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Les polysaccharides : biopolymères d’un grand intérêt
Généralités
Le déchiffrage de la structure cyclique des oses dans les années 1930 a permis aux scientifiques la découverte rapide des polysaccharides connus encore sous le nom de glycanes ou polyosides. Ce sont des macromolécules carbohydrates constituées par l’enchaînement linéaire ou ramifié d’un grand nombre de motifs monosaccharidiques connectés par des liaisons de nature glycosidique. Le nombre important d’oses disponibles avec différentes structures et fonctions chimiques confère à ces biopolymères une grande diversité dans leur structure et propriété (nature d’enchaînement, longueur des chaînes, taux de ramification dans le cas d’un polysaccharide ramifié, …) . Les polysaccharides sont produits à partir d’une grande variété de ressources renouvelables provenant de la biomasse, c’est-à-dire les végétaux, les animaux, les bactéries, les champignons et levures .
Les polysaccharides présentent de nombreuses fonctions hydroxyle et parfois un caractère anionique (carboxylate, sulfate notamment). Ainsi, la majorité de ces macromolécules présentent une grande affinité pour l’eau. Néanmoins, cette hydrosolubilité reste dépendante de leur origine et leur structure chimique. Pour cette raison, on trouve certains polysaccharides insolubles dans l’eau (cellulose et chitine) . Afin d’améliorer leurs solubilités et leurs propriétés physico-chimiques ou de leurs apporter de nouvelles propriétés biologiques, les polysaccharides sont susceptibles d’être chimiquement modifiés grâce à la présence de nombreux groupements fonctionnels réactifs (alcool, acide carboxylique). Cette fonctionnalisation conduira ainsi généralement à un greffage statistique le long de la chaîne des polysaccharides via des liens qui seront le plus souvent de type ester, éther ou amide. Ce greffage permet par exemple l’incorporation de groupements chargés, hydrophobes, thermosensibles ou de molécules actives . La modification des polysaccharides conduisant à des structures bloc est aussi possible en utilisant le sucre réducteur en extrémité de chaînes via une amination réductrice.
La modification des polysaccharides nécessite au préalable de bien connaître les critères de solubilité dans différents solvants pour déterminer le milieu réactionnel convenable de la réaction de greffage .
Dans la littérature, les chercheurs ont essayé aussi de classifier les polysaccharides. Une première classification est basée sur leur structure et plus précisément sur leur composition en unités monosaccharidiques. Lorsqu’ils sont constitués d’un enchaînement d’un seul type d’unités osidiques, les polysaccharides sont dits homopolysaccharides. Ils peuvent être linéaires (amylose, cellulose, chitine) ou encore ramifiés (amylopectine, glycogène). Tandis que lorsque le squelette est formé de plusieurs types d’unités osidiques, les polysaccharides sont dits hétéropolysaccharides. Les arabinoxylanes à titre d’exemple sont composés d’un mélange mixte d’arabinose et de xylose. Les ramifications sont aussi présentes chez les hétéropolysaccharides mais elles suivent des enchaînements simples .
Cette diversité de composition structurale et saccharidique confère à ces biopolymères des rôles différents et primordiaux dans la survie et la protection des organismes à partir des quels ils proviennent. En conséquence, il est aussi possible de classer les polysaccharides d’après leurs fonctions biologiques et de les diviser en trois catégories :
• Les polysaccharides de structure ayant un rôle mécanique apportant rigidité et élasticité aux cellules vivantes contribuant ainsi à leur protection (cellulose, chitine, pectine). Ils sont par définition peu ou pas solubles dans l’eau.
• Les polysaccharides de réserve constituent les sources de l’énergie pour les cellules végétales et animales par le stockage des sucres riches en énergie (amidon, glycogène, caroube).
• Les polysaccharides généralement produits par des micro-organismes sont connus sous le nom d’exopolysaccharides. Leur rôle est d’aider le développement des microorganismes et de les protéger contre le desséchement en assurant la présence d’eau à proximité (acide hyaluronique, dextrane, xanthane).
Enfin, il est également possible de classer les polysaccharides selon leur caractère neutre ou ionique (anioniques et plus rarement cationiques). C’est ce critère que nous adopterons dans la suite de ce premier volet de l’étude bibliographique. Nous nous limiterons à présenter succinctement les polysaccharides les plus courants et nous détaillerons seulement ceux utilisés au cours de nos travaux.
Les polysaccharides neutres
Quelques exemples et leurs principales modifications chimiques
Les polysaccharides neutres peuvent provenir de différentes sources que ce soit animales, végétales (notamment algales), bactériennes et présentent des structures et caractéristiques variées. Nous traiterons ici les exemples les plus cités dans la littérature ainsi que leurs modifications chimiques et leur utilisation comme supports pour la conception de divers matériaux. La cellulose, l’amidon, la chitine ou encore les arabinoxylanes constituent les polyosides neutres les plus abondants dans la nature et probablement les plus couramment étudiés durant ces 20 dernières années. Ils proviennent respectivement de la paroi cellulaire du bois et des plantes, des organes de réserve des végétaux, de la structure externe des crustacés et des insectes. Citons aussi le dextrane et le pullulane, deux polysaccharides neutres produits par des microorganismes ou des levures, également très étudiés dans la littérature.
