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This study began the process of evaluating hollow-fiber ultrafiltration for treatment of winery wastewater pond effluent in preparation for drip irrigation. In areas subject to drought, wastewater recycling is becoming an increasingly popular practice. In California’s central coast region, winery wastewater recycling for irrigation can be hindered by clogging of the drip irrigation systems with suspended solids. To address this issue, this study investigated the feasibility of using hollow fiber ultrafiltration membranes as a polishing step for winery wastewater treated in an aerated lagoon-facultative pond series. A bench-scale, hollow-fiber ultrafiltration membrane system was assembled, and experimental testing was performed to determine the operational parameters of the membrane including flux, transmembrane pressure (TMP), and recovery over a range of flowrates and concentrate valve configurations using off-season (from outside of the Harvest season) pond-treated winery wastewater. Based on these characterization trials an initial effluent-to-permeate (Pond 2, an algae-rich pond following an aerated lagoon, effluent used as influent for the membrane system) flux of 258 L/m2·hr and a concentrate valve configuration of 60°-closed (TMP ranging between 5 – 32 PSI) were selected for performing ultrafiltration tests on winery wastewater collected from the effluent pond at a central coast winery. Through testing a range of times, optimal wastewater filtration and backwash times of 1.5 minutes and 30 seconds, respectively, were determined for the membrane system. DI water was used for backwashing, as a baseline. For a clean-in-place (CIP) system, the effective chemical types and concentrations were determined to be 0.4-M NaOH and 0.9-M acetic acid. Both chemicals were recirculated through the membrane for 1 hour, starting with the 0.4-M NaOH followed by the 0.9-M acetic acid. This CIP procedure was not able to remove fouling sufficiently for practical operation. For this reason, two forms of wastewater pretreatment were tested: using a 177 µm screen prior to the ultrafilter and filling the screen with sand. For the conditions tested, both forms of pretreatment proved to be ineffective. Only when the wastewater was given sufficient time to naturally flocculate was the screen system effective on its own. This residual fouling also prevented adequate testing to calculate the following membrane fouling characteristics: reversible fouling ratio, irreversible fouling ratio, flux recovery ratio, and total fouling ratio. In the annual cycle of winery operations, different winery processes have different effects on the quality of the wastewater. Therefore, wastewater quality analyses were conducted throughout the duration of the study (October 2023 – May 2024) to understand the concentration ranges and trends of several wastewater quality indicators. Specifically, total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), pH, Alkalinity, and turbidity were measured throughout the study. The levels of TSS, VSS, and turbidity were expectedly highest during the harvest season. The VSS constituted the majority of the measured TSS, averaging about 85% of the TSS. The pH was consistent throughout the study, while alkalinity increased in the off-season period of the study. The measured levels of TSS and pH were within the ranges reported in literature for winery wastewater. No prior reports were found for VSS, alkalinity, and turbidity levels for winery wastewater, so this study may provide new information in this regard.

Les deux objectifs principaux de ce projet étaient d’étudier la mobilité électrophorétique d’oligomères de chitosane et d’appliquer les résultats pour les séparer dans un système d’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration (EDUF). Le premier sous-objectif a été d’étudier les mobilités électrophorétiques de standards de D-glucosamine et d’oligomères de chitosane (dimère, trimère, tétramère, pentamère et hexamère) en milieu dilué dans différentes conditions de pH, de sels et de forces ioniques ajoutées. Une gamme de pH allant de 3 à 9 a été étudiée. Deux sels; NaCl et KCl, ont été utilisés aux valeurs de forces ioniques de 0.01, 0.05 et 0.1 mole/L. Les mêmes mesures ont été réalisées dans l’eau déionisée sans ajout de sel, représentant le milieu sans force ionique ajoutée. La mobilité électrophorétique diminuait avec l’augmentation du pH et de la force ionique. Les plus hautes valeurs de mobilité ont été enregistrées dans l’eau. Le dimère a été le plus mobile. À partir du degré de polymérisation (DP) de 3 correspondant au trimère, aucune différence n’a été enregistrée entre les mobilités des oligomères. Le deuxième sous-objectif a été d’étudier la mobilité électrophorétique d’un mélange typique d’oligomères de chitosane composé de dimère, trimère et tétramère. L’effet de la concentration sur la mobilité électrophorétique du mélange a été étudiée. Des valeurs de pH variant de 2 à 12 dans l’eau et dans du NaCl aux forces ioniques ajoutées de 0.01, 0.05 et 0.1 M ont été étudiées. Les plus hautes mobilités électrophorétiques ont été enregistrées dans l’eau sans ajout de sel aux pH 2 et 3 avec une valeur moyenne de 2.009 ± 0.105 x 10-6 m2/V.s. Aux pH 4, 5 et 6, la mobilité électrophorétique a été stable avec une moyenne de 1.225 ± 0.051 x 10-6 m2/V.s. En augmentant le pH, la mobilité des oligomères diminuait en raison de la déprotonation de la fonction amine. Suite à ces études fondamentales, le troisième sous-objectif a été d’étudier l’effet du seuil de coupure des membranes d’ultrafiltration (500, 1000, 5000, 10000 et 20000 Da) lors de la séparation des oligomères de chitosane et correspondant à un produit industriel. Le seuil de coupure de la membrane avait un effet significatif sur le taux d’électromigration de chaque oligomère, ainsi que sur la possibilité de les séparer. Après 4h de traitement, le taux d’électromigration du dimère a été le plus élevé avec des valeurs allant de 5.71 ± 0.95% avec une membrane 1000 Da jusqu’à 14.45 ± 1.43% avec une membrane de 20000 Da. Suite au troisième sous-objectif, une membrane d’ultrafiltration de 10000 Da a été sélectionnée pour la suite du projet. Ce choix a été basé sur le fait que cette membrane a montré une rétention du tetramère pendant deux heures de traitement et a laissé passer tous les oligomères par la suite. Le quatrième sous-objectif a été d’étudier l’effet du pH sur le taux d’électromigration des oligomères et