Caractérisation de l'impact des conditions opératoires sur l'efficience d'un procédé de concentration du lait par ultrafiltration

Les concentrés de protéines de lait sont couramment utilisés comme ingrédients lors de la standardisation du lait de fromagerie. La concentration des protéines est généralement réalisée par ultrafiltration (UF) à l’aide de membranes polymériques ayant un seuil de coupure de 10 kDa, et ce, jusqu’à un facteur de concentration volumique de 3.5X. Dans l’optique d’améliorer l’efficience du procédé d’UF, l’étude avait pour but de caractériser l’impact du mode opératoire (pression transmembranaire constante (465 et 672 kPa) et flux constant) ainsi que la température (10°C et 50°C) sur la performance du système jusqu’à un facteur de concentration volumique de 3.6X. Le module de filtration à l’échelle pilote comprenait une membrane d’UF en polyéthersulfone de 10 kDa d’une surface de 2,04 m2. La performance du système a été caractérisée sur le flux de perméation, la sélectivité et la consommation énergétique totale. L’étude a montré que le flux de perméation était 1,9 fois plus élevé à une température de 50°C comparativement à 10°C lors de l’UF du lait. Le coefficient de rejet des protéines n’a pas été affecté significativement par la pression transmembranaire et la température (P< 0,05). L’effet de la température a été observé au niveau de la teneur en calcium, laquelle était plus élevée de 12% dans les rétentats générés à 50C. La consommation énergétique totale du système d’UF était plus élevée à 10C comparativement à 50C, représentant 0,32±0,02 et 0,26±0,04 kWh/kg rétentat respectivement. Les résultats montrent que le ratio d’efficience énergétique (rapport entre le flux de perméation et la consommation énergétique) optimal a été obtenu à faible pression transmembranaire constante et à 50C. L’approche développée dans le cadre de ce projet fournira des outils aux industriels laitiers pour améliorer l’éco-efficience de leurs procédés de séparation baromembranaire.

Relations entre la composition du lait et les facteurs alimentaires dans les troupeaux laitiers québécois

