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Etude Structurale et Dynamique de Solutions de Sucre Confinées

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par Gérald LELONG
Université d'Orléans - Thèse 2007
  

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1.5. DYNAMIQUE MOLECULAIRE DES SUCRES EN SOLUTION AQUEUS

Toutes ces théories sont principalement basées sur les propriétés tout à fait uniques de l'eau et des sucres. Et derrière ces changements de viscosité, de déstructuration du réseau tétraédrique de l'eau et de vitrification se cache des questions fondamentales sur la dynamique des molécules et donc sur les

* A titre de comparaison, la viscosité de l'eau à 20°C est de 1mPa.s.

interactions solvant-soluté. Un certains nombres de travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur des systèmes binaires (soluté-solvant), voire plus récemment ternaires (soluté-solvant-protéine), sont disponibles dans la littérature .40 Nous nous limiterons ici aux mélanges binaires eau-sucre.

1.5.1. Dynamique d'un disaccharide: l'-tréhalose.

Affouard et al. 62, Branca et al.63,64, Ekdawi et al.65, Faraone et al.66, Köper et al.67 et Magazù et al.68,69,70 ont étudié expérimentalement la dynamique de l'-tréhalose et de l'eau en fonction de la concentration en sucre et de la température. Grâce à l'apport de la résonance magnétique nucléaire (RMN) et à la diffusion neutronique, il leur a été possible de découpler les dynamiques des molécules de solvant de celles du soluté avec des échelles temporelles complémentaires. Ainsi, la dynamique des molécules d'eau s'est avérée être fortement affectée par la présence du disaccharide. A titre d'exemple, le coefficient de diffusion translationnelle des molécules d'eau diminue d'un facteur 30, pour des concentrations en sucre allant de 0wt.%* à 7 1 wt.%.65 (Figure 9)

10-4

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10-8

Dynamique de l'eau Dynamique du tréhalose

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Concentration en tréhalose (wt.%)

Figure 9: Mesures RMN à 300K du coefficient de diffusion translationnelle de l'eau (triangles) et du tréhalose (cercles) dans une solution de tréhalose en fonction de la concentration.65

La dynamique des molécules d'eau en milieu dilué diminue de manière faible mais régulière, puis le ralentissement s'accélère au-delà des 40wt.% comme en témoigne le changement de pente. Une rupture marquée dans la dynamique moléculaire est notable vers 30-40wt.%. Cette forte diminution de la dynamique est à rapprocher de l'augmentation importante de viscosité observée lorsque la concentration en sucre croît.71,72 Sachant que la viscosité est directement liée aux interactions intermoléculaires, si la viscosité augmente, alors les interactions eau-eau, eau-sucre et sucre-sucre sont plus nombreuses et plus prononcées. Le tréhalose, à la différence des autres disaccharides, présente

*L'abbréviation wt.% fait référence aux pourcentages massique en sucre. Il se calcule selon la formule suivante:

wt .% msucre .

msucre meau

une mobilité réduite à cause de sa plus grande hydratation. Ainsi à 80wt.%, l'eau diffuse deux fois plus vite dans une solution de sucrose que dans une solution de tréhalose.65,73,74

Pour ce qui est du soluté, un net ralentissement de sa dynamique est observé. Là où la dynamique de l'eau est divisée par 30, la dynamique des molécules de tréhalose est elle divisée par 300 pour des concentrations allant de 16wt.% à 71wt.%.65 (Figure 9) Une nouvelle fois, une cassure dans la dynamique est observée pour les mêmes raisons que celles invoquées précédemment (viscosité, interactions, ...).

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