la possibilité de leur séparation avec la membrane de 10000 Da. Le pH a eu un effet significatif sur le taux d’électromigration et la possibilité de séparation des oligomères. Après 4h de traitement, le taux d’électromigration du dimère a atteint des valeurs de 11.50 ± 4.33, 10.61 ± 0.21, 8.30 ± 0.0.34 et 5.52 ± 0.38% aux pH 4, 5, 6 et 7, respectivement. Le trimère a migré en même temps que le dimère mais avec des taux d’électromigration inférieurs. Le tétramère a migré uniquement après 3 et 4 h à pH 4 et 5, respectivement et n’a pas migré aux pH 6 et 7. Aux pH 8 et 9, aucune électromigration n’a été observée. Finalement, le cinquième sous-objectif a été d’étudier l’effet du champ électrique (2.5, 5 et 10 V/cm, correspondant aux différences de potentiel de 5, 10 et 20 V, respectivement) appliqué au système d’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration et des vitesses de circulation des solutions (2.77, 8.33 et 13.88 cm/s correspondant à 100, 300 et 500 mL/min) sur le taux d’électromigration et la séparation des oligomères. Le champ électrique a eu un effet significatif à la fois sur le taux d’électromigration des oligomères de chitosane et sur la possibilité de les séparer. À 2.5 V/cm, il a été possible d’obtenir une solution composée uniquement du dimère et du trimère après 2 h de traitement. Le dimère ayant un taux d’électromigration de 10.20 ± 3.04% et le trimère de 8.52 ± 1.66%. Avec des champs électriques de 5 et 10 V/cm, aucune séparation possible n’a été observée. / The aim of this project was to study the electrophoretic mobility of chitosan oligomers and to apply the results to separate them in an electrodialysis with ultrafiltration membrane (EDUF) system. The first sub-objective was to study the electrophoretic mobilities of D-glucosamine and chitosan oligomers (dimer, trimer, tetramer, pentamer and hexamer) under various conditions of pH, salts and added ionic strengths. pH values from 3 to 9 and ionic strength of 0.01, 0.05 and 0.1 M of NaCl and KCl were studied. The same measurements were carried out in deionised water as a medium without any added ionic strength. Chitosan oligomer electrophoretic mobility decreased by increasing pH and ionic strength. The highest values were recorded in water followed by those in NaCl or KCl with an ionic strength of 0.01 M. The lowest values were recorded at an ionic strength of 0.05 and 0.1 M. The dimer was the most mobile oligomer followed by the monomer. No difference was observed between the mobilities of the oligomers with degree of polymerisation (DP) of 3 and more. The second sub-objective consisted to study the electrophoretic mobility of chitosan oligomer mixture composed by dimers, trimers and tetramers at different concentrations. pH values from 2 up to 12, added ionic strength of 0.01, 0.05 and 0.1 M of NaCl were studied. Electrophoretic mobility was also carried out in water as medium with zero added ionic strength. At a concentration of 3%, the chitosan oligomer mixture showed the highest electrophoretic mobility at pH 2 and 3 with an average value of 2.009 ± 0.105 x 10-6 m2/V.s. At pH 4, 5 and 6, the electrophoretic mobility was stable with an average value of 1.225 ± 0.051 x 10-6 m2/V.s. By increasing the pH, electrophoretic mobility decreased because of the deprotonation phenomenon of the amine group. By decreasing the concentration, the electrophoretic mobility decreased. Following these fundamental studies, the separation by an electrodialysis with ultrafiltration membrane (EDUF) system of a chitosan oligomer mixture was studied. The third sub-objective was to study the effect of ultrafiltration membrane molecular weight cut-offs on chitosan oligomers electromigration rates and kinetics. Five cellulose ester ultrafiltration membranes of 500, 1000, 5000, 10000 and 20000 Da MWCO were used. The membrane molecular weight cut-off had a significant effect on the electromigration rate of each chitosan oligomer, as well as on the possibility of their separation. The dimer showed the highest electromigration rates with average values which varied from 5.71 ± 0.95% up to 14.45 ± 1.43% with 1000 and 20000 Da MWCO UF-membranes, respectively. The effect of the processing time and the oligomers chain length was interpreted. Following this objective, an UF-membrane of 10000 Da MWCO was selected for the future objectives. The fourth sub-objective was to study the effect of the pH on the electromigration rate of the studied oligomers and their kinetics. pH 4 and solution flow velocity of 0.5 cm/s (300 mL/min) were used. pH had a significant effect on the electromigration rate of the oligomers and the possibility of their separation. After 4h of treatment, the dimer showed the highest electromigration rates with mean values of 11.50 ± 4.33, 10.61 ± 0.21, 8.30 ± 0.34 and 5.52 ± 0.38% at pH values of 4, 5, 6 and 7, respectively. Trimer electromigration rates were lower than that of the dimer. Between pH 4 and 7, it migrated with mean values of 8.52 ± 1.45 and 0.83 ± 0.43%, respectively. The effect of the processing time, electrophoretic mobility and oligomers chain length were interpreted. It was possible to obtain a fraction composed by the dimer and trimer at pH 4 and 5 until 2 and 3h, respectively. At pH 6, the tetramer did not migrate during the 4h of treatment. At pH 7, it was possible to obtain dimer pure fraction until 2h of treatment. No electromigration was observed at pH 8 and 9. In the fifth sub-objective, the effect of the applied external electric field (2.5, 5 and 10 V/cm, corresponding to an applied volatage of 5, 10 and 20 V, respectively) to the electrodialysis with ultrafiltration membrane (EDUF) system and solution flow velocity (2.77, 8.33 and 13.88 cm/s corresponding to flow rates of 100, 300 and 500 mL/min, respectively) on the electromigration rate and kinetics of the oligomers were studied. The solution flow velocity did not show any effect on the electromigration rate of the oligomers whereas the applied electric field strength had a significant effect on both electromigration rate and separation of the studied oligomers. At 2.5 V/cm, it was possible to obtain a solution composed only by the dimer and trimer until 2 h of treatment. Using and electric field strength of 2.5 V/cm, the dimer migrated with an average rate of 10.20 ± 3.04% and the trimer with an average value of 8.52 ± 1.66%. By increasing the electric field strength up to 5 and 10 V/cm (voltage of 10 and 20 V, respectively), there was no separation of the studied chitosan oligomers.

