY5YWT and SH-SY5YG93A cells in early culture stage showed SOD expression and activity consistent with the expected two-fold increase; SH-SY5YWT homogenates showed increased peroxidase activity. After four weeks, SH-SY5YG93A maintained SOD1 expression levels but peroxidase and dismutase activities were lower. SOD1 expression increased the levels of altered SOD1 forms such as the reduced enzyme, disulfide multimers and detergent-insoluble forms, particularly in SH-SY5YG93A cells. Among the insoluble forms a covalent SOD dimer was identified. These altered SOD forms are probably responsible for proteasome activation and endoplasmatic reticulum stress response verified in transfected cells. In conclusion, SOD1 over-expression was sufficient to increase intracellular immature and oligomerized SOD1 forms and basal oxidation and the G93A mutation enhanced these processes.

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon. / Islet of Langerhans inmmunoisolation is proposed as a way to avoid the use of immunosuppressive drugs after transplantation. Microcapsules, the immuno-isolating device, are composed of alginate and poly-L-lysine and the protection of the graft is granted by a semi-permeable membrane. This membrane allows small molecules to freely diffuse within the microcapsule, such as nutrients, glucose and insulin while protecting the graft against the host immune system. Biocompatibility is one of the challenges that must be addressed before the successful clinical application of this device. Microcapsules biocompatibility is related, first, to the biocompatibility of alginate, the polymer used to made microcapsules and second, to the in vivo stability of these microcapsules. In facts, it is well know that the use of an unpurified alginate containing many foreign contaminants to make microcapsules induce the host reaction against microcapsule (HRM). Moreover, damaged or broken microcapsules can allow the dissemination of cells from the encapsulated graft, activating the host immune system. We believe that a better understanding of the initiation processes of the HRM in terms of alginate purification efficacy to remove contamination as well as an improve microcapsule stability will increase microcapsules biocompatibility. Results reported in this thesis suggest that foreign proteins found in alginate are playing a key role in the initiation of HRM and that the reduction of these foreign proteins, by the improvement of alginate purification processes, improves microcapsules biocompatibility. In order to increase microcapsules stability, we also described and characterized an innovative type of microcapsules which involve covalent bonds. These covalently cross-linked microcapsules were found to by highly resistant and stable. The novel fabrication process of these microcapsules was not harmful for the encapsulated cell survival and was also found to confine the graft inside the microcapsules. This characteristic enables us to increase microcapsules biocompatibility by the protection of the host from the encapsulated cells.

L’objectif de ce travail de thèse était la préparation et la caractérisation des hétéropolyanions anhydres sur supports oxydes par la stratégie de chimie organométallique de surface. Les acides anhydres H3PMo12O40 et H3PW12O40 ont été préparés sur silice partiellement déshydroxylée. Cette réaction conduit à une interaction ionique par protonation des silanols de surface. La réactivité de ces hétéropolyacides anhydres en présence d’alkylsilanes a été étudiée en milieu homogène et a conduit à la formation d’espèces silylées cationiques [Et2MeSi+]3[HPA3-] et au dégagement d’hydrogène. Cette réactivité a ensuite été appliquée en milieu hétérogène en fonctionnalisant la surface de la silice par des groupements [(≡SiO)SiMe2H] et a conduit à la formation d’une espèce de surface polyoxometalate liée de manière covalente au support. L’introduction de fonction chloroalkylsilane à la surface de la silice [(≡SiO)SiMeCl2] et [(≡SiO)2SiMeCl] a également permis de former des liaisons covalentes Si Support-O-M HPA. Par ailleurs, Par ailleurs, l’activation du méthane a été observée sur tous les solides HPA/SiO2 à travers le dégagement de CO2, H2O, H2. L’activation C-H a lieu sur ces systèmes même à basse température et les données obtenues suggèrent la formation d’une espèce méthoxy de surface par réaction des protons acides avec le méthane / The aim of this work was the preparation and characterization of anhydrous heteropolyanions on oxide supports using surface organometallic chemistry approach. Anhydrous H3PMo12O40 and H3PW12O40 were prepared on partially dehydroxylated silica. This reaction led to an ionic interaction by protonation of surface silanols. The reactivity of these heteropoly compounds with alkylsilanes was studied in homogeneous conditions and led to the formation of cationic silicon species [Et2MeSi+]3[HPA3-] and release of hydrogen. This reactivity was then applied in heterogeneous conditions by introduction of silane groups [(≡SiO)SiMe2H] at the silica surface and led to the formation of a surface polyoxometalate species covalently bonded to the support. The introduction of chloroalkylsilane groups [(≡SiO)SiMeCl2] and [(≡SiO)2SiMeCl] has also enabled the formation of covalent bonds Si Support-O-M HPA. In addition, methane activation was observed on all HPA/SiO2 solids through the releases of CO2, H2O, H2. The C-H activation takes place on these systems even at low temperature and obtained data suggest the formation of a methoxy surface species by reaction of stronf acidic protons with methane

