THÈSE Par Iurie PRAPORSCIC Influence du traitement combiné par champ électrique pulsé et chauffage modéré sur les propriétés physiques et sur le comportement au pressage de produits végétaux Thèse présentée pour l’obtention du grade de Docteur de L’UTC Soutenue le 24 Février 2005 devant le jury composé de : MM. P. GUIGON (Président) E. VOROBIEV (Directeur de Thèse) J.-L. LANOISELLE N. I. LEBOVKA Mme. M. MIETTON-PEUCHOT (Rapporteur) M. J. VAXELAIRE (Rapporteur) Spécialité : Génie des procédés industriels 1 A mes parents… 2 REMERCIEMENTS Ce travail de thèse a été réalisé sous la direction du Professeur Eugène VOROBIEV dans le laboratoire de Génie des Procédés Industriels CNRS UMR 6067. Je lui exprime toute ma profonde reconnaissance pour m’avoir proposé ce sujet de thèse, encadré et conseillé tout au long de ces années. Sa disponibilité, ses qualités humaines et intellectuelles ont contribué à l’achèvement de ce travail. J’exprime toute ma gratitude au Professeur Nicolaï LEBOVKA pour tout son soutien, son aide, sa disponibilité et son dynamisme lors de notre collaboration. Je le remercie d’avoir accepté de faire partie du jury de ma thèse et de ses nombreux conseils très utiles. Je tiens à remercier le Professeur Pierre GUIGON pour avoir accepté de présider le jury de soutenance, le Professeur Martine MIETTON-PEUCHOT et le Docteur Jean VAXELAIRE qui m’ont fait l’honneur de juger cette thèse. Les conseils qu’ils m’ont prodigués m’aideront assurément dans mes travaux à venir. J’exprime ma reconnaissance à M. Jean-Louis LANOISELLE pour son aide précieuse dans la dernière ligne droite et pour le fait d’avoir accepté d’être membre de jury. Je tiens également à remercier Olivier LARUE pour les nombreuses corrections de ce manuscrit. Pour leurs différentes implications dans ce travail j’aimerais remercier Mme. Josette LEMAITRE et Mme. Marilyne POTEL du Secrétariat, Mme. Martine DREWNIAK et Mme. Marie LOTIQUET de l’Ecole Doctorale, Mme. France DARRAS et Mme. Katy Gambier de Gradient, M. Jean-Jacques VANHOUTTE et M. Francisco MARTINEZ du Service Electronique, M. Bruno POIREL de l’atelier de Génie Chimique. Mes remerciements vont également à tous mes collègues qui ont contribué, de près ou de loin à la réalisation de ce travail : Hind ALLALI, Ezzeddinne AMAMI, Anne DUSANTER, Kamal EL-BELGHITI, Henry EL-ZAKHEM, Sami GHNIMI, Cécile GROS, Lotfi KHEZAMI, Mariem LAZGHAB, M. Luc MARCHAL, Cosmin MARCULESCU, Thomas MOUROKO-MITOULOU, Veaceslav MURAVETCHI, Mykola SHYNKARYK, Zied SOUA, Saïd TOUMI. Enfin, je remercie ma chère Natalia pour avoir été toujours présente à mes côtés. 3 NOMENCLATURE 4 INTRODUCTION 7 I. ÉTUDES BIBLIOGRAPHIQUES 10 I.1 Le pressage dans l’industrie agro-alimentaire 11 I.1.1 Extraction par pressage 11 I.1.2 Mécanisme de pressage 13 I.1.3 Amélioration du pressage 18 I.1.4 Méthodes alternatives d’amélioration du pressage 20 I.1.5 Traitements électriques 24 I.2 ÉlectropermÉabilisation des systÈmes cellulaires 29 I.2.1 La cellule végétale et ses composants 29 I.2.2 Le potentiel trans-membranaire 33 I.2.3 Electroperméablisation selon la théorie de l’électro-compression 34 I.2.4 Electroperméablisation selon la théorie de l’état métastable 36 I.2.5 Visualisation de la perméabilisation membranaire 40 I.2.6 Détection indirecte de la perméabilisation cellulaire 41 I.3 Influence de paramÈtres du CEP sur la permÉabilisation cellulaire 45 I.3.1 Influence de l’intensité de CEP 46 I.3.2 Influence de la durée du traitement 47 I.3.3 Influence de la matière traitée 48 I.3.4 Influence de la température sur la perméabilisation électrique des membranes 50 I.4 Optimisation de pressage combinÉ au CEP 50 I.4.1 Incidence du CEP sur le pressage des végétaux 50 I.4.2 Influence de l’intensité du CEP 53 I.4.3 Influence de la