Chaque année au Québec, entre 22 et 24 millions de mètres cubiques de bois résineux sont transformés, principalement de l'épinette noire et blanche, du sapin baumier et du pin gris. L'épinette noire, espèce emblématique de la forêt boréale d'Amérique, a longtemps été à la base de l'industrie forestière et papetière du Québec. Aujourd'hui moins vitale à l'approvisionnement des papetières, elle est surtout appréciée dans l'industrie du bois d'œuvre et du bois d'ingénierie. La production de planches et de poutres de bois génère une quantité appréciable de résidus, dont des copeaux et des sciures, le plus souvent valorisés dans l'industrie du papier, du carton, des panneaux, des granules et de la bioénergie. Les hémicelluloses contenues dans le bois sont des composés hygroscopiques et très peu calorifiques, qui possèdent peu de valeur dans le contexte de la valorisation conventionnelle des résidus de bois. À partir des résidus de bois d'épinette, il est possible d'extraire des hémicelluloses de type galactoglucomannanes, avec des proportions variables de pectines, dexylanes et d'arabinogalactanes, en utilisant des procédés d'extraction à l'eau chaude pressurisée. Ces composés naturels presque entièrement constitués d'hexoses et de pentoses peuvent ensuite être valorisés dans la filière énergétique ou alimentaire alors que les sciures ou copeaux traités à l'eau peuvent être remis en circulation dans les industries existantes ou émergeantes de transformation des produits forestiers. La première partie de cette recherche présente une brève recherche de littérature sur les procédés d'extraction aqueux des hémicelluloses du bois, les procédés permettant leur isolement et les applications nouvelles de ces composés dans les secteurs nutraceutique et alimentaire, deux domaines d'application à haute valeur ajoutée. Sont ensuite présentés les paramètres d'un procédé à l'eau chaude, développé dans le cadre de ce projet de maîtrise, permettant la récupération d'hémicelluloses solubles de haut poids moléculaire chez Picea mariana, et son efficacité lorsque appliqué sur des résidus de taille moyenne, fine et très fine (≤ 4,0 mm, ≤ 0,6 mm et ≤ 0,2 mm d'épaisseur). Dans un deuxième temps, les caractéristiques de la fraction de haut poids moléculaire sont présentées et discutées, ainsi que l'analyse de sa fermentescibilité in vitro dans le but d'une application dans le domaine alimentaire. L'analyse de fermentescibilité in vitro des hémicelluloses solubles de haut poids moléculaire (HSHPM) extraites de Picea mariana, réalisée en milieu de culture Macfarlane en présence d'un consortium bactérien simplifié, a dévoilé d'intéressantes propriétés nutraceutiques de l'extrait, tel que sa capacité à être partiellement converti en acide butyrique (C₄H₈O₂) lors de la fermentation colique et sa capacité à inhiber la production de métabolites nocifs associés à la putréfaction. La fermentation colique des HSHPM durant une période de 30 h (comparée à celle des fibres d'inuline) a été corrélée, entre autres, à une augmentation de 200 ± 14 % du C₄H₈O₂ ainsi qu'à une diminution de 54 ± 2 % de l'azote ammoniacal, une diminution de 87 ± 2 % de l'isovalérate et une diminution de 81 ± 1 % de l'isobutyrate. Les extraits riches en HSHPM obtenus à partir de bois d'épinette noire pourraient ainsi représenter une nouvelle source de fibres fonctionnelles ayant des propriétés butyrogènes et donc bénéfiques pour la santé intestinale. / Between 22 and 24 million cubic meters of softwood logs are processed annually in the province of Quebec, mainly from black spruce, white spruce, balsam fir and Jack pine trees. Black spruce is beyond doubt the most emblematic species of the North American boreal forest. Spruce forests have been supplying the provincial and national forest economy for decades and remain a crucial resource for the Canadian timber industry. Lumber production generates important amount of wood residues, including chips and sawdust. Those residues are partly used by paper, cardboard, pellets, or particles board manufacturers. Wood and wood residues contain variable amount of water-soluble hemicelluloses, which are hygroscopic and low-calorific compounds of limited value for conventional wood products. There is a possibility, however, to extract a part of hemicelluloses from softwood residues using superheated water extraction techniques. The main hemicelluloses found in superheated water extracts of spruce's heartwood and sapwood are galactoglucomannans, but such extracts may also contain other minor softwood polysaccharides, such as pectin, methylated glucuronoxylans, and acidic arabinogalactans. These hemicelluloses are hexose-rich and easily fermentable polysaccharides with interesting commercial value (for bioethanol production and other non-wood applications). Their extraction is usually beneficial for further wood processing such as pulping and pelletizing. In this context, the first part of this research presents a short literature review of water-based hemicelluloses extraction processes, hemicelluloses isolation techniques and novel applications for the wood hemicelluloses in the food and