L’immuno-isolation des îlots de Langerhans est proposée comme moyen d’effectuer des transplantations sans prise d’immunosuppresseurs par le patient. Cette immuno-isolation, par l’entremise d’une microcapsule composée d’alginate et de poly-L-lysine (microcapsule APA), protège le greffon d’une éventuelle attaque du système immunitaire du receveur grâce à sa membrane semi-perméable. Cette membrane empêche le système immunitaire du receveur de pénétrer la microcapsule tout en laissant diffuser librement les nutriments, le glucose et l’insuline. Avant l’application de cette technique chez l’humain, quelques défis doivent encore être relevés, dont la biocompatibilité de ce système. La biocompatibilité fait ici référence à la biocompatibilité du biomatériau utilisé pour la fabrication des microcapsules, l’alginate, mais aussi la biocompatibilité des microcapsules reliée à leur stabilité. En effet, il a été remarqué que, lors d’implantation in vivo de microcapsules fabriquées avec de l’alginate non purifiée, ceci induisait un phénomène nommé Réaction de l’Hôte contre la Microcapsule (RHM). De plus, il est connu que la stabilité des microcapsules APA peut influencer leur biocompatibilité puisqu’une microcapsule endommagée ou brisée pourrait laisser s’échapper les cellules du greffon chez le receveur. Nous croyons qu’une compréhension des processus d’initiation de la RHM en fonction de l’efficacité des procédés de purification d’alginate (et donc des quantités de contaminants présents dans l’alginate) ainsi que l’augmentation de la stabilité des microcapsules APA pourront améliorer la biocompatibilité de ce dispositif, ce que tente de démontrer les résultats présentés dans cette thèse. En effet, les résultats obtenus suggèrent que les protéines qui contaminent l’alginate jouent un rôle clé dans l’initiation de la RHM et qu’en diminuant ces quantités de protéines par l’amélioration des procédés de purification d’alginate, on améliore la biocompatibilité de l’alginate. Afin d’augmenter la stabilité des microcapsules APA, nous décrivons une nouvelle technique de fabrication des microcapsules qui implique la présence de liaisons covalentes. Ces nouvelles microcapsules APA réticulées sont très résistantes, n’affectent pas de façon négative la survie des cellules encapsulées et confinent les cellules du greffon à l’intérieur des microcapsules. Cette dernière caractéristique nous permet donc d’augmenter la biocompatibilité des microcapsules APA en protégeant le receveur contre les cellules du greffon. / Islet of Langerhans inmmunoisolation is proposed as a way to avoid the use of immunosuppressive drugs after transplantation. Microcapsules, the immuno-isolating device, are composed of alginate and poly-L-lysine and the protection of the graft is granted by a semi-permeable membrane. This membrane allows small molecules to freely diffuse within the microcapsule, such as nutrients, glucose and insulin while protecting the graft against the host immune system. Biocompatibility is one of the challenges that must be addressed before the successful clinical application of this device. Microcapsules biocompatibility is related, first, to the biocompatibility of alginate, the polymer used to made microcapsules and second, to the in vivo stability of these microcapsules. In facts, it is well know that the use of an unpurified alginate containing many foreign contaminants to make microcapsules induce the host reaction against microcapsule (HRM). Moreover, damaged or broken microcapsules can allow the dissemination of cells from the encapsulated graft, activating the host immune system. We believe that a better understanding of the initiation processes of the HRM in terms of alginate purification efficacy to remove contamination as well as an improve microcapsule stability will increase microcapsules biocompatibility. Results reported in this thesis suggest that foreign proteins found in alginate are playing a key role in the initiation of HRM and that the reduction of these foreign proteins, by the improvement of alginate purification processes, improves microcapsules biocompatibility. In order to increase microcapsules stability, we also described and characterized an innovative type of microcapsules which involve covalent bonds. These covalently cross-linked microcapsules were found to by highly resistant and stable. The novel fabrication process of these microcapsules was not harmful for the encapsulated cell survival and was also found to confine the graft inside the microcapsules. This characteristic enables us to increase microcapsules biocompatibility by the protection of the host from the encapsulated cells.

