Liste des Tableaux

217 Pages·2012·3.88 MB·French

MONTPELLIER SUPAGRO
Institut des régions chaudes

THÈSE
Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE MONTPELLIER SUPAGRO
Formation doctorale : Génie des procédés
École doctorale : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments

Présentée et soutenue publiquement
par

Nadiarid JIMÉNEZ ELIZONDO
Le 13 décembre 2011

Titre
Impact des opérations thermiques agroalimentaires à hautes
températures sur la dégradation des anthocyanes :
Caractérisation et modélisation des cinétiques réactionnelles

Jury
Mme. Xuân-Mi MEYER Professeur, ENSIACET, Toulouse Rapporteur
M. Gilles TRYSTRAM Professeur, AgroParisTech, Massy Rapporteur
M. Olivier DANGLES Professeur, Université d’Avignon Examinateur
M. Philippe BOHUON Maître de conférences, Montpellier SupAgro Examinateur
M. Fabrice VAILLANT Chercheur, CIRAD-CITA, Costa Rica Directeur de thèse
MONTPELLIER SUPAGRO
Institut des régions chaudes

THÈSE
Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE MONTPELLIER SUPAGRO
Formation doctorale : Génie des procédés
École doctorale : Science des Procédés – Sciences des Aliments

Présentée et soutenue publiquement
par

Nadiarid JIMÉNEZ ELIZONDO
Le 13 décembre 2011

Titre
Impact des opérations thermiques agroalimentaires à hautes
températures sur la dégradation des anthocyanes :
Caractérisation et modélisation des cinétiques réactionnelles

Jury
Mme. Xuân-Mi MEYER Professeur, ENSIACET, Toulouse Rapporteur
M. Gilles TRYSTRAM Professeur, AgroParisTech, Massy Rapporteur
M. Olivier DANGLES Professeur, Université d’Avignon Examinateur
M. Philippe BOHUON Maître de conférences, Montpellier SupAgro Examinateur
M. Fabrice VAILLANT Chercheur, CIRAD-CITA, Costa Rica Directeur de thèse
À ma famille, pour leur soutien inestimable
À Ricardo, à qui je dois tout mon bonheur

i
Remerciements

Ce travail a été effectué dans le cadre d’un Projet Européen No. FP6-0015279. Nadiarid
JIMÉNEZ ELIZONDO a bénéficié d’une bourse de thèse octroyée par l’Université du
Costa Rica et le Centre Culturel et de Coopération pour l’Amérique Centrale du
Ministère des Affaires Étrangères de France.

Il a été effectué au CIRAD (Centre de Coopération Internationale en Recherche
Agronomique pour le Développement) au sein de l’Équipe 3, Procédés de stabilisation
et de transformation (UMR Qualisud, Démarche intégrée pour l’obtention d’aliments de
qualité) sous la direction du M. Fabrice VAILLANT, et a été co-encadré par
M. Philippe BOHUON, maître de conférences à Montpellier SupAgro.

Je leur exprime toute ma gratitude pour m’avoir guidé dans mon travail de recherche, et
pour la confiance qu’ils m’ont témoignée au cours de ces années.

Mes sincères remerciements s’adressent aux membres du Jury qui ont accepté de juger
ce travail :
Mme. Meyer, Professeur à l’ENSIACET, Toulouse
M. Trystram, Professeur à AgroParisTech, Massy
M. Dangles, Professeur à l’Université d’Avignon

Je tiens à remercier le personnel du Département PERSYST (Performances des
Systèmes de Production et de Transformation Tropicaux), ainsi que mes collègues de
travail avec lesquels j’ai partagé ces années, pour avoir rendu mon séjour à Montpellier
agréable et le travail convivial.

ii
Les résultats de ce travail ont été ou vont être publiés sous forme d’articles :

Jiménez, N.; Ribeiro, J.; Bohuon, P.; Dornier, M.; Perez, A.M.; Vaillant, F. “Kinetic of
anthocyanin degradation and browning in reconstituted blackberry juice treated at high
temperatures (100–180 ºC)”. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, 58,
2314–2322.