nutraceutical industry, for which the hemicellulosic-rich extracts could be considered as high-value ingredients. We present the specific parameters of the water-based process worked out in this study to yield the extract containing the water-soluble high-molecular-weight hemicelluloses from Black spruce wood, and we also determine the efficacy of the superheated water extraction when applied on wood residues of different sizes (≤ 4.0 mm, ≤ 0.6 mm, ≤ 0.2 mm thickness). In the second part of the research, we discuss the results of chromatographic and spectroscopic analysis performed on the high molar mass fraction of the extract, along with its fermentability study (30h in vitro batch fermentation). The results of the fermentability study, performed in a Macfarlane growth medium inoculated with a simplified human gut microbiota, indicated that the high molecular weight fraction (HMWF) of the Black spruce superheated water extract has interesting nutraceutical properties. Notably, the fraction was partially converted into butyric acid (C₄H₈O₂) during a 30 h colonic fermentation and was able to inhibit the production of harmful metabolites associated with putrefaction. Among others, the growth medium containing the HMWF of the Black spruce extract showed a 200 ± 14 % increase of C₄H₈O₂, a 54 ± 2 % inhibition of ammonia, an 87 ± 2 % inhibition of isovalerate and an 81 ± 1 % inhibition of isobutyrate when compared to a control growth medium containing prebiotic inulin fibers. Our results support that high molecular weight hemicelluloses extracted from Black spruce wood are fermentable fibers that could significantly contribute to gastrointestinal health.

Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juin 2023) / Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / La mise en place d'une nutrition adéquate pour les prématurés est un défi majeur pour les services néonataux notamment, car la teneur en protéines du lait maternel n'est pas suffisante pour soutenir la croissance des nourrissons de très faible poids à la naissance (<1 500 g). Ainsi, les isolats protéiques de lait bovin (>85 % sur base sèche) sont généralement utilisés pour répondre aux besoins en protéines. Toutefois, ces produits pourraient causer des intolérances lorsqu'utilisés pour la nutrition de cette population vulnérable. Par conséquent, le but de ce projet était de produire un concentré protéique de lait humain en adaptant les procédés (écrémage, microfiltration, ultrafiltration, diafiltration, pasteurisation thermique et par pression) actuellement utilisés en industrie laitière et d'étudier l'impact de ces technologies sur les phénomènes de dénaturation/agrégation des protéines en ciblant particulièrement celles d'importance biologique. L'objectif final étant d'évaluer la faisabilité d'un concentré de protéines de lait humain afin d'aider à l'atteinte des besoins nutritionnels et physiologiques des prématurés. Une première étude a permis de mettre en évidence l'impact de la composition du lait humain et du seuil de coupure de la membrane de filtration sur l'efficacité de l'ultrafiltration couplée à la diafiltration pour la concentration et la purification des protéines du lait humain. Une teneur protéique de 50% sur une base sèche a été atteinte dans le concentré généré. Le procédé a permis une rétention maximale des protéines et des peptides d'intérêt nutritionnel. Toutefois, la forte teneur en oligosaccharides est vraisemblablement un frein majeur à l'atteinte des performances optimales de l'ultrafiltration et de la diafiltration. Ces résultats ont permis de corréler l'impact des différences de composition des laits bovin et humain sur les performances des procédés baromembranaires. Cependant, d'autres stratégies devront être développées pour augmenter les performances de filtration dans un contexte industriel ou pilote. À partir du concentré protéique de lait humain généré à l'étape précédente, le deuxième objectif de cette thèse visant à étudier l'impact de différents traitements de pasteurisation sur les structures protéiques. Nous avons observé que l'ensemble des traitements de pasteurisation appliqués (haute pression hydrostatique [HPH], pasteurisation haute température/temps court [HTST] et pasteurisation de Holder [ou pasteurisation basse température/temps long]) induisaient une agrégation de diverses protéines, en particulier l'α-lactalbumine et la lactoferrine. Cependant, les traitements thermiques avaient un impact plus important que les HPH puisque 86% de la lactoferrine a été dénaturée et agrégée à la suite d'une pasteurisation HTST et pasteurisation de Holder alors qu'elle a été préservée après HPH à un niveau similaire à celui du concentré de protéines de lait humain non traité. Finalement, les travaux du troisième objectif ont permis de générer des données sur la digestion gastro-intestinale du lait maternel, du concentré protéique non traité et pasteurisé (HPH, HTST ou pasteurisation de Holder) dans un modèle in vitro de nouveau-né prématuré. Il a aussi été démontré que les 3 procédés de pasteurisation ont permis de diminuer significativement la charge microbienne du concentré. Des