Le nombre croissant d'admissions hospitaliairres provoquées par les effets second d'un traitement thérapeutique constitue un problème majeur de santé publique. L'hépatite médicamenteuse, la pathologie iatrogène la plus fréquente pose également un problème d'ordre économique. En effet, l'hépatotoxicité des médicaments constitue la première cause de leur retrait du marché pharmaceutique. La non détection de ce potentiel hépatotoxique, avant commercialisation provient essentiellement du caractère idiosyncratique de ce type d'hépatites médicamenteuscs. Cclles-ci se divisent en deux types : les hépatites médicamenteuses qualifiées de directes et à l'inverse les hépatites médicamenteuses immunoallergiques. Les mécanismes sous-jacents des hépatites médicamenteuses idiosyncratiques sont généralement méconnus et leur comprehension constitue donc à la fois un impératif de santé publique et économique. Mon travail s'est inscrit dans cette optique et a consisté à appréhendcr les premières étapes impliquées dans l'apparition des, hépatites idiosyncratiques et en particulier celle induite par l'acide tiénilique (AT). En effet, ce diurétique, retiré du marché pharmaceutique français en 1992 a été responsable de nombreuses hépatites imrnunoallergiques., Les patients atteints de ces hepatitis induites par l'AT possèdent des anticorps très spécifiques, désignés anti-LKM2, dirigés contre le CYP2C9, le P450 responsible de la métabolisation de l'AT. Les principaux resultants obtenus sont les suivants : nous avons montré que l'activation de l'isomère de l'acide tiénilique par les microsomes hépatiques humains conduit à la formation de sulfoxydes de thiophène. Ces metabolites électrophiles instables, comme ceux de l'AT, réagissent avec les proteins hépatiques avec lesquelles ils forment des adduits covalents. La formation de sulfoxydes de thiophène liée à l'activation de l'AT chez l'homme constitue probablement la première étape impliquée dans les hepatites induites par ce médicament. Nous avons ensuite démontré que la fixation covalente de l'AT après activation par les microsomes hépatiques est très spécifique chez l'homme. En effet le CYP2C9 est la cible principale des metabolites de l'AT. L'alkylation du CYP2C9 par l'AT in vivo chez l'homme pourrait constituer la seconde étape impliquée dans l'hépatite induite par ce medicament. Nous avons ensuite montré que le CYP2C11, l'homologue du CYP2C9 humain, est une cible privilégiée des métabolites de l'AT chez le rat. Nous montrons que cette fixation covalente sur le CYP2C11 est observable à la fois in vitro et in vivo. Nous montrons que les adduits de l'AT chez le rat sont principalement localizes au niveau des hépatocyte centrolobulaires. L'alkylation majoritaire des hépatocytes centrolobulaires chez l'homme pourrait favoriser la présentation d'adduits d'AT aux cellules immunocompétentes sanguines et constituer la troisième étape des hepatitis autoimmunes induites par le medicament. Nous montrons qu'en effet les patients traits avec l'AT possèdent des anticorps capables de reconnaitre l'AT lorsqu'il est lié à des proteins.