Jiménez, N.; Bohuon, P.; Dornier, M.; Bonazzi, C.; Perez, A.M.; Vaillant, F. “Effect of
Water Activity on Anthocyanin Degradation and Browning Kinetics at High
Temperatures (100–140 ºC)”. Food Research International, 2012, 47, 106-115.

Jiménez, N.; Bohuon, P.; Dornier, M.; Vaillant, F. 3D “Modeling of a reactor to
estimate degradation kinetic parameters of anthocyanins at different water activities
during heat treatment (25–140 ºC)”. Journal of Food Engineering. (Soumise)

Jiménez, N.; Bohuon, P.; Dornier, M.; Soto, M.; Perez, A.M.; Vaillant, F. “Coupling of
osmotic dehydration and heat treatment in green papaya impregnated with blackberry
juice solution”. LWT – Food Science and Technology. (Soumise)

Jiménez, N.; Bassama, J.; Bohuon, P.; Vaillant, F. “Impact of Heat and Mass Transfer
on Anthocyanin Degradation during Deep Fat Frying”. En préparation pour soumission
au Journal of Food Engineering.

Jiménez, N.; Bohuon, P.; Dornier, M.; Bonazzi, C.; Vaillant, F. “Interest of modeling
heat transfer inside a reactor to estimate kinetic parameters”. In: Proceedings of 11th
International Congress on Engineering and Food (ICEF11). May 22-26, 2011. Athens,
Greece. http://www.icef11.org/content/papers/mfs/MFS477.pdf

Lima, J.; Jiménez, N.; Bohuon, P. “Kinetics of ascorbic acid degradation and colour
change in ground cashew apples treated at high temperatures (100–180 ºC)”.
International Journal of Food Science and Technology, 2010, 45, 1724–1731.