degrés d'hydrolyse similaires ont été calculés pendant et après la digestion pour l'ensemble des HMPC (non traités, HPH, HTST ou pasteurisation de Holder). Cependant la lactoferrine, ainsi que les protéines laitières de hauts poids moléculaires, étaient plus susceptibles à la digestion dans les concentrés traités thermiquement. Au contraire, l'α-lactalbumine semble être plus résistante à la digestion suite à l'application des traitements (HPH, HTST et pasteurisation de Holder). En résumé, ce projet a permis de générer de nouvelles connaissances sur la transformation du lait humain, pour la production d'un concentré protéique, à l'aide des méthodes conventionnellement appliquées en industrie laitière et alimentaire. D'après l'ensemble des critères de qualité étudiés, la pasteurisation par HPH a engendré des impacts plus faibles sur la structure et la digestibilité des protéines comparativement aux traitements thermiques. Cependant, pour envisager la production d'un concentré protéique de lait humain au sein des banques de lait humain, il sera nécessaire de démontrer la salubrité microbiologique de ce produit fini. En effet, en lien avec la vulnérabilité des prématurés et la périssabilité du lait, la décontamination et la conservation de ces produits représentent des enjeux majeurs. / Adequate nutrition is a challenge for neonatal services, especially when the protein content of human milk is not sufficient to support the growth of very low birth weight infants (VLBW, <1 500 g). Bovine milk-based protein isolates (>85% on a dry basis) are typically used to meet protein requirements. However, these products could cause feeding intolerance for this vulnerable population. Therefore, the purpose of this project was to generate a human milk protein concentrate (HMPC) by adapting process (skimming, microfiltration, ultrafiltration, diafiltration, and pasteurization by thermal and pressure processes) currently used in the dairy industry and to study the impact of this technology on the denaturation and aggregation of proteins, mainly bioactive proteins. The aim was to evaluate the feasibility of producing a human milk protein concentrate to meet the nutritional and physiological needs of premature newborns. A first study highlighted the impact of human milk composition and molecular weight cut-off on the efficiency of ultrafiltration and diafiltration for the concentration and purification of human milk proteins. The HMPC contained 50% of protein on dry basis. The process allowed a maximal retention of proteins and peptides of interest from a nutritional point of view. However, the presence of oligosaccharides negatively impacted the performance of ultrafiltration and diafiltration. These results allowed us to correlate the impact of compositional differences between bovine and human milk and the performance of pressure-driven membrane processes. However, other strategies should be tested to increase the filtration performance in an industrial or pilot scale context. Starting from the HMPC produced at the previous objective, the second objective of this thesis aimed to evaluate the impact of different pasteurization treatments on the protein structure. We highlighted that both high hydrostatic pressure (HHP) and thermal treatments (high temperature short time pasteurization [HTST] and Holder pasteurization) induced aggregation of human milk proteins, mainly α- lactalbumin and lactoferrin. However, effect of thermal treatments on proteins was largely higher compared to HHP since 86% of the lactoferrin (for the soluble phase) was denatured and aggregated after heat treatment (HTST and Holder pasteurization). The impact of HHP on lactoferrin was non-significant and lactoferrin concentration stayed the same as the non-treated HMPC. Finally, the third study provides information regarding the gastrointestinal digestion of non-treated HMPC and pasteurized HMPC (HHP, HTST or Holder pasteurization) in a premature infant in vitro model. It has also been demonstrated that the three pasteurization processes have significantly reduced the microbial load of the HMPC. Similar hydrolysis degrees were calculated during and after digestion between any HMPC (non-treated, HHP, HTST or Holder pasteurization). However, lactoferrin and other higher molecular weight proteins became more sensitive to digestion after thermal treatments of HMPC. On the contrary, α-lactalbumin was more resistant to digestion after pasteurization treatments (HHP, HTST and Holder pasteurization). In conclusion, this project generated new knowledge on human milk processing, to produce HMPC, using conventional methods currently used in dairy industries. According to the different results generated in the three objectives, HHP represents the best option to maintain the quality of HMPC. However, to consider the production of human milk protein concentrate within human milk banks, the study of the microbiological safety of this concentrate is crucial. Indeed, because of the vulnerability of premature newborns and the perishability of milk, the decontamination and preservation of these products represent major issues.