Tesis por compendio / [ES] La presente Tesis Doctoral plantea el desarrollo de sistemas antimicrobianos basados en el anclaje covalente reversible de aldehídos de origen natural con actividad antimicrobiana en películas de quitosano para su aplicación en el envasado de alimentos. En primer lugar, se desarrolló un protocolo para la formación de bases de Schiff o iminas de diferentes aldehídos en películas de quitosano. Estas iminas son producto de la condensación de los grupos amino primarios del quitosano con los grupos carbonilo del aldehído. El anclaje de dichos aldehídos, en su mayoría de elevada volatilidad, permite su estabilización a largo plazo en estructuras poliméricas, facilitando su manejo. Las iminas son hidrolizables, y dicha hidrólisis está favorecida a pH < 5, por lo que la naturaleza reversible del enlace ofrece un mecanismo para controlar la liberación del antimicrobiano. Previamente a su anclaje, se evaluó la capacidad antimicrobiana de los aldehídos frente a diversos microorganismos patógenos y alterantes alimentarios. Se caracterizó el enlace imina mediante técnicas espectroscópicas y se cuantificó la incorporación del aldehído a la película de quitosano mediante análisis elemental. Adicionalmente otras propiedades funcionales del material fueron evaluadas, como propiedades térmicas, ópticas o de absorción de agua. En segundo lugar, se evaluó la reversibilidad del enlace imina o base de Schiff por el contacto con soluciones acuosas de diferente acidez. La respuesta al pH de las películas permitió determinar la mayor estabilidad del enlace imina a pH neutros, mientras que a pH ácidos resultó más hidrolizable, permitiendo así una mayor liberación del aldehído anclado. Las películas activas desarrolladas mostraron una buena respuesta antimicrobiana contra Botrytis cinerea y Penicillium expansum, al someterlas a una solución de pH ácido. La respuesta antimicrobiana de las películas se debió exclusivamente a la liberación del aldehído al espacio de cabeza tras la hidrólisis de la imina. La estructura química de los aldehídos tuvo un impacto significativo en la formación de iminas y en las propiedades de la película, así como en su reversibilidad. Así, la presencia del doble enlace (Ca=Cß) en aldehídos a,ß-insaturados podría generar otro tipo de enlaces como la adición de Michael, permitiendo obtener matrices entrecruzadas y más estables que sus análogos saturados. El grado de entrecruzamiento y propiedades de estas películas puede ser modulado por el pH del medio empleado en su síntesis. Para la aplicación tecnológica de las películas antimicrobianas de quitosano con los volátiles anclados reversiblemente, se trabajó con productos de postcosecha frescos o mínimamente procesados. Se empleó la respuesta al pH de las películas siguiendo diferentes estrategias. Por una parte, el sistema se incorporó en el envasado de moras frescas, para ello, se diseñó un envase de doble fondo dónde depositar las películas junto con el medio activador. Se redujo satisfactoriamente el crecimiento de hongos sobre la superficie de la fruta, aumentando el tiempo de vida útil de las moras envasadas de 3 a 12 días. Por otra parte, se envasó piña fresca cortada empleando el mismo diseño del envase, de forma que el jugo ácido exudado por la piña durante su almacenamiento catalizó la hidrólisis de la imina. Las películas activas mejoraron la calidad y redujeron la carga microbiana habitual de la piña, observando una reducción notable respecto al control a partir del día 9. Por último, la actividad antimicrobiana de las películas activas se evaluó en un alimento líquido refrigerado inoculado con E. coli. La acidez del zumo provocó la liberación del aldehído al medio inhibiendo el crecimiento del patógeno. Las películas de quitosano con los aldehídos anclados presentaron respuesta al pH, mostrando una mayor capacidad antimicrobiana al ser sometidas a pH ácido, y pudiendo emplearse en el diseño de envases activos antimicrobianos. / [CA] Aquesta Tesi Doctoral planteja el desenvolupament de sistemes antimicrobians basats en l'ancoratge covalent reversible d'aldehids d'origen natural amb activitat antimicrobiana en pel·lícules de quitosà per aplicar-les a l'envasament d'aliments. En primer lloc, es va desenvolupar un protocol per a la formació de bases de Schiff o imines de diferents aldehids en pel·lícules de quitosà. Aquestes imines són el producte de la addició nucleòfila dels grups amino del quitosà al carbonil de l'aldehid que s'ancorarà. L'ancoratge d'aquests aldehids, majoritàriament d'elevada volatilitat, permet la seva estabilització a llarg termini en estructures polimèriques, facilitant-ne el seu maneig. Les imines són hidrolitzables, i aquesta hidròlisi està afavorida a pH < 5, per la qual cosa la naturalesa reversible de l'enllaç ofereix un mecanisme per controlar l'alliberament de l'antimicrobià. Prèviament a la incorporació d'aquests compostos a les pel·lícules de quitosà, es va avaluar la capacitat antimicrobiana dels aldehids davant de diversos microorganismes patògens i alterants d'aliments. Es va caracteritzar l'enllaç imina mitjançant tècniques espectroscòpiques i es va quantificar la incorporació de l'aldehid a la pel·lícula de