durée de traitement par CEP 54 I.4.4 Influence de la pression 55 I.4.5 Influence du moment d’application de CEP 56 I.4.6 Influence de la taille de particules 57 I.5 Conclusion 58 II. MATÉRIELS ET MÉTHODES 60 II.1 Produits biologiques ÉtudiÉs 61 II.1.1 Betterave à sucre 61 II.1.2 Pomme 61 II.1.3 Carotte 61 II.1.4 Pomme de terre 62 II.1.5 Epinard 62 II.1.6 Caractérisation des produits 62 II.2 Traitement Électrique 62 II.2.1 Générateur de champs électrique pulsé de laboratoire 62 II.2.2 Générateur du chauffage ohmique 64 II.2.3 Générateur pilote de CEP 65 II.3 CaractÉrisation de tissus vÉgÉtaux 66 II.3.1 Mesure de la conductivité électrique 67 4 II.3.2 Etude rhéologique 70 II.4 Pressage combinÉ au CEP À l’Échelle laboratoire 73 II.4.1 Installation de pressage de laboratoire 73 II.4.2 Méthodologie expérimentale 76 II.5 Pressage combinÉ au CEP À l’Échelle pilote 80 II.5.1 Installation pilote 80 II.5.2 Méthodologie expérimentale 83 II.6 Analyses physico-chimiques 89 II.6.1 Analyse des produits solides 89 II.6.2 Analyse du jus 90 III. PRESSAGE DES MATÉRIAUX BIOLOGIQUES TRAITÉS PAR CEP À TEMPÉRATURE AMBIANTE 91 III.1 MÉcanisme du pressage À pression constante combinÉ au CEP 93 III.1.1 Résumé de l’article 94 III.1.2 Article 1 : « Enhanced expression of juice from soft vegetable tissues by pulsed electric fields : consolidation stages analysis » 94 III.2 Pressage combinÉ au CEP À vitesse constante 104 III.2.1 Résumé de l’article 104 III.2.2 Article 2 : « Constant rate expressing of juice from biological tissue enhanced by pulsed electric field» 105 III.3 Validation des rÉsultats À l’Échelle pilote 120 III.3.1 Influence de la durée du traitement par CEP sur le rendement du pressage 120 III.3.2 INFLUENCE DU MOMENT D’APPLICATION DU CEP 121 III.3.3 Influence de la taille des particules 122 III.3.4 Caractéristiques qualitatives du jus 124 III.4 Conclusion 127 IV. INCIDENCE DU CEP ET DU RAMOLLISSEMENT DE LA STRUCTURE VÉGÉTALE SUR LA CINÉTIQUE DE PRESSAGE 129 IV.1 TRAITEMENT COMBINÉ DU CEP AVEC UN CHAUFFAGE MODÉRÉ 132 IV.1.1 Résumé de l’article 132 IV.1.2 Article 3 : « Combined treatment of apples by pulsed electric fields and by heating at moderate temperature “ 133 IV.2 AMÉLIORATION DU PRESSAGE PAR CHAUFFAGE OHMIQUE ET CEP 141 IV.2.1 Résumé de l’article 141 IV.2.2Article 4 : « Enhancement of cuts of sugar beet pressing by combined ohmic heating and pulsed electric field treatment ». 142 IV.3 Conclusion 153 V. EFFET DE LA TEMPÉRATURE SUR L’ÉLECTROPERMÉABILISATION DES TISSUS VÉGÉTAUX ET SON INCIDENCE SUR LEUR COMPORTEMENT PENDANT LE PRESSAGE 155 V.1 Influence de la température sur l’électroperméabilisation du tissu végétal par CEP 157 V.1.1 Résumé de l’article 158 V.1.2 Article 5 : « Temperature enhanced electroporation under the pulsed electric field treatment of food tissue » 159 V.2 EFFET DU CHAUFFAGE OHMIQUE SUR LA DÉNATURATION TISSULAIRE ET SUR LE PRESSAGE DES PRODUITS VÉGÉTAUX 168 V.2.1 Résumé de l’article 168 V.2.2 Article 6 : « Ohmically heated enhanced expression of juice from soft vegetable tissues » 169 5 V.3 Conclusion 182 CONCLUSION GÉNÉRALE 183 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 186 ANNEXES 194 A. Liste des publications 194 6 CHAPITRE I ________________________________________ ÉTUDES BIBLIOGRAPHIQUES I.1 LE PRESSAGE DANS L’INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE -----------------------------------8 I.1.1 Extraction par pressage----------------------------------------------------------------------8 I.1.2 Mécanisme de pressage---------------------------------------------------------------------10 I.1.3 Amélioration du pressage ------------------------------------------------------------------15 I.1.4 Méthodes alternatives d’amélioration du pressage--------------------------------------17 