iii
Table de Matières
Table de Matières ............................................................................................................ iv
Liste des Tableaux ............................................................................................................ x
Liste des Figures ............................................................................................................. xii
Liste des Abréviations ................................................................................................... xix
Chapitre I : Introduction générale ..................................................................................... 1
Chapitre II : Matériels et Méthodes .................................................................................. 9
1 Matériels ............................................................................................................... 9
1.1 Matières premières et produits chimiques .................................................... 9
1.2 Préparation du jus de mûre reconstitué....................................................... 10
1.3 Préparation du système jus de mûre  sable de Fontainebleau .................. 11
1.4 Préparation des échantillons à différentes activités de l’eau ...................... 11
2 Equipements et protocoles de traitement ............................................................ 12
2.1 Traitement thermique en réacteur fermé .................................................... 12
2.1.1 Le réacteur fermé .................................................................................... 12
2.1.2 Traitement thermique en cellule ............................................................. 13
2.2 Traitement de papaye verte par DII ............................................................ 13
2.2.1 Déshydratation-imprégnation par immersion (DII) ................................ 14
2.3 Friture de papaye verte formulée ................................................................ 15
2.4 Protocoles d’extraction ............................................................................... 16
2.4.1 Protocole d’extraction des échantillons du jus de mûre reconstitué ....... 16
2.4.2 Protocole d’extraction des échantillons du système jus de mûresable . 16
2.4.3 Extraction des échantillons de papaye verte formulé par DII ................ 16
2.4.4 Protocole d’extraction des échantillons frits .......................................... 17
3 Méthodes de mesures ......................................................................................... 18
3.1 Analyses physico-chimiques ...................................................................... 18
3.1.1 Dosage des anthocyanes par la méthode du différentiel du pH .............. 18
3.1.2 Dosage des anthocyanes par CLHP ........................................................ 19
3.1.3 Détermination de l’indice de brunissement non enzymatique................ 20
3.1.4 Détermination de la teneur en eau .......................................................... 20
iv
3.1.5 Identification du 5- hydroxyméthyl furfural par analyse GC-MS .......... 20
3.1.6 Détermination de la capacité antioxydante par la méthode ORAC ........ 21
3.1.7 Dosage des polyphénols totaux .............................................................. 22
3.2 Mesures thermophysiques .......................................................................... 22
3.2.1 Détermination de la masse volumique.................................................... 22
3.2.2 Détermination de la porosité .................................................................. 22
3.2.3 Détermination de la capacité thermique massique ................................. 23
3.2.4 Détermination de la conductivité thermique .......................................... 23
3.2.5 Détermination de l’activité de l’eau ....................................................... 24
3.2.6 Détermination de l’isotherme de sorption .............................................. 25
3.2.7 Température ............................................................................................ 25
4 Expressions et analyses des résultats .................................................................. 26
4.1 Transfert de matière lors de la DII.............................................................. 26
4.2 Analyse de la cinétique de dégradation des anthocyanes et du BNE ......... 26
4.2.1 Les modèles cinétiques ........................................................................... 27
4.2.2 Identification des paramètres cinétiques................................................. 28
5 Modélisation des réactions de dégradation couplée aux transferts..................... 29
5.1 Cas des transferts d’énergie dans la cellule de réaction ............................. 29
5.1.1 Formulation du modèle ........................................................................... 29
5.1.2 Résolution numérique ............................................................................. 30
5.1.3 Estimation des paramètres du modèle de transfert de chaleur................ 30
5.1.4 Estimation des paramètres du modèle cinétique réactionnelle ............... 31
5.1.5 Analyse statistique .................................................................................. 31
5.2 Cas du traitement thermique de la papaye après DII .................................. 32
5.2.1 Construction d’un plan d’expériences pour la DII ................................. 32
5.2.2 Simulation de la dégradation des anthocyanes à haute température ...... 33
5.3 Cas des transferts d’énergie et d’eau lors de la friture ............................... 35
5.3.1 Formulation du modèle ........................................................................... 36
5.3.2 Le modèle de friture ............................................................................... 36
5.3.3 Résolution numérique ............................................................................. 37
Chapitre III : Résultats .................................................................................................... 39
v
6 Publication #1 : Cinétiques de dégradation des anthocyanes et brunissement non
enzymatique dans un jus de mûre reconstitué traité à haute température (100–180 °C)
40
6.1 Introduction ................................................................................................ 43
6.2 Materials and methods ................................................................................ 45
6.2.1 Blackberry juice ...................................................................................... 45
6.2.2 Preparing reconstituted blackberry juice ................................................ 45
6.2.3 Heating device and conditions ................................................................ 45
6.2.4 Analytical methods ................................................................................. 47
6.2.5 Repeatability of the heat treatment and subsequent physicochemical
analyses ............................................................................................................... 49
6.2.6 Kinetic model development .................................................................... 49
6.3 Results and discussion ................................................................................ 52
6.3.1 Initial characteristics of reconstituted blackberry juice .......................... 53
6.3.2 Kinetic parameter estimation .................................................................. 53
6.3.3 Monomeric anthocyanin content ............................................................ 56
