Contribution à la compréhension de procédés électro-membranaires appliqués à la

308 Pages·2017·3.68 MB·French

Contribution à la compréhension de procédés
électro-membranaires appliqués à la
désacidification du jus de canneberge

Thèse
Élodie Serre

Doctorat en sciences et technologie des aliments
Philosophiae doctor (Ph. D.)

Québec, Canada

© Elodie Serre, 2017
Contribution à la compréhension de procédés
électro-membranaires appliqués à la
désacidification du jus de canneberge

Thèse
Élodie Serre

Sous la direction de :

Laurent Bazinet, directeur de recherche
Stella Lacour, codirectrice de recherche
Karine Pedneault, codirectrice de recherche
RESUME:

Depuis des décennies, la canneberge est reconnue comme un aliment fonctionnel
grâce à ses bienfaits sur la santé humaine. Cependant, ce petit fruit, très riche en acides
organiques, peut engendrer à long terme des troubles gastro-intestinaux chez certains
consommateurs. L’objectif principal de ce travail de thèse de doctorat était de
démontrer qu’à partir d’un traitement du jus de canneberge par électrodialyse selon une
certaine configuration, il était possible de diminuer la concentration en acides
organiques dans le jus tout en permettant une réduction potentielle de l’inflammation
intestinale et de conserver les composés bénéfiques (anthocyanes et
proanthocyanidines) sur la santé humaine.

Au cours de ces travaux, les premiers résultats ont démontré que la nature des
membranes et un agencement judicieux de celles-ci permettaient de diminuer
significativement la concentration en acides organiques dans le jus de canneberge tout
en conservant les anthocyanes et les proanthocyanidines présentes dans le jus. En
parallèle, cette étude a mise en évidence pour la première fois une sélectivité de
migration des acides organiques lors de l’électrodialyse avec membrane bipolaire.
Ainsi, l’étude de l’impact de la nature et de l’agencement des membranes sur la
désacidification du jus de canneberge a montré que, parmi les configurations testées,
seule la configuration possédant deux membranes bipolaires et une membrane anionique
résultait en un taux de désacidification du jus de canneberge optimal en termes de
paramètres électrodialytiques et physico-chimiques.

Par la suite, l’étude in vitro sur l’impact du taux de désacidification du jus de
canneberge sur la barrière intestinale a démontré qu’une diminution suffisante des
acides organiques dans le jus de canneberge permettait de protéger la barrière
intestinale. L’acide quinique n’a montré aucun impact sur l’intégrité de la barrière
intestinale à la différence des acides citrique et malique. Néanmoins, l’effet des acides
citrique et malique seuls sur l’intégrité de la barriére intestinale n’a pas été démontré.
III
Cette étude a mis en évidence pour la première fois l’impact des acides organiques
présents dans le jus de canneberge sur l’intégrité de la barrière intestinale.

Enfin, l’approche mathématique a permis de mieux comprendre le
comportement et le transfert des acides organiques à travers la membrane échangeuse
d’anions durant le procédé d’électrodialyse. Ainsi, une compétition entre les fractions
anioniques des acides organiques et les H+ produits par la membrane bipolaire a pu être
déterminée.

Enfin, un brevet a été déposé à la fois sur le procédé et le produit en lui même
menant dans un futur proche à l’apparition d’un nouveau breuvage de canneberge sur le
marché.

IV
ABSTRACT :

For decades, cranberry has been recognized as a functional food due to its
beneficial effects on human health. However, cranberry, which possesses a very high
organic acid content, may potentially cause gastrointestinal disorders following a long-
term consumption. The main objective of this doctoral thesis was to demonstrate that
through an electrodialysis treatment of cranberry juice using a specific configuration, it
is possible to decrease the organic acid concentration, while conserving compounds
beneficial to human health and potentially decreasing organic acid impact on intestinal
inflammation.

The results of the first study demonstrated that the membrane’s nature and
stacking (ion-exchange, bipolar or ultrafiltration membranes) allowed for a significant
decrease of the organic acid concentration while preserving anthocyanins and
proanthocyanidins in the juice. In addition, this study highlighted for the first time a
migration selectivity of organic acids during the ED treatment. This study showed that
only the configuration possessing two bipolar membranes and one anion exchange
membrane produced an optimal rate of deacidification in cranberry juice in terms of
electrodialytic and physico-chemical parameters.

In the second study, it was demonstrated that a deacidification rate of at least
37% was necessary to protect the intestinal barrier in vitro. Quinic acid has no impact
on the intestinal barrier’s integrity as opposed to citric and malic acids. However, the
effect of citric or malic acids alone on the integrity of the intestinal barrier has not been
demonstrated. Notably, this is the first time a study demonstrated the impact of organic
acids present in cranberry juice on the integrity of the intestinal barrier.