Le pullulane
Au cours de nos travaux, nous avons choisi le pullulane comme modèle de polysaccharide neutre pour maintes raisons que nous évoquerons à travers la présentation détaillée de ce biopolymère.
Contexte historique
Jusqu’à nos jours, seul un nombre restreint de glucanes fongiques exocellulaires sont signalés dans la littérature. Le pullulane représente un exopolysaccharide très étudié. Il est produit par le champignon polymorphe Aureobasidium pullulans (initialement décrit sous le nom de Dematium pullulans De Bary ). La production du pullulane par A. pullulans a été observée pour la première fois par Bauer en 1938. Puis en 1958, Bernier fut le premier à isoler le pullulane du milieu de culture d’A. pullulans. Une étude plus approfondie de ce nouveau polysaccharide a été ensuite menée par Bender et al. en 1959 qui lui ont attribué le nom « pullulane » .
Considéré comme produit GRAS (Generally Recognized As Safe) aux États-Unis pour une grande variété d’applications, le pullulane a été utilisé au Japon comme ingrédient alimentaire et comme excipient pharmaceutique. On le trouve également comme agent de revêtement de surface ayant des propriétés barrière au dioxygène .
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre A- Etude bibliographique
Introduction
I. Les polysaccharides : biopolymères d’un grand intérêt
I.1. Généralités
I.2. Les polysaccharides neutres
I.2.1. Quelques exemples et leurs principales modifications chimiques
I.2.2. Le pullulane
I.3. Les polysaccharides chargés
I.3.1. Quelques exemples et leurs principales modifications chimiques
I.3.2. L’Acide Hyaluronique
II. Les hydrogels : matériaux aux propriétés exceptionnelles
II.1. Historique
II.2. Définition et classification
II.2.1. Les hydrogels physiques
II.2.2 Les hydrogels chimiques
II.3. Les hydrogels de pullulane et de ses dérivés
II.4. Les hydrogels d’acide hyaluronique et de ses dérivés
II.5. Propriétés des hydrogels
II.5.1. Propriétés structurales
II.5.2. Propriétés mécaniques
II.5.3. Propriétés de gonflement
II.6. Principales applications des hydrogels
II.6.1. Culture cellulaire
II.6.2. Séquestration et libération de principes actifs
II.6.3. Industrie cosmétique
III. La nature : une source d’inspiration
III.1. Biomimétisme
III.1.1. Définition
III.1.2. Exemples de systèmes biοmimétiques
III.2. Exemples de dérivés naturels greffés sur des polysaccharides
III.2.1. Les composés phénoliques
III.2.2. Les acides gras
Conclusion
Table des matières
Références bibliographiques
Chapitre B- Matériels et Méthodes
Introduction
I. Méthodes de caractérisation du greffage chimique
I.1. Spectroscopie Infra-Rouge (IR)
I.2. Spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)
I.3. Dosage de Folin-Ciocalteu
II. Méthodes de caractérisation physico-chimiques
II.1. Couplage SEC/MALS/DRI/Visco/UV
II.2. Rhéologie
II.2.1. Régime permanent
II.2.2. Régime dynamique
II.2.3. Appareillage et conditions d’analyse
III. Étude de la gélification
III.1. Mesure de l’activité enzymatique de la laccase
III.2. Etude rhéologique
III.2.1. Hydrogels biomimétiques par voie enzymatique
III.2.2. Hydrogels obtenus par photoréticulation
III.3. Propriétés de gonflement
IV. Activités biologiques
IV.1. Propriétés antioxydantes
IV.2. Tests de cytotoxicité
IV.2.1. Culture cellulaire des fibroblastes
IV.2.2. Préparation des échantillons à tester
IV.2.3. Test Live/Dead
IV.2.4. Test à l’Alamar Blue®
V. Réactifs et solvants utilisés
Références bibliographiques
Chapitre C- Hydrogels biomimétiques à base de polysaccharide neutre
Introduction
I. Greffage de l’acide férulique sur le pullulane (PUL-FA)
I.1. Différentes stratégies testées
I.1.1. Greffage basé sur la chimie des carbodiimides
I.1.2 Greffage par réaction de Mitsunobu
I.1.3. Greffage par voie enzymatique
I.1.4. Greffage par la chimie des imidazoles
I.2. Stratégie retenue
I.2.1. Protocole de synthèse et conditions opératoires
I.2.2. Caractérisation structurale
I.3. Conclusion sur le greffage de l’acide férulique sur le pullulane
II. Caractérisations physico-chimiques
II.1. Couplage SEC/MALS/DRI/Visco/UV
II.2. Mesures rhéologiques
II.2.1. Mesures en écoulement
II.2.2. Mesures dynamiques
II.2.3. Conclusion sur les propriétés physico-chimiques
III. Gélification
III.1. Mode d’obtention des hydrogels PUL-FA
III.2. Étude rhéologique
III.2.1. Influence de la quantité d’enzyme
III.2.2. Influence du degré de substitution
III.2.3. Influence de la concentration
III.3. Propriétés de gonflement
III.4. Conclusion sur la gélification
Conclusion
Références bibliographiques
CONCLUSION GÉNÉRALE
