Un verrou : relier chimie des pectines et structure des gels
Un gel est un réseau tri-dimensionnel de solides dilué dans un fluide porteur qui doit être un bon solvant pour les molécules qui forment ce réseau. Lorsque le solvant utilisé est de l'eau, on parle alors d'hydrogel. Les hydrogels à base de pectines sont couramment employés dans les domaines agroalimentaire, pharmaceutique et biomédical pour encapsuler des molécules d'intérêt. Leur efficacité dépend étroitement de leur microstructure, en particulier de la taille des pores, de l'homogénéité du réseau et de la rigidité mécanique. Jusqu'à présent, l'influence précise de l'ajout d'un groupement méthyl (-CH3) (ou méthylation) sur des chaînes de polygalacturonate (polyGalA), (principal constituant des pectines), sur la formation et l'organisation des réseaux réticulés par le calcium restait mal comprise, notamment dans les conditions de gélification ionotropique externe utilisées industriellement.
Des hydrogels plus poreux et moins homogènes selon le degré de méthylation
Une collaboration de chercheurs menée par le laboratoire Léon Brillouin (CEA-Iramis) et impliquant l'Université Bourgogne Europe – Institut Agro – INRAE (UMR PAM, Dijon) et l'Université de technologie Chalmers (Göteborg, Suède) a comparé des gels de polyGalA non méthylé (degré de méthylation, DM = 0 %) à des gels partiellement méthylés.
Les gels non méthylés sont transparents, rigides et globalement homogènes, mais présentent un gradient structural lié à la diffusion des ions calcium lors de la gélification, avec des pores d'environ 7 nm à une extrémité du gel. Lorsque le degré de méthylation augmente, les gels deviennent plus turbides et mécaniquement plus fragiles. La taille des pores croît significativement, atteignant environ 14 nm pour un DM de 34 %, et des hétérogénéités mésoscopiques apparaissent. Par ailleurs, la réaction chimique de méthylation induit une diminution de la masse molaire et de la viscosité des chaînes, tout en augmentant leur rigidité intrinsèque.
Un changement de conformation et de mode de réticulation
Des simulations moléculaires complètent les observations expérimentales et montrent que la méthylation favorise une conformation hélicoïdale des chaînes de polyGalA moins propice à la formation de zones de jonction stables avec les ions calcium. L'étude met également en évidence un mode de coordination bidentate des ions calcium avec les fonctions carboxylates, distinct du modèle classique dit de la « boîte à œufs ». La présence de groupes méthyles réduit la longueur des zones de jonction entre chaînes, ce qui explique la fragilité accrue des gels partiellement méthylés.
En établissant un lien clair entre modification chimique, organisation structurale et propriétés mécaniques, ce travail fournit des clés pour ajuster finement les hydrogels de pectines en fonction des applications visées, notamment pour la diffusion contrôlée et l'encapsulation ciblée de substances actives. Il ouvre également la voie à de futures études sur l'effet de la distribution des groupes méthyles et sur des chaînes de plus grande longueur, afin d'élargir encore le champ des propriétés accessibles.