L’objectif général des travaux présentes dans cette thèse de doctorat était d’établir la relation entre l’alimentation et la composition du lait des vaches laitières, en mettant l’emphase sur les teneurs en matières grasses (TMG), sur l’urée du lait et sur l’efficience d’utilisation de l’azote. Pour la TMG, c’est principalement la relation entre cette teneur et la différence alimentaire cations-anions (DACA) qui a été investiguée. Une base de données de 2 142 troupeaux québécois a été utilisée et la relation entre la composition de la ration, incluant la DACA, et la TMG du lait a été déterminée à l’aide de régressions multiples. Il a été possible de prédire entre 32 et 66 % de la variation de la TMG du lait en fonction du stade de lactation. Malgré plusieurs interactions trouvées, une augmentation de la DACA, une supplémentation avec de l’acide palmitique et une distribution des aliments en ration totale mélangée ont eu une relation positive avec la TMG du lait, tandis qu’une augmentation de la proportion de concentrés dans la ration a eu un effet négatif. Les modèles développés ont montré l’importance de la gestion de l’alimentation sur la TMG du lait. En plus, ils ont démontré l’intérêt de considérer la DACA dans la formulation de rations chez la vache laitière. Dans une deuxième étude, la même base des données a été utilisée pour identifier les facteurs nutritionnels qui peuvent faire varier la teneur en urée du lait. Contrairement à ce qui est mentionné dans la littérature, tant des corrélations positives et que négatives entre les teneurs en urée du lait et en protéines des rations à l’intérieur des troupeaux sur une période de 36 mois ont été obtenues. Pour mieux comprendre ces relations, les résultats de performances et d’alimentation de 100 troupeaux avec des corrélations positives (r > 0,69) et de 100 troupeaux avec des corrélations négatives (r < -0,44) entre la teneur en urée du lait et en protéine brute de la ration ont été comparés. Les résultats n’ont pas montré de différences entre les deux groupes ni pour la composition de la ration, ni pour l’urée du lait. Ces résultats ne permettent pas d’identifier le meilleur contexte pour l’utilisation de la teneur en urée du lait comme un outil de gestion de l’alimentation. Ces observations soulèvent des questions sur la validité de l’utilisation des statistiques d’alimentation provenant de la base de données utilisée pour des évaluations nutritionnelles plus spécifiques. Considérant les résultats du projet précédent, le dernier projet visait à mieux comprendre les caractéristiques des fermes avec différentes efficiences d’utilisation de l’azote en utilisant des données plus fiables. Ainsi, 100 fermes laitières au Québec ont été visitées pour recueillir les données de production, de consommation d’aliments et de gestion de leur troupeau. Ces fermes ont été divisées en quatre groupes par une analyse en grappes selon leur efficience d’utilisation de l’azote. La comparaison entre les groupes a montré que les fermes dans les groupes avec une plus haute efficience d’utilisation d’azote ont une production laitière moyenne par vache plus élevée. Pour les stratégies d’alimentation, les fermes plus efficientes donnent plus d’énergie, mais moins de protéines brutes que les fermes des groupes moins efficients. Les résultats ont également montré l’importance de la prise alimentaire des vaches sur l’efficience d’utilisation de l’azote puisque les fermes des groupes avec la plus grande efficience étaient également celles avec la plus faible prise alimentaire. Aussi, les résultats n’ont pas permis d’établir clairement la relation entre la teneur en urée du lait et l’efficience de l’utilisation de l’azote. En effet, des valeurs différentes pour l’urée du lait étaient obtenues entre le groupe plus efficient et le moins efficient, mais la faible ampleur de variation de l’efficience d’utilisation de l’azote des groupes intermédiaires n’a pas permis d’observer de différences pour l’urée du lait. Finalement, outre une réduction des risques de pollution, les fermes des groupes plus efficaces pour l’utilisation de l’azote étaient également celles avec la marge sur les coûts d’alimentation par les vaches plus élevées. Par conséquent, il y a aussi un intérêt économique à améliorer l’efficience de l’utilisation de l’azote sur les fermes.

Validation d'une technique de réduction de la production de méthane d'origine digestive chez la vache laitière en conditions commerciales

L’objectif principal de la présente recherche était d’évaluer les effets d’un supplément de lin extrudé dans la ration de troupeaux laitiers québécois sur les performances de production et les émissions de méthane (CH4) par les vaches laitières. Trente fermes ont été sélectionnées et divisées en deux groupes. Un premier groupe de 15 fermes a servi de témoin; les producteurs n’y ont pas apporté de changement à l’alimentation des vaches. Les 15 autres troupeaux formaient le groupe lin; les producteurs ont ajouté de 200 à 900 g/jour de supplément de lin extrudé (moyenne de 700 g/vache/jour) dans l’alimentation selon le stade de lactation. La période expérimentale s’est déroulée pendant les mois d’avril à octobre 2013. L’ajout de supplément de lin extrudé dans la ration a fait augmenter la production laitière de 3 % chez les troupeaux recevant le supplément comparativement aux troupeaux du groupe témoin (P < 0,05). L’ingestion de matière sèche a été similaire entre les deux groupes expérimentaux. Puisque la production laitière a été augmentée, l’efficacité alimentaire s’est améliorée de 6 % pour les troupeaux recevant le supplément de lin extrudé (P = 0,02). La teneur et la production de matières grasses du lait ont été similaires pour les deux groupes expérimentaux. La teneur en protéines du lait a diminué (P < 0,01), mais leur production n’a pas été affectée (P = 0,17), tandis que la production de lactose a augmenté (P = 0,02) lors de l’ajout du supplément de lin extrudé dans la ration sans en influencer la teneur (P = 0,60). La teneur en acides gras ω-3 a augmenté de 38 % dans les matières grasses du lait des troupeaux recevant le supplément (P < 0,01). Lorsqu’exprimées sur une base d’unité de lait produit, les émissions de CH4 estimées à partir de la composition en acides gras du lait, ont été réduites de 9,4 % pour les troupeaux recevant le supplément de lin extrudé comparativement au groupe témoin. En conclusion, une supplémentation modérée de lin extrudé (700 g/vache/jour) constitue un moyen pour réduire les émissions de CH4 tout en améliorant les performances de production des troupeaux laitiers et la qualité nutritionnelle du lait.

