AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : [email protected] LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm UNIVERSITE DE LORRAINE École Nationale Supérieure d’Agronomie et des Industries Alimentaires Laboratoire d’Ingénierie des Biomolécules (LIBio) THESE AKHTAR Muhammad Javeed Pour obtenir le grade de Docteur de l’UL Spécialité : Procédés Biotechnologiques et Alimentaires Fonctionnalisation et Caractérisation de Films Bioactifs à Base d’HPMC: Influence de l'introduction d'antioxydants sur les Propriétés des Films et la Conservation des Aliments Functionalization and Characterization of Bioactive Films Based on HPMC: Influence of Antioxidants Inclusion on Films Properties and Food Preservation Soutenue publiquement le 13 Septembre 2012 devant la commission d’examen Rapporteurs : Mme. Violette DUCRUET Ingénieur de Recherche, HDR, INRA, Massy, France M. Jean-Charles BENEZET Maître de Recherche, école de mines, Alès, France Examinateurs : Mme. Andrée VOILLEY Professeur, Agrosup (Université de Bourgogne), Dijon, France M. Michel LINDER Professeur, LIBio, UL, Nancy, France Mme. Muriel JACQUOT MC (Co-directeur de thèse), LIBio, UL, Nancy, France M. Stéphane DESOBRY Professeur (Directeur de thèse), LIBio, UL, Nancy, France JJJJeeee ddddééééddddiiiieeee cccceeee ttttrrrraaaavvvvaaaaiiiillll AAAA MMMMoooonnnn ddddééééffffuuuunnnntttt ppppaaaappppaaaa eeeetttt mmmmaaaa cccchhhhèèèèrrrreeee mmmmaaaammmmaaaannnn AAAA mmmmaaaa cccchhhhèèèèrrrreeee ffffeeeemmmmmmmmeeee eeeetttt mmmmoooonnnn ffffiiiillllssss qqqquuuueeee jjjj’’’’aaaaiiiimmmmeeee AAAA mmmmaaaa ffffaaaammmmiiiilllllllleeee eeeennnnttttiiiièèèèrrrreeee REMERCIEMENT Je souhaite tout d’abord remercier le ‘Higher Education Commission (HEC)’ du Pakistan pour ses encouragements aux études supérieurs et la recherche scientifique au Pakistan et d’avoir accepté de financer ce travail de thèse qui a été réalisé au sein du Laboratoire d’Ingénierie des Biomolécules de l’Ecole Nationale Supérieur d’Agronomie et des Industries Alimentaires de Nancy, sous la direction de Professeur Stéphane Desobry, et la co-direction de Madame Muriel Jacquot, Maître de conférences HDR à l’ENSAIA. Ma reconnaissance la plus sincère au Professeur Stéphane Desobry pour son encadrement, sa compréhension, son soutien et la grande confiance qu’il m’a témoigné tout au long de la thèse. Son concept à être optimiste et plein d'espoir, son aptitude à la neutralisation de l'énergie négative en bonne volonté, son approche utopique d'apporter le bonheur à tous, ses gestes de routine et d'humeur portant les ondes magnétiques de positivité, et ses manières simples d’ « être humain » m’aideront tout au long de ma vie, professionnellement et personnellement. Je remercie très chaleureusement Docteur Muriel Jacquot pour son encadrement, sa disponibilité, sa sympathie, ses conseils précieux ainsi que pour avoir patiemment corrigé ce document et les articles. Je l'apprécie beaucoup pour m’avoir fait apprendre le sens du mot «organisation» à la fois pour le travail expérimental et la transformation des idées, et son approche réaliste, tout en traitant de la science. Je remercie également les membres de jury qui ont accepté de juger ce travail: Mme. Andrée Voilley (Professeur, Agrosup, Université de Bourgogne, Dijon, France), Mme. Violette Ducruet (Ingénieur de Recherche, HDR, INRA, Massy, France), M. Jean-Charles Benezet (Maître de Recherche, école de mines, Alès, France) et M. Michel Linder (Professeur, LIBio, UL, Nancy, France). Mes sincères remerciements vont également à Professeur Joël Scher, Professeur Ghoul Mohamed, Professeur Jacques Fanni, Docteur Elmira Arab Tehrany, Docteur Claire Gaïani et Docteur Jordane Jasniewski pour leur aide, leurs conseils et leur patience. Mes remerciements s’adressent également aux responsables des différents laboratoires pour m’avoir rendu accessible les différentes techniques, surtout Cedric Paris (LCMS), Jaafar Ghanbaja et Jacquline Chanél (TEM et SEM), et Céline Charbonnel (Techniques biochimie)… Un grand merci pour m’avoir communiqué votre passion, vos discussions enrichissantes et vos conseils précieux. Je tiens à remercier l’ensemble du personnel de l’ENSAIA qui me connaît et particulièrement celui du LIBio, et surtout Marie-Noële Maucourt (pour ses Tic- Tac), Anne-Laplace, Cécile Mangavel, Carole Jeandel, Carole Perroud, Mlle Turban, Delphine, Myriam et Paul. Je remercie l’ensemble des thésards: Agnieszka, Majid, Guillaume, Smail, Lynn, Charbel, Imran, Charlotte (l’équipe emballage) ; Behnoush, Nabila, Pascale, Kassem, Ange, (l’équipe lipide) ; Abdur-Rehman, Inam, Amira, Thibaut, Mireille, (l’équipe microbiologie) ; Laetitia, Leila, Jennifer, Céleste, Chancelle, Nadia, Abdulhadi, Mohammed, Mahmoud, Citlalli et des stagiaires du LIBio notamment Marjolène et Warchol CUNY Diane