quitosà mitjançant anàlisi elemental. Addicionalment, altres propietats funcionals del material van ser avaluades, com a propietats tèrmiques, òptiques o d'absorció d'aigua, verificant la modificació del polímer. En segon lloc, es va avaluar la reversibilitat de l'enllaç imina o base de Schiff pel contacte amb solucions aquoses de diferent acidesa. La resposta al pH de les pel·lícules va permetre determinar la major estabilitat de l'enllaç imina a pH neutres, mentre que a pH àcids va resultar més hidrolitzable, permetent així un alliberament més gran de l'aldehid ancorat. Les pel·lícules actives desenvolupades van mostrar una bona resposta antimicrobiana contra Botrytis cinerea i Penicillium expansum,la qual és deguda exclusivament a l'alliberament de l'aldehid a l'espai de cap després de la hidròlisi de la imina. L'estructura química dels aldehids va tenir un impacte significatiu en la formació d'imines i en les propietats de la pel·lícula, així com en la reversibilitat. Així, la presència del doble enllaç (Ca=Cß) en aldehids a,ß-insaturats podria generar un altre tipus d'enllaços com l'addició de Michael, permetent obtenir matrius entrecreuades i més estables que els seus anàlegs saturats, el qual pot ser modulat pel pH del medi emprat a la síntesi. Per a l'aplicació tecnològica de les pel·lícules antimicrobianes de quitosà amb els volàtils ancorats reversiblement, es va treballar amb productes de postcollita frescos o mínimament processats. Es va emprar la resposta al pH de les pel·lícules seguint diferents estratègies. D'una banda, el sistema es va incorporar a l'envasat de móres fresques, per això es va dissenyar un envàs de doble fons on dipositar les pel·lícules juntament amb el medi activador a pH àcid. Es va reduir satisfactòriament el creixement de fongs sobre la superfície de la fruita, augmentant el temps de vida útil de les móres envasades de 3 a 12 dies. D'altra banda, es va envasar pinya fresca tallada emprant el mateix disseny de l'envàs, de manera que el suc àcid exsudat per la pinya durant el seu emmagatzematge va afavorir la hidròlisi de la imina. Les pel·lícules actives van millorar la qualitat i van reduir la càrrega microbiana habitual de la pinya, observant una reducció notable a partir del dia 9. Per acabar, l'activitat antimicrobiana de les pel·lícules actives es va avaluar en un aliment líquid refrigerat i inoculat amb E. coli. L'acidesa del suc va provocar l'alliberament de l'aldehid al medi inhibint el creixement del patogen. Les pel·lícules de quitosà amb els aldehids ancorats van presentar resposta al pH, mostrant una major capacitat antimicrobiana en ser sotmeses a pH àcid, i podent emprar-se en el disseny d'envasos actius antimicrobians. / [EN] This Doctoral Thesis proposes the development of antimicrobial systems based on the reversible covalent anchoring of naturally occurring aldehydes with antimicrobial activity in chitosan films for their application in food packaging. First, a protocol for the formation of Schiff bases or imines of different aldehydes on chitosan films was developed. These imines are the product of the condensation of the primary amino groups of chitosan with the carbonyl groups of the aldehyde. The immobilization of these aldehydes, most of which are highly volatile, allows their long-term stabilisation in polymeric structures, facilitating their handling. The imines are hydrolysable, and its hydrolysis is favoured at pH < 5, so the reversible nature of the bond provides a mechanism to control the antimicrobial release. Prior to the incorporation of these compounds into chitosan films, the antimicrobial capacity of aldehydes was evaluated against various pathogenic and food spoilage microorganisms. The formed imine bond was characterised by spectroscopic techniques and the incorporation of the aldehyde into the chitosan film was quantified by elemental analysis. Additionally, other functional properties were evaluated, such as thermal, optical and water absorption properties, verifying the modification of the polymer. Secondly, the reversibility of the imine bond or Schiff's base was evaluated by contact with aqueous solutions of different acidity. The pH response of the films allowed determining the higher stability of the imine bond at neutral pH, while at acidic pH it was more hydrolysable, leading a higher release of the anchored aldehyde The developed active films showed a good antimicrobial response against Botrytis cinerea and Penicillium expansum, especially when subjected to an acidic pH solution. The antimicrobial response of the films was exclusively due to the aldehyde released into the headspace after imine hydrolysis. The chemical structure of the aldehydes had a significant impact on imine formation and film properties, as well as on their reversibility. Thus, the presence of the double bond (Ca=Cß) in a,ß-unsaturated aldehydes could generate other types of bonds such as Michael addition, allowing cross-linked polymer, which are more stable than their saturated analogues. The degree of cross-linking and properties of these films can be modulated by the pH of the medium used in their synthesis. For the technological application of chitosan antimicrobial films with