Gels élastomériques de biopolymères soumis à des déformations extrêmes – ELASTOBIO

Pour étudier les mécanismes à l’origine de la réponse rhéologique non linéaire du gluten, nous travaillons avec des échantillons modèles de compositions contrôlées en protéines. De plus, nous jouons avec des additifs biochimiques modifiant les interactions entre protéines pour suivre le rôle des liaisons transitoires et notamment les transitions possibles entre liaisons intramoléculaires et intermoléculaires lors de la déformation et suite à celle-ci. Des études rhéologiques de ces échantillons sont réalisées dans le régime non-linéaire et couplées à des analyses biochimiques (distribution de masse molaires, état d’oxydo-réduction des cystéines) et structurales (structure secondaire des protéines, structure des gels).

La signature rhéologique d’échantillons de compositions contrôlées et contrastées en protéines dans le régime linéaire a été caractérisée. Une transition sol-gel spontanée a pu être mise en évidence tout comme pour les échantillons formulés en bon solvant (eau-ethanol) précédemment étudiés. Nous avons ainsi montré qu’une courbe maitresse unique de balayage en fréquence de type gel critique caractérise les échantillons de gluten préparés avec différentes qualités de solvants. La dynamique de la transition sol-gel et l’intensité des modules des gels formés augmentent avec la qualité du solvant. Ces résultats sont interprétés comme une transition des interactions, principalement liaisons hydrogène, de intramoléculaires vers intermoléculaires, facilitées par une rupture des interactions hydrophobes lorsque la qualité du solvant croît.
Les propriétés rhéologiques non linéaires des échantillons ont été sondées par des expériences de « start-up shear » à différentes vitesses de cisaillement pour une déformation totale constante de 100000 %. Pour des échantillons pré-gel, deux régimes de comportements ont pu être identifiés selon la vitesse de cisaillement. Pour des vitesses inférieures à 2s-1, les paramètres non linéaires sont peu dépendant de la vitesse et la réponse est comparable à celle de polymères enchevêtrés qui subissent une orientation et un fort étirement des chaînes avant que celles-ci ne commencent à se désenchevêtrer. Aux vitesses plus élevées, l’évolution des paramètres non linéaires suggère un étirement non linéaire des chaînes. La relaxation des échantillons suite à ces sollicitations est multimodale est très dépendante de la vitesse de cisaillement indiquant la sollicitation de structures locales. Par ailleurs, cette étude a permis de mettre en évidence que le cisaillement de 100000% accélère la transition sol-gel des échantillons pré-gels et que celle-ci d’effectue en 2 étapes suggérant la formation de deux types de réseaux.

Des études biochimiques, structurales et de dynamique microscopiques, associées aux différents régimes rhéologiques identifiés, pour des échantillons pré-gels et post-gel sont en cours de réalisation.

Morel, Pincemaille, Louhichi, Chauveau, Menut, Violleau, Ramos and Banc, Food Hydrocolloids, 2020, 103, 105676

Constanzo, Banc, Louhichi, Chauveau, Wu, Morel, Ramos « Tailoring the viscoelasticity of polymer gels of gluten proteins through solvent quality” Macromolecules, en cours de révision.

Les gels de biopolymères présentent des réponses mécaniques fascinantes lorsqu'ils sont soumis à des déformations extrêmes et répétées. Les gels fabriqués à partir de protéines de gluten de blé peuvent présenter sous contrainte mécanique un fort ramollissement, soudain et imprévisible. Leurs propriétés initiales peuvent être partiellement récupérées après un temps de repos une fois la contrainte relâchée, indiquant le caractère transitoire des liaisons affectées. L'objectif du projet est de rationaliser le comportement pendant, et après, une forte déformation des gels élastomériques de gluten, afin d'élucider les mécanismes biochimiques et physiques à l'origine de la réponse catastrophique sous contrainte. Le principal défi consiste à élucider les rôles respectifs des liaisons disulfures et des liaisons hydrogène dans la rupture du réseau induite par la déformation et la récupération ultérieure. La rhéologie non linéaire d’échantillons modèles de gluten, conçus avec différentes stratégies pour marquer et contrôler les échanges des liaisons disulfures et hydrogène, sera caractérisée. Ensuite, nous utiliserons des techniques avancées de matière molle en plus d’approches spectroscopiques et biochimiques originales. La structure et la dynamique multi-échelle de réseaux de gluten soumis à des contraintes de cisaillement dans le régime non linéaire et leur récupération après des cycles de grandes déformations seront étudiés in situ en utilisant de la diffusion de neutrons aux petits angles, des spectroscopies vibrationnelles (Raman, infrarouge), de la diffusion multiple de la lumière et de la spectroscopie de corrélation des rayons X. Ainsi, nous pourrons établir une relation entre la structure et la dynamique microscopique et la rhéologie macroscopique des échantillons durant une contrainte de cisaillement dans le régime non linéaire et après la perturbation mécanique. Le projet rassemble une équipe multidisciplinaire avec une forte expertise en physique de la matière molle, spectroscopie et biochimie. Nous pensons que les résultats obtenus dans le cadre de ElastoBio auront un impact sur la compréhension fondamentale de la réponse mécanique des réseaux de polymères avec des liaisons transitoires et aussi à un niveau plus technologique, notamment dans le domaine de l’agroalimentaire.