qui ont contribué, de près ou de loin, à la réalisation de cette étude, dans une ambiance toujours amicale et stimulante. Je remercie aussi les jeunes chercheurs du laboratoire, venus de France ou d’ailleurs, avec qui j’ai eu l’occasion de partager de bons moments inoubliables. Je voudrais aussi remercier ma petite famille (Hassnaa Aouinate et Rayane Akhtar) qui m’ont accompagné tout au long de cette aventure et ont constitué ma deuxième famille en France. WWWWhhhhaaaatttt aaaaccccttttiiiioooonnnnssss aaaarrrreeee mmmmoooosssstttt eeeexxxxcccceeeelllllllleeeennnntttt ttttoooo ggggllllaaaaddddddddeeeennnn tttthhhheeee hhhheeeeaaaarrrrtttt ooooffff hhhhuuuummmmaaaannnn bbbbeeeeiiiinnnnggggssss???? TTTToooo ffffeeeeeeeedddd tttthhhheeee hhhhuuuunnnnggggrrrryyyy,,,, ttttoooo hhhheeeellllpppp tttthhhheeee aaaafffffffflllliiiicccctttteeeedddd,,,, ttttoooo lllliiiigggghhhhtttteeeennnn tttthhhheeee ssssoooorrrrrrrroooowwww ooooffff tttthhhheeee ssssoooorrrrrrrroooowwwwffffuuuullll aaaannnndddd ttttoooo rrrreeeemmmmoooovvvveeee tttthhhheeee ssssuuuuffffffffeeeerrrriiiinnnnggggssss ooooffff GLOSSAIRE List of Abbreviation AC Anthocyanins compound CA Cellulose acetate ASTM American society for testing and material B Betanin BHA Butylated hydroxyanisole BHT Butylated hydroxytoluene D Diffusion coefficient DHA Docosahexaenoic acid DP Degree of polymerization DSC Differential scanning calorimetry DVS Dynamic vapor sorption EC Ethyl cellulose EFSA European food safety authority EPA Eicosapentaenoic acid ERRMA European renewable resource materials association FAME Fatty acid methyl esters FDA Food and drug administration FFA Film forming solution FRAP Fluorescence recovery after photobleaching FTIR Fourier transform infrared spectroscopy G Glycerin GAB Guggenheim–anderson–de boer GAE Gallic acid equivalents GC Gas chromatography HDPE High density polyethylene HEC Hydroxyethylcellulose HPC Hydroxypropyl cellulose HPLC–MS High performance liquid chromatography mass spectroscopy HPMC Hydroxypropyl methylcellulose IBAW International biodegradable polymers association and work group IENICA Interactive european network for industrial crops application K Partition coe cient ffi MC Methylcellulose MSW Municipal solid waste NNFCC National non-food crops centre GLOSSAIRE NRC Natural red colour OP Oxygen permeability OTR Oxygen transmission rate PG Propyl gallate PHAs Poly-hydroxylalkanoates PHB Poly-hydroxylbutyrate PHV Poly(b-hydroxyvalerate) PLA Polylactic acid PTC Contenu phénolique total PUFA Polyunsaturated fatty acids PV Peroxide value RH Relative humidity SEM Scanning electron microscopy SP Soya protein TBA Thiobarbituic acid TBARS Thiobarbuthuric reactive substances TBHQ Tert-butylhydroquinone TEAC Trolox equivalent antioxidant capacity TPC Total phenolic content TS Tensile strength TVBN Total volatile basic nitrogen UE Ultimate elongation USDA United states department of agriculture WVP Water vapor permeability YM Young’s modulus ∆Eab Total color difference TABLE DE MATIERE Table de Matière I. Introduction et objectifs de l’étude ................................................................................. 3 II. Synthèse bibliographique .............................................................................................. 12 II.1. Food packaging development ....................................................................................... 13 II.2. Biopolymer based edible films and coatings ................................................................ 26 II.3. Functionalization of edible films .................................................................................. 29 II.4. Application of antioxidant films and coatings on food products .................................. 43 II.5. Effect of packaging on light-induced changes in pack foods ....................................... 47 III. Matériel et Méthodes ..................................................................................................... 53 III.1. Materials ...................................................................................................................... 54 III.2. Methods ....................................................................................................................... 54 III.2.1. HPLC analysis .................................................................................................................. 54 III.2.2. Mass spectrometric conditions ......................................................................................... 55 III.2.3. Preparation of HPMC films .............................................................................................. 55 III.2.4. Preparation of antioxidant-HPMC composite solutions .................................................. 