Finally, the mathematical approach led to a better understanding of the
behaviour and transport of organic acids through the anion exchange membrane during
V
the ED treatment. A competition between the anionic fractions of organic acids and the
H+ produced by the bipolar membrane during the ED process was demonstrated.
These results showed that electrodialysis with bipolar membrane deacidified
cranberry juice while preserving the beneficial compounds such as anthocyanins and
proanthocyanidins, and potentially decreasing the impact on intestinal inflammation.
Additionally, a better understanding of the migration of organic acids through the anion
exchange membrane during the process has been shown. A patent concerning the
process and the final product was submitted. We hope this work will lead in a close
future to the commercial availability on the market of a new cranberry juice beverage.
VI
TABLE DES MATIERES :

Résumé : ........................................................................................................................................... III
Abstract : ............................................................................................................................................V
Table des Matières : ...................................................................................................................... VII
Liste des tableaux : ...................................................................................................................... XIV
Liste des figures : ........................................................................................................................ XVII
Liste des abbréviations et des sigles : .................................................................................... XXII
Remerciements : ...................................................................................................................... XXVII
Avant‐propos : ........................................................................................................................... XXIX
Introduction : .................................................................................................................................... 1
CHAPITRE I. Revue de littérature .................................................................................................... 4
I.1. La Canneberge : ................................................................................................................................. 5
I.1.1. Historique : ........................................................................................................................................................... 5
I.1.2. Origine Botanique : ........................................................................................................................................... 6
I.1.3. Culture de la canneberge : ............................................................................................................................. 7
I.1.4. Composition de la canneberge : ................................................................................................................... 8
I.1.4.1. Composés antioxydants - Anthocyanes et proanthocyanidines : .............................................. 10
I.1.4.1.1. Anthocyanes : ......................................................................................................................................................... 12
I.1.4.1.2. Proanthocyanidines : ............................................................................................................................................ 15
I.1.4.2. Acides organiques : ..................................................................................................................................... 16
I.1.4.2.1. Structures chimiques : ......................................................................................................................................... 17
I.1.4.2.2. Distribution des fractions ioniques des acides organiques en fonction du pH : .............................. 17
I.2. Jus de canneberge : ......................................................................................................................... 22
I.2.1. Procédé de fabrication : ............................................................................................................................... 22
I.2.2. Composition :.................................................................................................................................................... 23
I.2.3. Impact de la consommation de jus de canneberge sur la santé humaine : ................................ 25
I.2.3.1. Effet des polyphénols : .......................................................................................................................................... 25
I.2.3.1.1. Prévention des infections urinaires : ......................................................................................................... 26
I.2.3.1.2. Prévention des maladies cardiovasculaires : .......................................................................................... 27
I.2.3.1.3. Préventions de certains cancers :................................................................................................................ 28
I.2.3.1.4. Préventions d’ulcéres gastriques : ............................................................................................................. 28
I.2.3.1.5. Préventions des plaques dentaires : ........................................................................................................... 29
I.2.3.2. Effet des acides organiques : ................................................................................................................................ 30
I.2.3.2.1. Effets secondaires indésirables : ................................................................................................................ 30
I.2.3.2.2. Possibilités d’inflammations intestinales : .............................................................................................. 31
a) Généralité sur l’inflammation : ........................................................................................................................... 31
b) Rôle de l’endothélium : ......................................................................................................................................... 31
c) Dysfonctionnement de l’endothélium : ............................................................................................................ 33