I.1.5 Traitements électriques---------------------------------------------------------------------21 I.2 ÉLECTROPERMÉABILISATION DES SYSTÈMES CELLULAIRES----------------------------26 I.2.1 La cellule végétale et ses composants ----------------------------------------------------26 I.2.2 Le potentiel transmembranaire-------------------------------------------------------------29 I.2.3 Electroperméabilisation selon la théorie de l’électro-compression -------------------30 I.2.4 Electroperméabilisation selon la théorie de l’état métastable--------------------------33 I.2.5 Visualisation de la perméabilisation membranaire--------------------------------------37 I.2.6 Détection indirecte de la perméabilisation cellulaire -----------------------------------38 I.3 INFLUENCE DE PARAMÈTRES DU CEP SUR LA PERMÉABILISATION CELLULAIRE----42 I.3.1 Influence de l’intensité de CEP------------------------------------------------------------43 I.3.2 Influence de la durée du traitement -------------------------------------------------------44 I.3.3 Influence de la matière traitée--------------------------------------------------------------45 I.3.4 Influence de la température sur la perméabilisation électrique des membranes-----47 I.4 OPTIMISATION DE PRESSAGE COMBINÉ AU CEP------------------------------------------47 I.4.1 Incidence du CEP sur le pressage des végétaux-----------------------------------------47 I.4.2 Influence de l’intensité de CEP------------------------------------------------------------50 I.4.3 Influence de la durée de traitement par CEP---------------------------------------------51 I.4.4 Influence de la pression---------------------------------------------------------------------52 I.4.5 Influence du moment d’application de CEP ---------------------------------------------53 I.4.6 Influence de la taille de particules---------------------------------------------------------54 I.5 CONCLUSION------------------------------------------------------------------------------------55 7 I. ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES I.1 LE PRESSAGE DANS L’INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE Dans l’industrie agro-alimentaire, on utilise deux types d’extraction solide/liquide : l’extraction par pression ou simplement pressage et l’extraction par dissolution ou encore diffusion. Ce sont deux technologies complémentaires et parfois concurrentes. Le pressage possède l’avantage d’être un procédé plus rapide et qui consomme moins d’énergie par rapport aux procédés thermiques d’extraction par l’eau chaude. I.1.1 Extraction par pressage Le pressage est le procédé où le liquide, qui se trouve dans les pores d’un solide, est expulsé par compression. Dans la plupart des équipements, le pressage est réalisé par des forces mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques (Schwartzberg, 1997). Dans l’industrie agroalimentaire le pressage est utilisé pour l’extraction de jus de fruits, du sucre, de l’huile, etc. On utilise encore le pressage pour la déshydratation des produits destinés à l’alimentation du bétail. Le tableau I.1 représente la production mondiale de certains produits, obtenus par pressage à partir de matériaux biologiques. Tableau I.1 Matériaux pressés, production mondiale et produits obtenus. (Schwartzberg, 1997). Matériaux Production annuelle Produits (109 kg/an) Canne à sucre 676 Jus sucré Pulpe de betterave à sucre 242 Aliments pour bétail Orange 27 Jus d’orange, huile d’écorce Pamplemousse 1,9 Jus de pamplemousse Pulpe et écorce de citron 13,1 Aliments pour bétail Raisins 50,5 Jus de raisin Pomme 3,8 Jus de pomme Luzerne 1,9 Protéine de luzerne 8 Noix de palme (47% huile) 3,6 Huile de palme Noix de coco séchée (63% huile) 5,0 Huile de