Les produits fonctionnels et nutraceutiques ont pris une grande importance en raison de leur valeur ajoutée. Leur production requiert l’isolation et la concentration des composés tels que les acides aminés et les peptides bioactifs des hydrolysats de protéines. A cette fin, l’EDUF (Électrodialyse combinée à l’ultrafiltration), une nouvelle technique de séparation, a été proposée. Les paramètres importants pour optimiser le procédé tels que la force du champ électrique, le type de membrane, le seuil de coupure, le pH, la configuration du module, le débit de la solution et la surface effective de la membrane ont déjà été étudiés. Cependant, le paramètre concentration de l’hydrolysat n’a encore jamais été étudié. Le projet consistait à évaluer l’impact de l’augmentation de la concentration d’un hydrolysat de crabe des neiges sur la sélectivité et le taux de séparation des peptides anioniques et cationiques, ainsi que sur leur activité antimicrobienne. Pour évaluer l’impact de la concentration de l’hydrolysat, quatre valeurs de concentration en protéines (0.5%, 1%, 2% et 4%) ont été étudiées et les autres paramètres (pH, conductivité, différence de potentiel) du système ont été constants. Les résultats ont montré que l’augmentation de la concentration a un effet sur le taux de séparation des peptides et que le plus haut taux de concentration peptidique a été observé à 4% pour le compartiment anionique à 291.9 µg/mL et pour le compartiment cationique à 431.87 µg/mL. Par contre, l’augmentation de la concentration n’a pas d’effet sur la sélectivité qui reste sans changement. Le taux de migration a augmenté avec l’augmentation de la concentration alors qu’en parallèle l’énergie relative consommée baissait. Le plus haut taux de migration a ainsi été observé à 4% (16.2 g/m2.h et 7.8 g/m2.h respectivement, pour les compartiments cationique et anionique) avec une énergie relative consommée de 3.53 Wh/g. Les résultats ont aussi montré que l’augmentation de la concentration en peptides n’a eu aucun impact sur le colmatage et l’intégrité des membranes. Les différentes fractions (anionique et cationique) obtenues et l’hydrolysat initial testés et n’ont pas montré d’activité antimicrobienne contre Micrococcus luteus. / The importance of functional and nutraceutical products has grown tremendously due to their added value. Their production requires the isolation and concentration of compounds, such as amino acids and bioactive peptides from protein hydrolysates. Therefore, a new separation technique EDUF (electrodialysis with ultrafiltration) was used. To optimize the process, important parameters such as electric field strength, membrane material and molecular weight cut-off, pH, ionic strength and flow rate of the solutions as well as cell configuration have already been studied, except for the initial peptide concentration in the feed solution. The objective of this study was to determine the impact of peptides concentration of snow crab by-product hydrolysate on selectivity and separation rate of anionic and cationic peptides, and on their antimicrobial activity. To assess the impact of peptides concentration, four values of protein concentrations (0.5%; 1%; 2% and 4%) were studied with other parameters (pH, conductivity, potential difference) of the system kept constant. The results showed that increasing the peptides concentration has an effect on separation rate of the peptides. The highest rate was observed at 4% with 291.9 mg/mL and 431.87 mg/mL peptide concentration, respectively for the anionic and cationic compartment. Other results also showed that increasing the initial concentration has no effect on selectivity. The migration rate increased linearly with increasing feed solution concentration while the relative energy consumption decreased with increasing feed solution concentration. The highest migration rates of 16.2 g/m2.h and 7.8 g/m2.h for the cationic and anionic compartments respectively were observed at 4%, with relative energy consumption of 3.53 Wh/g. However, increasing the concentration had no effect on the fouling and membrane integrity. In terms of antimicrobial activity, different fractions (anionic and cationic) and the initial hydrolysate were tested and did not showed antimicrobial activity on Micrococcus luteus.

Les protéines du jaune d’œuf délipidées sont considérées comme un sous-produit lors de l’extraction lipidique en raison de la perte de leurs propriétés fonctionnelles. Les protéines du jaune d’oeuf existent sous forme de lipoprotéines, à l’exception de la phosvitine et des livétines. Les phosphopeptides issus de l’hydrolyse de la phosvitine possèdent une activité antioxydante pouvant conduire à des applications industrielles dans le secteur alimentaire et/ou nutraceutique. Le fractionnement de la phosvitine à partir du jaune d’œuf constitue une étape nécessaire en vue de la production de phosphopeptides. Cependant, cette méthode n’est pas applicable à grande échelle en vue de la production de phosphopeptides. Le but de ce projet était de développer une approche technologique applicable à l’échelle industrielle pour la production de la phosvitine par séparation membranaire à partir d’un extrait commercial de jaune d’œuf délipidé et pour la production de peptides antioxydant combinant l’hydrolyse enzymatique et l’ultrafiltration (UF). Un extrait de phosvitine à été obtenu à partir d’un produit commercial de jaune d’oeuf délipidé, au moyen d’une precipitation par NaCl (10% p/v), d’une centrifugation et d’une étape d’UF et de diafiltration. L’effet des conditions de filtration (pH, concentration, pression transmembranaire, seuil de coupure de la membrane) sur le flux de permeation a été évalué. La récupération protéique et la capacité de dessalage de solution de phosvitine ont été comparables pour des membranes d’UF de seuil de coupure de 10 et 30 kDa, mais le flux de perméation a été plus élevé avec la membrane de 30 kDa. L’électrophorèse 2D a été effectué afin de caractériser la composition protéique d’un produit commercial de protéines de jaune d’oeuf délipidé et de ses fractions obtenues précédement par UF. La plupart des produits de clivage de la vitellogénine ont été identifiés dans l’extrait de phosvitine. Néanmoins, le profil protéique des rétentats d’UF a montré des profils différents par rapport à la composition protéique des protéines du jaune d’oeuf frais. Les résultats suggèrent que la concentration par UF affecte la composition protéique. Les protéines du jaune d’oeuf et les phosphoprotéines ont été hydrolysées au moyen de la trypsine, ou encore, par une combinaison de deux enzymes (Alcalase et Protease N). Les hydrolysats obtenus ont été fractionnés à l’aide des membranes d’UF de seuil de coupure de 5 et 1 kDa. L’activité antioxydante des fractions a été mesurée par le test Oxygen Radical Absorbance Capacity (ORAC). La fraction peptidique produite par l’hydrolyse trypsique a montré l’activité antioxydante la plus élevée (1501.1–1886.8 µM TE.g-1 de protéines). L’activité antioxydante des hydrolysats de protéines de jaune d’oeuf pourrait être reliée à la teneur en phosphore des peptides, mais aussi à d’autres facteurs comme la masse moléculaire et la composition