VII
I.3. Les procédés de désacidification des breuvrages alimentaires : .................................... 35
I.3.1. Précipitation aux sels de calcium : ........................................................................................................... 35
I.3.1.1. Principe : ...................................................................................................................................................................... 35
I.3.1.2. Applications : ............................................................................................................................................................. 35
I.3.1.3. Limitations : ............................................................................................................................................................... 37
I.3.2. Utilisation de Chitosane : ............................................................................................................................ 37
I.3.2.1. Principe : ...................................................................................................................................................................... 37
I.3.2.2. Applications : ............................................................................................................................................................. 39
I.3.2.3. Limitations : ............................................................................................................................................................... 40
I.3.3. Membranes liquides :..................................................................................................................................... 41
I.3.3.1. Principe : ...................................................................................................................................................................... 41
I.3.3.2. Applications : ............................................................................................................................................................. 42
I.3.3.3. Limitations : ............................................................................................................................................................... 43
I.3.4. Nanofiltration: .................................................................................................................................................. 44
I.3.4.1. Principe : ...................................................................................................................................................................... 44
I.3.4.2. Applications : ............................................................................................................................................................. 44
I.3.4.3. Limites : ....................................................................................................................................................................... 45
I.3.5. Résines échangeuses d’ions : ...................................................................................................................... 45
I.3.5.1. Principe : ...................................................................................................................................................................... 45
I.3.5.2. Applications : ............................................................................................................................................................. 48
I.3.5.3. Limitations : ............................................................................................................................................................... 49
I.4. Électrodialyse et procédés hybrides : ...................................................................................... 50
I.4.1. Membranes échangeuses d’ions monopolaires : ................................................................................. 51
I.4.1.1. Exclusion et potentiel de Donnan : ..................................................................................................................... 52
I.4.1.2. Permsélectivité des membranes : ........................................................................................................................ 53
I.4.1.3. Capacité d’échange ionique : ............................................................................................................................... 54
I.4.1.4. Conductivité des membranes : ............................................................................................................................. 55
I.4.2. Membranes bipolaires : ................................................................................................................................ 57
I.4.3. Membranes d’ultrafiltration : ..................................................................................................................... 58
I.4.4. Principe et généralités de l’électrodialyse : .......................................................................................... 58
I.4.4.1. L’électrodialyse conventionnelle : ...................................................................................................................... 58
I.4.4.2. L’électrodialyse avec membrane bipolaire : ................................................................................................... 63
I.4.4.3. L’électrodialyse avec membrane de filtration (EDMF) : ............................................................................ 64
I.4.5. Phénomènes de transport : .......................................................................................................................... 64
I.4.5.1. Transfert de masse : ................................................................................................................................................. 64
I.4.5.2. Loi d’électroneutralité : .......................................................................................................................................... 66
I.4.5.3. Rendement faradique : ........................................................................................................................................... 67
I.4.6. Limitations au transfert de masse : .......................................................................................................... 67
I.4.6.1. Notion de concentration de polarisation et de courant limite : ................................................................. 67
I.4.6.1.1. Concentration de polarisation : ................................................................................................................... 67
I.4.6.1.2. Densité de courant limite et dissociation des molécules d’eau : ................................................... 69
I.4.6.2. Colmatage : ................................................................................................................................................................. 73
I.4.6.2.1. Colloïdal : ........................................................................................................................................................... 74
I.4.6.2.2. Organique : ........................................................................................................................................................ 74
I.4.6.2.3. Minéral : ............................................................................................................................................................. 74
I.4.7. Applications des systèmes électrodialytiques et des hybrides dans le domaine
alimentaire : .................................................................................................................................................................. 76
I.4.7.1. Désacidification de breuvages par électrodialyse conventionnelle : ...................................................... 78
I.4.7.2. Désacidification de breuvages par électrodialyse avec membrane bipolaire : .................................... 79
VIII
CHAPITRE II. Problématique, Hypothèse Et ObjectifS .............................................................. 84

II.1. Problématique : ............................................................................................................................. 85
II.2. Question de recherche : ............................................................................................................... 86
II.3. Hypothèse de recherche : ........................................................................................................... 86
II.4. Objectifs : ......................................................................................................................................... 86
II.4.1. Objectif général : ........................................................................................................................................... 86
II.4.2. Objectifs spécifiques : .................................................................................................................................. 87

CHAPITRE III. Désacidification du jus de canneberge par électrodialyse: Impact du
type de membranes et des configurations électrodialytiques sur la migration des
acides organiques et sur les caractéristiques physico‐chimiques du jus. .......................... 90