noix de coco Lin (34% huile) 1,8 Huile de lin Arachide 1,8 Huile d’arachide Graine de sésame 1,5 Huile de sésame Germe de maïs 1,8 Huile de maïs Olive 8,6 Huile d’olive Cacao 1,7 Beurre de cacao Les presses utilisées dans l’industrie agro-alimentaire peuvent être divisées en deux grandes catégories : (cid:131) Presses continues : presses à vis et presses à bandes, (cid:131) Presses discontinues : presses pneumatiques et filtres-presses à membranes. Le choix du procédé et de l’équipement de pressage est déterminé par différents critères qui concernent la matière première et le produit fini : La fluidité : c’est le facteur principal qui détermine le choix de l’équipement. Pour un produit non « pompable », l’utilisation d’un équipement dont l’alimentation du produit nécessite un pompage comme une presse pneumatique ou un filtre-presse est évidement déconseillée. On s’oriente alors vers des systèmes de compression où le produit est véhiculé différemment, c’est le cas des presses à vis ou des presses à bandes. La pression requise : en fonction du produit, notamment de sa structure et de son humidité, la pression nécessaire pour la mise en œuvre du pressage est plus ou moins importante. Il est nécessaire d’intégrer ce critère lors du choix de l’équipement. Pour comparaison, Rebouillat (1983) montre que sur une presse à bandes, la pression maximale pouvant être développée est de l’ordre de 5 à 7 bars, alors que sur une presse à vis, on peut atteindre des pressions beaucoup plus importantes, utilisées pour l’extraction d’huile à partir de graines oléagineuses. Nature des contraintes exercées : elles diffèrent d’un équipement à l’autre. Sur une presse pneumatique ou un filtre-presse à membranes, les contraintes exercées sont exclusivement unidirectionnelles, alors que pour une presse à vis ou à bandes, les contraintes mises en œuvre résultent à la fois de forces de compression et de cisaillement. 9 Le liquide extrait : outre la quantité du liquide extrait, la qualité de ce dernier présente souvent une contrainte à l’utilisation de certains équipements. En effet, l’extraction par pressage, étant une opération généralement non sélective, le liquide obtenu est plus ou moins riche en impuretés et notamment en particules solides. Les grandes pressions appliquées, ainsi que l’effet du cisaillement pour une presse à bandes et surtout pour une presse à vis font passer dans le liquide extrait des particules solides qui altèrent la qualité du jus. Pour les branches de l’industrie agroalimentaire qui nécessitent l’extraction d’un jus clair et limpide (par exemple, le pressage des raisins pour la fabrication des vins blancs) les presses pneumatiques sont les plus utilisées. Le gâteau : sa siccité est généralement synonyme de l’efficacité du pressage. Le gâteau final doit être le plus sec possible. Les critères principaux de choix des trois équipements du pressage sont donnés dans le tableau I.2. Tableau I. 2 : Caractéristiques de quelques équipements de pressage (Bouzrara, 2001) : +++ : excellent ; ++ : bon ; + : acceptable ; - : inadéquat. Equipements/Critères Presse à vis Presse à bandes Filtre-presse à membranes Continu/Discontinu Continu Continu Discontinu Débit +++ ++ + Pressions max. développées +++ + ++ Siccité du gâteau +++ ++ +++ Solides dans le liquide extrait + ++ +++ Nécessité d’un pompage +++ +++ - Lavage - - ++ Séchage - - ++ I.1.2 Mécanisme de pressage A l’origine, les mécanismes du pressage ont été étudiés dans les travaux de mécanique des sols dans le cadre de la compression unidirectionnelle des gâteaux de particules minérales (Terzaghi, 1942 ; Shirato et al., 1986). Pour ces particules, le pressage provoque l’expulsion du liquide et le réarrangement des particules solides, qui sont incompressibles. 10