reversibly grafted volatiles, fresh or minimally processed post-harvest products were used. The pH response of the films was used following different strategies. On the one hand, the system was incorporated in the packaging of fresh blackberries, for this purpose, a double-bottom package was designed to deposit the films together with the activating medium at acid pH. The solution was added at the time of fruit packaging and allowed the imine bond to be hydrolysed subsequently the aldehyde release into the headspace where it exerted its function. Fungal growth on the fruit surface was successfully reduced, increasing the shelf life of the packed blackberries from 3 to 12 days. Moreover, fresh cut pineapple was packaged using the same packaging design, so that the exuded juice by the pineapple during storage favoured the imine hydrolysis. The active films improved the quality and reduced the usual microbial load of the pineapple, with a noticeable reduction compared to the control from day 9 onwards. Finally, the antimicrobial activity of the active films was evaluated in a refrigerated liquid food inoculated with E. coli. The acidity of the juice resulted in the release of aldehyde into the medium inhibiting the growth of the pathogen. The aldehyde immobilization in chitosan films were pH-responsive, showing a higher antimicrobial capacity when subjected to acidic pH, which can be used in the design of antimicrobial active packaging. / The authors acknowledge the financial support of the Spanish Ministry of Science and Innovation (Grants RTI2018-093452-B- I00, MAT2017-83014-C2-2P and BES-2016-077380 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by ERDF A way of making Europe) / Heras Mozos, R. (2022). Envases activos basados en el anclaje covalente reversible de compuestos antimicrobianos en quitosano [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188950 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] Los componentes de los aceites esenciales (CAEs) han demostrado ser eficaces contra una amplia variedad de microorganismos. Sin embargo, su aplicación plantea desafíos debido a su baja solubilidad y alteración de las propiedades organolépticas en los alimentos. Por tanto, la búsqueda de nuevas formas de dosificación es fundamental para promover su uso en la industria alimentaria. La presente tesis doctoral está centrada en el desarrollo y aplicación de sistemas antibacterianos y antivirales basados en la inmovilización covalente de CAEs para mejorar la calidad y seguridad de alimentos líquidos. El primer capítulo evaluó el efecto de la adición de componentes naturalmente presentes en los alimentos (proteínas, lípidos, carbohidratos, ácidos orgánicos y etanol) sobre la actividad antimicrobiana de diferentes CAEs (carvacrol, eugenol, geraniol, timol y vainillina) en su forma libre. Además, se evaluó la influencia de los componentes alimentarios sobre la vainillina inmovilizada. Los resultados mostraron que la albúmina sérica bovina (BSA), el aceite de girasol y algunos carbohidratos fueron los componentes que más inhibieron la actividad antimicrobiana de los CAEs libres, con algunas excepciones. En los medios que contienen BSA, no se inhibió la actividad antimicrobiana del geraniol. Lo mismo ocurrió con eugenol en aceite de girasol, o con carvacrol, eugenol, geraniol y timol en presencia de D-lactosa. La vainillina inmovilizada confirmó el efecto inhibidor de las proteínas, lípidos y carbohidratos sobre la actividad antimicrobiana, pero el ácido cítrico y el etanol mejoraron la actividad antimicrobiana. Estos resultados demuestran la importancia de considerar la composición de la matriz alimentaria al seleccionar un compuesto antimicrobiano. El segundo capítulo evaluó la aplicación de CAEs frente al crecimiento y producción de guaiacol por un microorganismo alterante y termorresistente como Alyciclobacillus acidoterrestris en zumo de naranja. Para ello, se utilizaron CAEs inmovilizados con dos enfoques diferentes: como aditivos y como coadyuvantes tecnológicos. La presencia de CAEs provocó una reducción microbiana y una inhibición de la producción de guayacol, que fue mantenida tras la inmovilización. Este hecho es de gran interés, ya que la inmovilización evita el problema de alteración organoléptica del producto, derivado de la aplicación de estos antimicrobianos en forma libre. En el tercer capítulo se estudió la actividad antiviral de los CAEs, tanto en forma libre como inmovilizada, frente al virus Tulane en agua. La aplicación de CAEs en forma libre logró una reducción de la infectividad de sólo 1 log10, mientras que concentraciones equivalentes de antimicrobiano inmovilizado redujeron la infectividad a más de 4,5 log10. Por otro lado, el mecanismo antiviral se basó en la modificación o alteración de cápside viral. Además, se determinó que los CAEs inmovilizados no son citotóxicos en concentraciones antivirales efectivas. A pesar de la eficacia observada tras la inmovilización de los CAEs, su aplicación práctica en la industria alimentaria presenta varios desafíos, siendo uno de ellos la aceptación de esta tecnología por parte de los consumidores. El último capítulo estudió la percepción de los consumidores