en acides aminés de ces peptides. L’hydrolyse enzymatique des protéines du jaune d’oeuf et l’utilisation de l’UF ont permis de produire des fractions peptidiques possédant une activité antioxydante et d’augmenter l’activité de ces peptides. Ce procédé utilisant l’hydrolyse enzymatique et l’UF offre un potentiel intéressant pour valoriser les propriétés fonctionelles et nutraceutiques des protéines du jaune d’œuf. / Delipidated egg yolk proteins are considered as a by-product in the process of the lipid and protein separation. The major proportion of yolk protein exits as lipoproteins except for phosvitin and livetins. Hen egg yolk phosphopeptides from phosvitin have demonstrated free radical scavenging and antioxidant activities against lipid peroxidation. Moreover, phosphopeptides have also been shown to provide an effective defense against oxidative stress in human intestinal epithelial cells. However, the method for producing these peptides was not applicable at large scale. The goal of this study was to develop and scale up the production of phosvitin from a commercially available delipidated egg yolk proteins and the production of antioxidant egg peptides by mean of enzymatic hydrolysis and ultrafiltration (UF). Egg yolk phosvitin was concentrated and desalted from delipidated egg yolk protein by a process that involved first a salting-out with 10% NaCl (w/w) treatment followed by UF and diafiltration. Various filtration parameters such as pH, feed concentration, transmembrane pressure and molecular weight cut-off (MWCO) membranes were studied. Results showed that performance of the 10 and 30 kDa MWCO UF membranes tested were similar in terms of production and desalting capacity. However, difference in terms of permeation flux during UF was noticed with the use of the 30 kDa MWCO membrane. Two-dimensional gel electrophoresis was performed to characterize the protein composition of the commercially delipidated egg yolk proteins and its UF-fractions obtained previously. Most of the vitellogenin cleavage products were identified in the crude phosvitin. Nevertheless, as compared to protein composition of fresh egg yolk, the UF-retentate profiles showed different patterns which suggest that egg yolk protein composition is modified as a result of UF-concentration. Fractionation of phosphopeptides by sequential UF with MWCO of 5 kDa and 1 kDa was performed to produce peptide fractions with increased antioxidant capacity. Antioxidant capacity was quantified by oxygen radical absorbance capacity (ORAC) assay to determine proton-donating capacities of the egg yolk hydrolysates. The peptide fractions with the greatest antioxidant capacity (1501.1–1886.8 µM TE.g-1 protein) were produced by enzymatic hydrolysis with trypsin alone and presented some common features such as low molecular weight, composition in amino acids and phosphorus content. The enzymatic hydrolysis of phosphoproteins from commercially delipidated egg yolk proteins obtained by UF successfully produced peptide fractions with antioxidant activity, which can be increased through fractionation. The process studied in this project offers the possibility to produce egg yolk peptides with potential uses in functional and nutraceutical applications.

Les procédés de séparation membranaire peuvent servir à produire de l'eau potable à partir de l'eau de surface puisqu'ils permettent d'enlever les particules inertes en suspension, les colloïdes organiques et les micro-organismes pathogènes. L'implantation de tels procédés passe par le contrôle du colmatage des membranes. Or, les cinétiques de colmatage dépendent de la qualité de l'eau à filtrer, des membranes utilisées et des conditions d'opération. La présente étude, à l'échelle de laboratoire, consiste à comparer le colmatage en ultrafiltration en écoulement frontal, en ultrafiltration en écoulement tangentiel et en nanofiltration en écoulement tangentiel d'eaux de surface naturelles et altérées. Cette étude s'inscrit dans une série d'études qui vise finalement une meilleure compréhension des mécanismes de colmatage, le développement d'un indicateur de colmatage et le développement de prétraitements à la nanofiltration. Les résultats font ressortir l'impact des altérations des eaux, du prétraitement et des conditions d'opération sur la cinétique du colmatage, sur les divers taux de séparation et sur l'efficacité des différents lavages des membranes.

Depuis plusieurs décennies, de nombreuses recherches ont porté leur attention sur les bioactivités des constituants du soya, depuis les isoflavones jusqu'aux protéines, en passant par les peptides. L'objectif principal de ce travail de thèse était de démontrer qu'à partir de l'hydrolyse enzymatique de protéines de soya par la pepsine et la pancreatine, il était possible d'isoler et de concentrer des peptides bioactifs plus efficacement par la technique d'électrodialyse avec membranes d'ultrafiltration (ÉDUF) que par l'emploi des méthodes traditionnelles d'UF. Au cours de ces travaux, les premiers résultats ont démontré que l'utilisation de l'UF (seuil de coupure de 10 kDa, facteur de concentration 2X, pression trans-membranaire de 173 kPa) permettait de concentrer les peptides bioactifs, soit dans le perméat soit dans le rétentat, dépendamment de la bioactivité recherchée. En parallèle, cette étude a également permis de mettre en évidence que la configuration membranaire des diverses membranes disponibles commercialement, jouait un rôle important sur la séparation des peptides (comparaison des configurations de membrane spiralée et de membrane à fibres creuses). Ainsi, l'étude de la capacité des fractions collectées à moduler la captation du glucose a montré que seul le rétentat de la membrane spiralée (SWR) donne des résultats significativement améliorés. Selon l'analyse de la composition en acides aminés des différentes fractions, cette bioactivité serait due à une plus forte concentration en lysine. Par la suite, l'étude en ÉDUF des effets du pH sur les paramètres électrodialytiques (conductivité, taux de migration, résistance membranaire, etc.) ainsi que sur les bioactivités des fractions collectées (traitement de 4 h à 5 V avec des membranes d'un seuil de coupure de 10 kDa, pH 3, 6 et 9) a démontré l'impact du colmatage potentiel des membranes plus ou moins conséquent selon le pH sur la migration des peptides anioniques. Cependant, aucune des fractions collectées n'a démontré de capacités à stimuler la captation du glucose in vitro. Par la suite, il a pu être démontré qu'un traitement de 6 h à 50 V avec des membranes présentant un seuil de coupure de 100 kDa à pH 6 permettait l'isolement et la concentration de peptides dont la capacité à moduler la captation du glucose était de 22% supérieure à celle de l'hydrolysat complet et de 33% par rapport à celle induite par la fraction SWR. L'ensemble de ces travaux nous a donc permis de démontrer que l'hydrolyse enzymatique utilisée permettait de libérer des peptides bioactifs à partir des protéines du soya, mais également, que par l'optimisation des paramètres d'ÉDUF, il est possible d'isoler ces peptides bioactifs de manière plus sélective que par l'utilisation des techniques traditionnelles.