6.3.4 Non-enzymatic browning ....................................................................... 59
6.3.5 Model applications ................................................................................. 60
7 Publication #2 : Effet de l’activité d’eau dans les cinétiques de dégradation
d’anthocyanes et brunissement à haute température (100–140 ºC) ............................ 63
7.1 Introduction ................................................................................................ 66
7.2 Materials and methods ................................................................................ 68
7.2.1 Blackberry juice ...................................................................................... 68
7.2.2 Preparation of blackberry juice - quartz sand samples ........................... 68
7.2.3 Determination of the moisture sorption isotherm ................................... 69
7.2.4 Sample preparation at different water activities ..................................... 69
7.2.5 Heating device and conditions ................................................................ 70
7.2.6 Blackberry juice–quartz sand sample extraction .................................... 71
7.2.7 Analytical methods ................................................................................. 71
7.2.8 Kinetic model development .................................................................... 73
7.3 Results and discussion ................................................................................ 76
vi
7.3.1 Characteristics of the blackberry juice–quartz sand system ................... 76
7.3.2 Kinetic parameter estimation .................................................................. 76
7.3.3 Anthocyanin degradation kinetics .......................................................... 77
7.3.4 Effect of water activity on anthocyanin degradation .............................. 78
7.3.5 Non-enzymatic browning kinetics. ......................................................... 80
7.3.6 Effect of water activity on non-enzymatic browning ............................. 81
7.3.7 Hypothetical effect of water activity on the interaction between
anthocyanin degradation and NEB kinetics at high temperature ....................... 82
7.4 Conclusions ................................................................................................ 83
7.5 Acknowledgments ...................................................................................... 83
8 Publication #3 : Modélisation d’un réacteur en 3D pour estimer les paramètres
de la cinétique de dégradation des anthocyanes à différentes activités d’eau pendant le
traitement thermique (25140 ºC). ............................................................................. 84
8.1 Introduction ................................................................................................ 87
8.2 Materials and methods ................................................................................ 88
8.2.1 Materials ................................................................................................. 88
8.2.2 Heating device and conditions ................................................................ 89
8.2.3 Analytical methods ................................................................................. 90
8.2.4 Reactor model ......................................................................................... 91
8.3 Results and discussion ................................................................................ 98
8.3.1 Characteristics of the blackberry juice–quartz sand system ................... 98
8.3.2 Heat transfer phenomena inside the reactor ........................................... 99
8.3.3 Estimates of kinetic parameters ............................................................ 101
8.4 Conclusions .............................................................................................. 108
8.5 Acknowledgments .................................................................................... 108
9 Publication #4 : Couplage de la déshydratation-imprégnation par immersion et la
stérilisation de papaye verte imprégnée d’une solution de jus de mûre ................... 109
9.1 Introduction .............................................................................................. 112
9.2 Materials and methods .............................................................................. 113
9.2.1 Materials ............................................................................................... 113
9.2.2 Sample preparation and osmotic dehydration ...................................... 114
vii
9.2.3 Extraction of phenolic compounds ....................................................... 115
9.2.4 Analytical methods ............................................................................... 116
9.2.5 Expression of responses ....................................................................... 116
9.2.6 Kinetics of mass transfer ...................................................................... 117
9.2.7 Experimental design and statistical analysis ........................................ 117
9.2.8 Numerical estimation of anthocyanin degradation during high-
temperature treatment ....................................................................................... 119
9.3 Results and discussion .............................................................................. 121
9.3.1 Kinetics of osmotic dehydration ........................................................... 121
9.3.2 Experimental design ............................................................................. 123
9.3.3 Simulation of high-temperature treatment ............................................ 125
9.4 Conclusions .............................................................................................. 127
9.5 Acknowledgments .................................................................................... 127
10 Publication #5 : Impact des transferts d’énergie et matière sur la dégradation des
anthocyanes au cours de la friture ............................................................................ 128
10.1 Introduction .............................................................................................. 131
10.2 Materials and methods .............................................................................. 133
10.2.1 Materials ........................................................................................... 133
10.2.2 Sample preparation and deep-fat frying ........................................... 133
10.2.3 Analytical methods ........................................................................... 134
10.2.4 Kinetics of deep-fat frying ................................................................ 135
10.2.5 Modeling of frying coupled with anthocyanin degradation kinetics 136
10.3 Results and discussion .............................................................................. 139
10.3.1 Preliminary considerations ............................................................... 139
10.3.2 Model validation ............................................................................... 140
10.3.3 Sensitivity analysis of the model ...................................................... 143
10.3.4 Understanding the anthocyanin degradation mechanisms during frying
146
10.3.5 Coupling analysis between osmotic dehydration and frying for green
papaya – blackberry chips ................................................................................ 148
Chapitre IV: Résultats complémentaires et discussion générale .................................. 153
viii