sobre el uso de la nanotecnología en el procesamiento de alimentos. La valoración de los distintos alimentos en los que se había aplicado nanotecnología en su procesamiento o envasado fue en general positiva. De todos los productos, aquellos en los que la nanotecnología no formaba parte de los alimentos recibieron la mejor valoración. Teniendo en cuenta este resultado, los CAEs inmovilizados aplicados como coadyuvantes tecnológicos serían los más valorados y, por tanto, podrían ser una excelente alternativa a los tratamientos de conservación convencionales, para controlar tanto virus como bacterias durante la producción y el almacenamiento de alimentos. / [CA] Els components dels olis essencials (COEs) han demostrat ser eficaços en fornt d'una àmplia varietat de microorganismes. Tot i això, la seua aplicació planteja desafiaments a causa de la seua baixa solubilitat i alteració de les propietats organolèptiques en els aliments. Per tant, la recerca de noves formes de dosificació és fonamental per promoure'n l'ús a la indústria alimentària. Aquesta tesi doctoral està centrada en el desenvolupament i l'aplicació de sistemes antibacterians i antivirals basats en la immobilització covalent de COEs per a millorar la qualitat i la seguretat d'aliments líquids. El primer capítol va avaluar l'efecte de l'addició de components naturalment presents als aliments (proteïnes, lípids, carbohidrats, àcids orgànics i etanol) sobre l'activitat antimicrobiana de diferents COEs (carvacrol, eugenol, geraniol, timol i vainillina) en la seua forma lliure. En aquesta primera part també es va avaluar la influencia dels components alimentaris sobre la vainillina immobilitzada. Els resultats van mostrar que l'albúmina sèrica bovina (BSA), l'oli de gira-sol i alguns carbohidrats van ser els components que van inhibir més l'activitat antimicrobiana dels COEs lliures, amb algunes excepcions. Als mitjans que contenen BSA no es va inhibir l'activitat antimicrobiana del geraniol. El mateix va passar amb eugenol en oli de gira-sol, o amb carvacrol, eugenol, geraniol i timol en presencia de D-lactosa. La vainillina immobilitzada va confirmar l'efecte inhibidor de les proteïnes, els lípids i els carbohidrats sobre l'activitat antimicrobiana, però l'àcid cítric i l'etanol van millorar l'activitat antimicrobiana. Aquests resultats demostren la importància de considerar la composició de la matriu alimentària quan s'ha de seleccionar un compost antimicrobià per a una aplicació concreta. El segon capítol va avaluar l'aplicació de COEs en front del creixement i la producció de guaiacol per un microorganisme alterant i termorresistent com Alyciclobacillus acidoterrestris en suc de taronja. Per això, es van utilitzar COEs immobilitzats amb dos enfocaments diferents: com a additius i com a coadjuvants. La presència de COEs provoca una reducció microbiana i una inhibició de la producció de guaiacol, així com manté la seua eficàcia després de la immobilització. Aquest fet és de gran interès, ja que la immobilització evita el problema d'alteració organolèptica del producte, derivat de l'aplicació d'aquests antimicrobians en forma lliure. Al tercer capítol es va estudiar l'activitat antiviral dels COEs, tant en forma lliure com immobilitzada, davant del virus Tulane en aigua. L'aplicació de COEs en forma lliure va aconseguir una reducció de la infectivitat de només 1 log10, mentre que concentracions equivalents d'antimicrobià immobilitzat van reduir la infectivitat a més de 4,5 log10. D'altra banda, es va comprobar que el mecanisme antiviral es va basar en la modificació o alteració de la càpside viral. A més, es va determinar que els COEs immobilitzats no són citotòxics en concentracions antivirals efectives. Tot i l'eficàcia observada després de la immobilització dels COEs, la seua aplicació pràctica a la indústria alimentària presenta diversos desafiaments, un dels quals és l'acceptació d'questa tecnologia per part dels consumidors. El darrer capítol va estudiar la percepció dels consumidors sobre l'ús de la nanotecnologia en el processament d'aliments. La valoració dels diferents aliments en que s'havia aplicat nanotecnologia al seu processament o envasat va ser en general positiva. De tots els productes, aquells en que la nanotecnologia no formava part dels aliments van rebre la millor valoració. Tenint en compte aquest resultat, els COEs immobilitzats aplicats com a coadjuvants de processament serien els més valorats i, per tant, podrien ser una alternativa excel·lent als tractaments de conservació convencionals, per controlar tant virus com bacteris durant la producció i l'emmagatzematge d'aliments. / [EN] Essential oil components (EOCs) have proven to be effective against a wide variety of microorganisms. However, the direct application of these compounds poses challenges due to their low solubility and alteration of the organoleptic properties of foods. Therefore, the search for new dosage forms of these promising antimicrobials is essential to promote their use in the food industry. The present doctoral thesis is focused on the development and application of antibacterial and antiviral systems based on the covalent immobilization of EOCs to improve the quality and safety