Impact du stress métabolique sur la programmation épigénétique de l'embryon bovin

Depuis plus de 40 ans, il est connu que les fœtus de mammifères sont sensibles aux conditions métaboliques de la mère durant la gestation. On commence à comprendre aujourd’hui les principes moléculaires de ces observations épidémiologiques. L’épigénétique définit cette nouvelle réalité et semble être la voie par laquelle l’environnement influence l’expression des gènes à plus ou moins long terme. Cette réalité est aussi présente en production laitière où les vaches en plus de montrer une production de lait accrue doivent soutenir le développement d’un fœtus. La forte mobilisation des réserves graisseuses associées à cette condition peut venir modifier la composition du milieu ovarien ainsi qu’utérin, et par le fait même, créer une dysfonction du métabolisme mitochondriale qui provoquera une augmentation du stress oxydatif. Cette modification peut pousser l’ovule ou l’embryon à modifier considérablement sa programmation épigénétique dans le but de s’adapter à ce signe de déficit métabolique. Dans cette étude, nous avons fait subir un stress métabolique à des embryons bovins in vitro afin de valider l’impact d’une telle perturbation sur l’épigénome embryonnaire. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence une tendance à l’hypométhylation dans les régions télomériques de la majorité des chromosomes ainsi que des modifications sur des gènes reliés au métabolisme énergétique. Il devient donc important d’étudier ces modifications sur le développement et les performances futures de l’embryon et ce afin de mieux comprendre les impacts que certains types de rations ou habitudes de régie peuvent avoir sur le potentiel productif et reproductif des animaux de relève. Ces connaissances nous permettront d’adapter notre régie afin de maximiser le potentiel productif des animaux de l’industrie laitière québécoise et de conserver notre place parmi les leaders mondiaux de ce secteur de production.

Caractérisation fonctionnelle de facteurs de virulence chez "Streptococcus suis"

Les progrès technologiques dans l’industrie de la viande ont des répercussions considérables sur les agents pathogènes de ces environnements. Parmi ceux-ci, Streptococcus suis occupe une place prédominante dans l’industrie porcine. En effet, S. suis, colonisateur naturel des voies respiratoires et digestives du porc, peut infecter son hôte en provoquant des méningites, septicémies, endocardites, arthrites ou pneumonies. De surcroît, S. suis peut également infecter l’humain en provoquant majoritairement des méningites et septicémies, et a notamment été la cause de deux épidémies en Chine en 1998 et 2005. La pathogenèse des infections à S. suis demeure partiellement connue à l’heure actuelle, rendant difficile le contrôle des infections. Il est par conséquent essentiel de caractériser les facteurs de virulence chez S. suis puisqu’ils pourraient représenter des cibles d’intérêt pour des applications préventives ou thérapeutiques. Ce projet de doctorat consiste donc en la caractérisation fonctionnelle de facteurs de virulence chez S. suis. Dans un premier temps, la capacité de S. suis à moduler son potentiel pro-inflammatoire en présence de concentrations sous-inhibitrices d’amoxicilline a été mise en évidence. Dans un second temps, la caractérisation plus avancée de la hyaluronate lyase de S. suis a permis de démontrer que son activité ne contribue pas à la virulence de la bactérie étant donné son absence au sein de souches les plus virulentes, mais que les interactions avec l’acide hyaluronique pourraient moduler la virulence de S. suis. Par la suite, l’étude fonctionnelle d’une DNase de S. suis a permis de démontrer son implication comme facteur de virulence et suggère son intérêt dans le développement de vaccins. Finalement, le dernier objectif du projet a permis la mise en évidence de la production de microvésicules fortement immunogéniques par S. suis. La présence de facteurs de virulence dans leur contenu protéique représente un élément encourageant dans le développement de vaccins contre l’agent pathogène. Ce projet a donc permis d’élargir les connaissances sur le potentiel néfaste de l’utilisation des antibiotiques à faible concentration dans l’industrie porcine, sur le rôle des activités hyaluronate lyase et DNase dans la virulence de S. suis, et de découvrir un nouveau mécanisme impliqué dans la virulence de la bactérie par le biais des microvésicules.