56 III.2.5. Fabrication of antioxidant films ....................................................................................... 56 III.2.6. Film conditioning for photo-aging ................................................................................... 56 III.3. HPMC film characterization ....................................................................................... 57 III.3.1. Film thickness measurement ............................................................................................. 57 III.3.2. Film color measurements ................................................................................................. 57 III.3.3. Light transparency ............................................................................................................ 57 III.3.4. Mechanical properties ...................................................................................................... 58 III.3.5. Water vapor permeability ................................................................................................. 58 III.3.6. Oxygen permeability ......................................................................................................... 58 III.3.7. Water sorption isotherms .................................................................................................. 59 III.3.8. Differential scanning calorimetry analysis....................................................................... 60 III.3.9. Scanning electron microscopy (SEM)............................................................................... 60 III.4. Films application on salmon oil .................................................................................. 60 TABLE DE MATIERE III.4.1. Determination of total phenolic contents.......................................................................... 60 III.4.2. Release of antioxidant agents from films .......................................................................... 61 III.4.3. Estimation of Diffusion and Partition coefficient ............................................................. 61 III.4.4. ABTS radicals scavenging activity ................................................................................... 62 III.4.5. FTIR analysis of antioxidant films .................................................................................... 62 III.5. Salmon oil quality parameters ..................................................................................... 63 III.5.1. Oil color measurement ..................................................................................................... 63 III.5.2. Headspace oxygen uptake ................................................................................................. 63 III.5.3. Conjugated dienes determination of salmon oil ............................................................... 63 III.5.4. Fatty acid composition of salmon oil ................................................................................ 64 III.5.5. FTIR analysis of salmon oil .............................................................................................. 64 IV. Résultats et Discussion ................................................................................................... 66 Chapitre IV.1: Contrôle de la photo-oxydation de l’huile de saumon au cours du stockage dans un film d’HPMC : influence de la couleur du film ...................................................... 67 Chapitre IV.2 : Fabrication et caractérisation physico-chimique de films d’HPMC fonctionnalisés par des extraits de plantes commerciaux : influence de la lumière et de la composition du film ............................................................................................................. 78 Chapitre IV.3 : Activité antioxydante et photo-vieillissement des films d’HPMC fonctionnalisés avec des extraits naturels de plantes ........................................................... 90 Chapitre IV.4 : Cinétiques de libration et stabilité de l’activité antioxydante de composes phénoliques naturels incorporés dans des films de biopolymère ....................................... 103 Chapitre IV.5 : Effet de la couleur des films d’HPMC–anthocyanines et de leur perméabilité à l’oxygène sur la conservation de l’huile de saumon .................................. 126 V. Conclusion et perspectives ........................................................................................... 148 VI. Publications et communications scientifique ............................................................. 155 VII. References bibliographiques ....................................................................................... 157 VIII. Annexes ................................................................................................................... 185