Mécanismes d’Adsorption Compétitive de Mycotoxines à l’Interface Solide/Liquide – CAMOMILS

CAMOMILS se focalise en particulier sur l’ochratoxine A présente dans les vins. .
La détoxification peut se faire grâce à divers procédés, plus ou moins efficaces, sélectifs, rentables. Le procédé étudié ici se fait par adsorption sur solides lamellaires. Les matériaux sont sélectionnés pour exploiter au mieux les propriétés physico-chimiques des molécules toxiques, notamment le caractère hydrophile/hydrophobe, l’encombrement stérique, la charge, la nature des sites actifs. Des argiles Montmorillonites et des hydroxydes double lamellaires organomodifiés ont été sélectionnés pour toute la première partie du projet.
Une approche de type « science des surfaces » est menée in situ afin de cibler l’étude spécifique de l’interface solide/liquide où les mécanismes d’adsorption ont lieu. Les interactions entre les molécules, le solvant (mélanges éthanol/eau), les espèces compétitives et le solide sont étudiées afin de connaître les principaux paramètres qui permettent d’optimiser le piégeage sélectif. La sélectivité en milieu multi-composants est explorée afin de mieux simuler des systèmes réels et pouvoir détoxifier sans modifier les propriétés organoleptiques des boissons.
Un dispositif optique non linéaire de génération de seconde harmonique, permettant l’étude in situ des interfaces de particules en solution, a été développé pendant les 6 premiers mois du projet. Il constitue une innovation expérimentale remarquable d’un point de vue de la physico-chimie des systèmes interfaciaux à l’échelle régionale et nationale. Il permettra une approche intégrée des processus moléculaires dynamiques de reconnaissance et d’organisation aux interfaces solide-liquide qui peut s’étendre sur un large domaine applicatif.

1. Le premier axe de travail est celui des systèmes chimiques.
- Apres 6 mois d’efforts, la production d’OTA par culture sur champignons a été jugée non rentable. L’approvisionnement se fait désormais auprès du fournisseur Sigma Aldrich comme prévu dans le projet dans ce cas. Actuellement un travail est également mené sur la molécule quercetine. C’est un flavonoïde également présent dans le vin (espèce potentiellement en compétition), peu cher. Ses propriétés se rapprochent de celle de l’OTA (comparaison par calcul DFT).
- Le choix et la synthèse de matériaux lamellaires à base de HDL a été réalisée (échangeur anionique fonctionnalisé hydrophobe). Ces solides modulables permettent une adaptation aux propriétés des molécules étudiées au fil des mesures. Les propriétés électrostatique et hydrophobe ont été évaluées.
- Enfin, plusieurs techniques ont été mobilisées pour l’étude de l'efficacité du matériau adsorbant vis à vis des molécules d’interet, notamment la DFT pour l'étude théorique des molécule dans différents solvants. Des mesures de spectrométrie UVvis et optique non-linéaire sont actuellement en cours concernant la quercetine. Une attention particulière à été donnée à la solvatation (mélange eau/alcool) des molécules.
2. Le deuxième axe concerne la mise en place d'un dispositif de mesure en optique non linéaire : plane surface second harmonic generation, hyper-Rayleigh Scattering , second harmonic scattering, two photon fluorescence.
Un travail de conception et de montage d'un banc optique non-linéaire a été réalisé, conjointement au développement d'un programme informatique gérant le pilotage du banc pour les mesures. Ce montage a été finalisé dès les 6 premiers mois du projet. Il a été très rapidement validé par des tests d’adsorption de chromophore sur des particules de latex et est actuellement utilisé sur les systèmes d’intérêt du projet.