Isomérisation du lactose en lactulose en solution modèle de lactose et dans du perméat de lactosérum par électro-activation supportée par échange ionique sur résine

L’isomérisation alcaline du lactose en lactulose a été effectuée électro-chimiquement à l’aide d’un réacteur d’électro-activation en combinaison avec des résines échangeuses d’anions de polystyrène de trois types; à savoir Lewatit VP-OC-1065 faible-acide, Lewatit MP-64 moyenne-acide et Lewatit Monoplus M500 forte-acide. Les paramètres opératoires qui ont fait l’objet de cette étude ont été étudiés sur trois blocs expérimentaux pour optimiser le système. Dans le Premier bloc, les paramètres étudiés sont : (1) ratio lactose-5%(p/v) : résine échangeuse d’anions (1:0.5, 1:1 et 1:2), (2) intensité du champ électrique : 50 mA, 100 mA et 200 mA et (3) type de résines : faible, moyenne et forte. Dans le Deuxième bloc, les paramètres mis à l’étude comprenaient : (1) l’intensité du champ électrique : 300 mA, 450 mA et 550 mA, (2) le débit de la solution traitée : 25 ml / min, 50 ml/ min et 100 ml/min et (3) la surface active de la membrane adjacente au compartiment cathodique : 0.78 cm2, 7.06 cm2 et 18.1 cm2. Le Troisième bloc expérimental a été effectué sur la base de la distance entre la membrane et l’électrode : 3.1 cm, 5.6 cm et 9 cm. Le même modèle expérimental a était également réalisé avec du perméat du lactosérum d’une concentration de 7% (p/v). Les résultats obtenus ont révélé que le meilleur rendement de l’isomérisation du lactose en lactulose était obtenu après 30 minutes d’électroactivation en utilisant une solution modèle de lactose-5% avec une valeur d’environ 20.1%. Les conditions opératoires qui ont permis d’avoir ce taux de conversion sont une intensité du courant de 550 mA, un débit de la solution de 25 ml/min, une surface active de la membrane de 7.06 cm2 et une distance de 9 cm entre la cathode et la membrane qui lui y est adjacente. En utilisant le perméat de lactosérum-7%, un taux de conversion de lactose en lactulose de 8.34% a était obtenu avec une intensité du courant de 200 mA, un débit de 120 ml/min, une surface active de de 18.1cm2 et une distance de 9 cm entre la membrane et l’électrode dans le compartiment cathodique. Les analyses de variance ont indiqué un effet catalytique significatif du type de la résine. En effet, la résine-forte a permis d’avoir les plus hauts rendements de la réaction d’isomérisation par électro-activation. La résistance électrique globale du système d’électroactivation dépendait de la valeur de l’intensité du courant. Le produit final était d’une grande pureté, car il ne présentait que quelques traces de galactose (< 4%).