of liquid foods. The first chapter evaluated the effect of the addition of components naturally present in food (proteins, lipids, carbohydrates, organic acids and ethanol) on the antimicrobial activity of certain EOCs (carvacrol, eugenol, geraniol, thymol and vanillin) in their free form. In this first part, the influence of these food components on the antimicrobial activity of vanillin immobilized on silicon oxide particles was also evaluated. The results showed that bovine serum albumin (BSA), sunflower oil and some carbohydrates were the food components that most inhibited the antimicrobial activity of the free EOCs, with some exceptions. In media containing BSA the antimicrobial activity of geraniol was not inhibited. The same occurred with eugenol in media containing sunflower oil, or with carvacrol, eugenol, geraniol and thymol in media with D-lactose. Immobilized vanillin confirmed the inhibitory effect of the proteins, lipids and carbohydrates on the antimicrobial activity, but citric acid and ethanol enhanced the antimicrobial activity. These results demonstrate the importance of considering the composition of the food matrix when selecting an antimicrobial compound. The second chapter evaluated the application of EOCs against the growth and production of guaiacol by a spoilage and heat-resistant microorganism such as Alyciclobacillus acidoterrestris in orange juice. For this purpose, EOCs immobilized on silicon oxide particles were used with two different approaches: as additives and as processing aids. The presence of EOCs causes a microbial reduction and an inhibition of guaiacol production, maintaining their effectiveness after immobilization. This fact is of great interest, since immobilization avoids the problem of organoleptic alteration of the product, derived from the application of these antimicrobials in free form. In the third chapter, the antiviral activity of EOCs, both in free and immobilized form, against Tulane virus in water was studied. The application of EOCs in free form achieved a reduction in infectivity of only 1 log10, equivalent concentrations of immobilized antimicrobial reduced infectivity to more than 4.5 log10. On the other hand, it has been demonstrated that the antiviral mechanism is based on the ability of immobilized antimicrobials to modify or disrupt the viral capsid. Furthermore, it was determined that immobilized EOCs are not cytotoxic at effective antiviral concentrations. Despite the efficacy observed after immobilization of EOCs against bacteria and viruses, their practical application in the food industry presents several challenges, one of them is the acceptance of this technology by consumers. Thus, the last chapter studied the perception of consumers regarding the use of nanotechnology in food processing. The evaluation of the different foods in which nanotechnology had been applied in their processing or packaging was generally positive, and most consumers would buy them. Of all the products, those in which nanotechnology was not part of the food received the best evaluation. Considering this result, immobilized EOCs applied as processing aids would be the most highly valued, and therefore could be an excellent alternative to conventional preservation treatments, to control both viruses and bacteria during food production and storage. / This research forms part of project PID2021-128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. H.G.LL. acknowledges the Universitat Politécnica de València for his predoctoral fellowship. The authors acknowledge native English translator Helen Warburton for editing the text. The authors gratefully acknowledge the financial support from the project PID2021-128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. This work is also granted by the project TED2021- 132035B-I00, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “European Union NextGenerationEU/PRTR”. CG-B thanks the financial support received from the Spanish State Agency of Research (PID2022-136963OBI00/AEI/10.13039/501100011033), the Xunta de Galicia [ED431C 2021/29 and Centro singular de investigación de Galicia accreditation 2019-2022 (ED431G 2019/03)], and the European Regional Development Fund (ERDF). H.G.LL. acknowledges the Universitat Politècnica de València for his predoctoral fellowship. The authors gratefully acknowledge the financial support from the project PID2021- 128141OB-C21 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ERDF A way of making Europe”. This work is also granted by the project TED2021-132035B-I00, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “European Union NextGenerationEU/PRTR”. H.G.LL. acknowledges the Universitat Politècnica de València for his predoctoral fellowship.The authors gratefully acknowledge the financial support for the experiment reported herein from the Spanish Government (RTI2018-101599-B-C21-AR). Héctor Gómez Llorente wishes to thank the Universitat Politècnica de València for the FPI Grant. / Gómez Llorente, H. (2024). New Strategies to Enhance the Quality and Safety of Liquid Foods Based on the Use of Natural Antimicrobial Compounds [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207284 / Compendio