Plusieurs axes de poursuite ont été mis en évidence pour la seconde période du projet.
• Le projet se déclinera sur l’étude des matériaux lamellaires : HDL et argiles et s’ouvrira sur l’utilisation de zéolites en fin de période. Les HDL seront fonctionnalisés par intercalation d’espèces hydrophobes contenant des cycles benzéniques (SDBS) afin d’augmenter l’affinité pour les molécules liposolubles. L’utilisation d’argile cationique, non prévue initialement, a été privilégiée et semble fructueuse. La montmorillonite, échangeur cationique hydrophile provient d’un partenariat avec un laboratoire de Poitiers.
• L’OTA sera obtenue commercialement et utilisée en fin de projet lorsque les protocoles seront validés. Actuellement un travail est mené sur la molécule quercetine. C’est un flavonoïde également présent dans le vin (espèce potentiellement en compétition), peu cher et dont les propriétés se rapprochent beaucoup de l’OTA (comparaison par calcul DFT).
• Des mesures de fluorescence à 1 et 2 photons viendront compléter le panel d’études avec notamment l’hypothèse que la toxine puisse être sous forme complexée dans le vin. Des études sont actuellement menées concernant des interactions avec des acides aminés de protéines, des sucres ou des composants de paroi cellulaire, tels que la proline, l’alginate, la pectine et le surfactant SDS.

Journal of Physical Chemistry Part C, Just accepted June 2017, «Adsorbed Dyes Onto Nanoparticles: Large Wavelength Dependence in Second Harmonic Scattering«, Authors: Gassin, Pierre-Marie; Bellini, Sarah; Zajac, Jerzy; Martin-Gassin, Gaelle

Le projet CAMOMILS, grâce à la compréhension fondamentale des mécanismes de sorption de molécules organiques sur des solides, vise à fournir des pistes pour concevoir les procédés de dépollution innovants à venir. Ce projet répond à des besoins spécifiques de l’industrie agroalimentaire et vinicole et implique donc une contribution incontournable d’instituts œnologiques. CAMOMILS se focalise en particulier sur l’ochratoxine A (OTA) présente dans les vins. Cette toxine, cancérigène est de plus en plus présente en France, du fait notamment du réchauffement climatique. Pour être résolu, ce problème de santé publique émergent doit donc être intégré à tous niveaux, des chercheurs jusqu’aux viticulteurs. La détoxification peut se faire grâce à divers procédés, plus ou moins efficaces, sélectifs, rentables. Le procédé étudié ici se fait par adsorption sur solides poreux. Deux matériaux ont été sélectionnés pour exploiter au mieux les propriétés physico-chimiques de l’OTA, notamment son hydrophobicité et son caractère anionique : des zéolites organomodifiées et des hydroxydes double lamellaire. Une approche de type « science des surfaces » sera menée in situ afin de cibler l’étude spécifique de l’interface solide/liquide où les mécanismes d’adsorption ont lieu. Les interactions entre la molécule et le solide vont être étudiées afin de connaître les principaux paramètres qui permettent d’optimiser le piégeage. Ainsi, à plus long terme, l’objectif est de pouvoir fournir des informations fondamentales permettant de créer des matériaux ou des procédés parfaitement adaptés. La sélectivité en milieu multi-composant sera particulièrement explorée afin de s’approcher au plus près des systèmes réels. Le point crucial est d’optimiser les procédés futurs en minimisant les variations de propriétés organoleptiques des vins. Profondément pluridisciplinaire, ce projet repose sur cinq domaines que sont la physico-chimie théorique et expérimentale, la chimie des matériaux, la bio-toxicologie, et l’industrie du vin. Cette diversité d’expertises permettra d'obtenir une vision globale de notre problématique. Deux outils expérimentaux particulièrement adaptés seront utilisés: la calorimétrie et la technique optique de génération de seconde harmonique. Un dispositif de génération de seconde harmonique est actuellement développé par le coordinateur, spécifiquement pour l’étude in situ des interfaces de particules en solution. Il constitue une innovation expérimentale majeure d’un point de vue de la physico-chimie des systèmes interfaciaux à l’échelle nationale dont l’action pourra être finalisée grâce au financement de CAMOMILS. Enfin, d’un point de vue fondamentale, ce travail expérimental, couplé à une approche théorique, permettra de une approche intégrée des processus moléculaires dynamiques de reconnaissance aux interfaces solide-liquide.