Étude comparative de deux méthodes de fabrication de yogourt grec à échelle pilote utilisant l’ultrafiltration comme technique de concentration - Étude basée sur la méthode d’Analyse de Cycle de Vie

Le yogourt grec, pouvant être obtenu par concentration du yogourt traditionnel par ultrafiltration (UF), connaît une croissance exceptionnelle en Amérique du Nord (+100% depuis 2012), et représente le premier segment de marché des produits laitiers fermentés en 2014. Cependant, d’un point de vue environnemental, la production du yogourt grec fait face à plusieurs enjeux et défis. Son élaboration nécessite trois fois plus de lait que le yogourt traditionnel de par l’étape de concentration nécessaire à l’atteinte de la concentration protéique cible. De plus, l’étape d’UF du yogourt génère un perméat acide (coproduit du yogourt) difficilement valorisable. Néanmoins, une alternative consistant à effectuer l’étape d’UF sur le lait avant sa fermentation permet d’éliminer la production du perméat acide, et génère un perméat de lactosérum doux déprotéiné dont les voies de valorisation sont davantage connues. Cette stratégie pourrait donc potentiellement réduire l’impact environnemental du procédé et générer des coproduits plus facilement valorisables, améliorant ainsi l’écoefficience du procédé de fabrication de yogourt grec. Dans cette optique, ce projet de recherche visait à comparer l’impact environnemental sur l’ensemble du cycle de vie de la production de yogourt grec selon deux procédés : en effectuant l’étape de concentration par UF avant l’étape de fermentation (UF LAIT), ou après (UF YOG) comme utilisé dans l’industrie. Ainsi, des expérimentations à échelle pilote ont été réalisées dans le but de comparer ces deux procédés. Le nouveau procédé (UF LAIT) permettrait une réduction des consommations d’énergie à l’étape de transformation étant donné que l’UF du lait avant fermentation permet de réduire la quantité de matière première à transformer d’environ un tiers. Cependant l’Analyse du Cycle de Vie (ACV) des deux procédés donne comme résultat un bilan environnemental défavorable à (UF LAIT) comparativement au procédé traditionnel (UF YOG) à cause d’une plus grande consommation de lait, qui est responsable d’environ 80% des impacts sur le cycle de vie du yogourt grec. Cet impact majeur pour UF LAIT l’est encore même lorsque dans une analyse de sensibilité le perméat doux de UF LAIT est alloué à l’étape d’UF contrairement au perméat acide de UF YOG qui est considéré comme un déchet non valorisable.

Design et synthèse d’inhibiteurs d’une ectonucléotide pyrophosphatase/phosphodiestérase de type 1 (ENPP1) et leur activité anticancéreuse

La calcification de la valve aortique (CVA) est une maladie cardiovasculaire de plus en plus répandue, particulièrement en Amérique du Nord. Elle cause le rétrécissement de la valve aortique et le seul traitement actuellement disponible est le remplacement chirurgical. Des études menées par le Dr Patrick Mathieu (Institut de Cardiologie et de Pneumologie de Québec) ont montré qu’une surexpression d’une ectonucléotide pyrophosphatase/phosphodiestérase de type 1 (ENPP1) est à l’origine de cette sténose. Une solution à cette maladie serait donc de trouver un inhibiteur d’ENPP1. Inspirées des travaux du groupe de Pfizer visant ENPP1 pour le traitement de la chondrocalcinose articulaire et l’ostéoarthrite, quelques familles d’inhibiteurs de type quinazoline-4-pipéridine sulfamides (QPS) ont été synthétisés et testées in vitro. Une étude en modélisation moléculaire sur le site potentiel de liaison des inhibiteurs sur ENPP1 est en cours, en collaboration avec le Pr Patrick Lagüe (Université Laval, Département de biochimie, microbiologie et bio-informatique) et son équipe pour optimiser le design de la structure des composés. Les composés d’une des familles, les QPS-pyrimidine, ont été testés in vitro sur quelques lignées cellulaires cancéreuses (HT-1080, HT-29, M21 et MCF-7) pour mesurer leur activité antiproliférative. Ces composés ont une inhibition de croissance médiane (IC50) de l’ordre du micromolaire et représentent donc un point de départ intéressant pour la mise au point de nouveaux traitements anticancéreux.