III.1. Transition contextuelle : ........................................................................................................... 97
III.2. Résumé : .......................................................................................................................................... 98
III.3. Abstract : ......................................................................................................................................... 98
III.4. Introduction : ................................................................................................................................ 99
III.5. Experimental methods : .......................................................................................................... 101
III.5.1. Cranberry juice : ........................................................................................................................................101
III.5.2. Electrodialytic configurations : ............................................................................................................103
III.5.3. Protocol : ......................................................................................................................................................105
III.5.4. Analysis methods : ....................................................................................................................................106
III.5.4.1. Physico-chemical characteristics of cranberry juice and acid recovery solutions : ..................... 106
III.5.4.1.1. pH : ................................................................................................................................................................. 106
III.5.4.1.2. Conductivity : ............................................................................................................................................. 106
III.5.4.1.3. Titratable acidity : ..................................................................................................................................... 106
III.5.4.1.4. Total soluble solids : ................................................................................................................................ 107
III.5.4.1.5. Juice color : ................................................................................................................................................. 107
III.5.4.1.6. Calcium, Potassium, Sodium, Magnesium, Phosphorus concentration determination
: .............................................................................................................................................................................................. 107
III.5.4.1.7. Anthocyanin content : .............................................................................................................................. 108
III.5.4.1.8. Proanthocyanidin content : .................................................................................................................... 108
III.5.4.1.9. Organic acid content : .............................................................................................................................. 109
III.5.4.1.10. Total Polyphenols : ................................................................................................................................ 109
III.5.4.2. Electrodialytic parameters and membrane characteristics : ................................................................. 110
III.5.4.2.1. Global system resistance : ...................................................................................................................... 110
III.5.4.2.2. Membrane Thickness : ............................................................................................................................ 110
III.5.4.3. Statistical analyses :........................................................................................................................................... 110
III.6. Results & Discussion : .............................................................................................................. 111
III.6.1. Cranberry juice and recovery solution analysis : ..........................................................................111
III.6.1.1. Titratable acidity : .............................................................................................................................................. 111
III.6.1.2. pH : .......................................................................................................................................................................... 114
III.6.1.3 Conductivity : ....................................................................................................................................................... 116
III.6.1.4. Total soluble solids : ......................................................................................................................................... 118
III.6.1.5. Mineral ion concentration : ............................................................................................................................. 118
III.6.1.6. Juice color : .......................................................................................................................................................... 121
III.6.1.7. Organic acid content : ....................................................................................................................................... 121
III.6.1.8. Anthocyanin content : ....................................................................................................................................... 125
IX
III.6.1.9. Proanthocyanidin content : ............................................................................................................................. 125
III.6.1.10. Total polyphenols : .......................................................................................................................................... 126
III.6.2. Electrodialytic parameters : ..................................................................................................................128
III.6.2.1. Global system resistance : ............................................................................................................................... 128
III.6.2.2. Membranes conductivities and thicknesses : ............................................................................................ 129
III.7. Conclusion : ................................................................................................................................. 129
III.8. Acknowledgements : ................................................................................................................ 130

CHAPITRE IV. Détermination de la forme anionique prédominante de l’acide
migrant durant la désacidification de solutions modèles d’acide organique. ................. 131

IV.1. Transition contextuelle :......................................................................................................... 132
IV.2 . Résumé : ...................................................................................................................................... 133
IV.3. Abstract : ...................................................................................................................................... 134
IV.4. Introduction :.............................................................................................................................. 135
IV.5. Materials & Methods : .............................................................................................................. 137
IV.5.1. Chemical products : ..................................................................................................................................137
IV.5.2. Electrodialysis equipment and configuration : ...............................................................................137
IV.5.3 Protocols : ......................................................................................................................................................139
IV.5.3.1. Deacidification of model solutions by EDBM : ...................................................................................... 139
IV.5.3.2. Ionic molar conductivity determination of malic and citric acid ionic fractions in
aqueous solution : ................................................................................................................................................................. 139
IV.5.4. Physicochemical analyses : ....................................................................................................................143
IV.5.4.1. pH : ......................................................................................................................................................................... 143
IV.5.4.2. Conductivity : ...................................................................................................................................................... 143
IV.5.4.3. Titratable acidity : .............................................................................................................................................. 144
IV.5.4.4. Organic acid contents : ..................................................................................................................................... 144
IV.5.4.5. Mineral concentrations : .................................................................................................................................. 144
IV.6. Results & Discussion : .............................................................................................................. 145
IV.6.1. pH : ..................................................................................................................................................................145
IV.6.2. Conductivity : ..............................................................................................................................................148
IV.6.3. Evolution of titratable acidity : .............................................................................................................150
IV.6.4. Organic acid contents : ............................................................................................................................152
IV.6.5. Migration rates : .........................................................................................................................................154
IV.6.6. Ionic molar conductivity of citric and malic acids : ......................................................................157
IV.6.7. Migration flows approach : ....................................................................................................................161
IV.6.7.1 Theoretical calculation of the migration flow : ......................................................................................... 161
IV.6.7.2. For malic acid solution : .................................................................................................................................. 163
IV.6.7.3. for citric acid solution : .................................................................................................................................... 166
IV.6.7.4. For a mix of citric and malic acids : ............................................................................................................ 169
IV.6.8. Electrochemical approach : ...................................................................................................................171
IV.6.8.1. Principle of the electrochemical approach : .............................................................................................. 171
IV.6.8.2. Mineral ion concentrations : ........................................................................................................................... 171
IV.6.8.3. Number of charges transported and comparison : .................................................................................. 174
IV.6.8.3.1. for malic acid solution : ..................................................................................................................... 175
IV.6.8.3.2. For citric acid solution : .................................................................................................................... 177
IV.6.8.3.3. For a mix of citric and malic acids :.............................................................................................. 180
IV.7. Conclusion : ................................................................................................................................. 183
X