Submitted by Eunice Novais (enovais@uepg.br) on 2018-06-26T19:10:46Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Ana Carolina M. Rodrigues.pdf: 2130324 bytes, checksum: 0340ff571493224c3f33ecd693bb1e77 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-26T19:10:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Ana Carolina M. Rodrigues.pdf: 2130324 bytes, checksum: 0340ff571493224c3f33ecd693bb1e77 (MD5) Previous issue date: 2018-04-12 / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / A má distribuição de água doce no mundo, o crescimento populacional acentuado, as mudanças climáticas e as consequências das ações antropológicas traz a necessidade da busca de fontes alternativas para suprir a demanda de água aos seres humanos, animais e plantas. A abundância de água salgada ou salobra é muitas vezes, a única fonte de água disponível para sobrevivência de algumas comunidades no planeta, isso tem impulsionado o uso de técnicas de dessalinização. Com o objetivo de estudar alternativas para adaptações climáticas, antecipar tendências e problemas hídricos futuros foi implantado um sistema de dessalinização de água salobra, em escala piloto, nas dependências da Estação de Tratamento de Água (ETA) da Sanepar, em Praia de Leste, no município de Pontal do Paraná no litoral do estado. O sistema piloto foi provido de ultrafiltração (UF) como pré-tratamento seguido de abrandamento e da dessalinização por osmose reversa (OR). Com capacidade para produzir 1 m3.h-1 de água tratada. A água salobra foi padronizada nas concentrações de 1000 ± 50 mg.L-1 e 1500 ± 20 mg.L-1 de sólidos dissolvidos totais (SDT), por meio da mistura da água do mar e da água bruta do Rio das Pombas, manancial que abastece o balneário. Avaliou-se o sistema global a partir de dados de produção e consumo de água, balanço de massa e das taxas de recuperação para configurações diferentes do sistema de OR. Para isso, foram realizados quatro experimentos, variando a configuração de abertura do registro do concentrado da OR: o primeiro com abertura de 72,71% de concentrado (A); o segundo 59,20 % (B); o terceiro 39,70% (C), estes com 1500 ± 20 mg.L-1 de SDT; o quarto experimento foi realizado para 1000 ± 50 mg.L-1 de SDT com abertura de 32,90% de concentrado (D). Aproximadamente 15% do volume de alimentação era utilizado na limpeza hidráulica das membranas da UF e da OR. Quanto maiores as vazões do concentrado da OR, maior a vazão de alimentação, e consequentemente, menor a taxa de recuperação e pressão osmótica. A maior taxa de recuperação obtida foi de 69,13% para o experimento D, sendo considerada a configuração mais otimizada. / With the unequal distribution of fresh water in the world, strong population growth, climate change and the consequences of anthropological actions it is necessary to look for alternative sources to supply the water demand for human beings, animals and plants. Salt water or brackish water has been the only source of water available for survival in some communities on the planet. This issue has driven the use of desalination techniques. With the objective of studying alternatives for climate adaptation, anticipating of trends and problems and water problems, a brackish water desalination system in pilot scale was implemented on the premises of the Water Treatment Plant Station, in Praia de Leste, in the Pontal do Paraná City, coast of the State. The pilot system was provided with ultrafiltration (UF) as a pretreatment followed by softening and reverse osmosis (RO), with the capacity to produce 1m3.h-1 of permeate. Brackish water was produced at concentrations of 1,000 ± 50 mg.L-1 and 1,500 ± 20 mg.L-1 of total dissolved solids (TDS), by mixing sea water and fresh water from the Pombas River, which supplies the town. The global system was evaluated from production and water consumption data, mass balance and recovery rates for different configurations of the reverse osmosis system. For this, four experiments were performed, varying the configuration of the valve which controls the flow of the brine: the first one with 72.71% (A); the second with 59.20%(B); the third with 39.70% (C), these with 1,500 ± 20 mg.L-1 of TDS; the fourth experiment was also performed for 1,000 ± 50 mg.L-1 of TDS with 32.90% of the brine (D). About 15% of volume of water produced was used in the hydraulic cleaning of the UF and RO membranes. When the flow rates of the concentrate were higher, the feed rates were also higher and consequently, the recovery rates and osmotic pressure were lower. The highest recovery rate was 69.13% for the experiment D, being considered the most optimized configuration.