Contribution à l’étude de systèmes divisés alimentaires par observation de microstructures au cours de traitements thermo-mécaniques

Contribution to the study of complex food systems using microstructures observations under thermo-mechanical treatments

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Boitte
• Direction : Camille Michon, Murielle Hayert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Procédés des Aliments
• Date : Soutenance le 19/10/2012
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie Procédés Aliments (2009-2019) - Ingénierie Procédés Aliments
• Jury : Président / Présidente : Lazhar Benyahia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camille Michon, Murielle Hayert, Claude Vizcaïno, Marie-Françoise Devaux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Peter Van Puyvelde, Edith Peuvrel-Disdier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermomécaniques

Pâte à pain

Cisaillement (mécanique)

Aliments -- Transformation

Mots clés libres

Instrumentation

Microscopie confocale

Systèmes complexes

Rhéo-optique

Pâte à pain

Analyse d'image

Rheo-optic

Device design

Confocal microscopy

Complex systems

Bread dough

Image analysis

Résumé

Pour mettre en relation les propriétés rhéologiques et la structure méso/microscopique d'un système modèle ou complexe, l'utilisation de la rhéo-optique est indispensable. Nous avons donc développé une cellule d'observation sous cisaillement adaptée à la microscopie confocale. Ce dispositif, breveté et nommé RheOptiCAD®, permet le cisaillement contrôlé d'un échantillon quelconque placé entre 2 plans parallèles en translation. Grâce à un système à dépression, la mise en place de l'échantillon est simple et rapide tout en assurant des propriétés optiques répétables et reproductibles (planéité, parallélisme). Par ailleurs, la température au sein de l'échantillon peut être régulée de façon à imposer une contrainte thermique, cause de nombreuses modifications de la mésostructure d'un système alimentaire. La cellule d'observation sous cisaillement permet donc de suivre l'évolution et la dynamique des changements de structures conséquences d'un traitement thermo-mécanique imposé. Un logiciel de pilotage et d'acquisition des données a été développé pour rendre son utilisation plus conviviale. La validation du fonctionnement de l'outil et de ses fonctionnalités a tout d'abord été réalisée sans échantillon puis à l'aide d'un système modèle contenant des particules fluorescentes dont le mouvement était suivi. Par la suite, dans le but de tester les potentialités de ce nouvel outil tout en développant la méthodologie de son utilisation, et en particulier l'équilibre entre propriétés optiques et mécaniques des échantillons, nous avons travaillé avec de la pâte de farine. Ce système alimentaire bien connu et maîtrisé d'un point de vue rhéologique au laboratoire présente des caractéristiques intéressantes dans ce cadre. L'évolution du réseau de gluten au cours d'un cisaillement oscillatoire en fonction de la formulation de la pâte a été étudiée. Grâce à une analyse d'image basée sur la morphologie mathématique, nous avons pu mettre en évidence des changements de structures au cours du temps. De même, à l'aide des capacités thermiques de la cellule de cisaillement, nous avons étudié le positionnement et le mouvement des lipides endogènes à l'interface air-protéine lors de la fermentation. Notre cellule d'observation sous cisaillement constitue donc un nouvel outil de caractérisation dynamique de systèmes complexes couplant rhéologie et microscopie. Son optimisation principale réside dans la mise en place d'un capteur de force, mesurant les contraintes mises en jeu lors des déformations imposées.

Rheo-optic is a recent technique which can be used to create links between rheological properties and meso/microsctructures of model or complex (food) systems. A novel rheo-optical shearing device was designed for studying this relationships within complex food systems. The device has been build to be adapted on an inverted confocal microscope. Specifications of the shear cell are: a) a controlled translational shear between 2 parallel plates with three different motion modes (continuous, oscillatory, strain jump); b) a thermal control; and c) an observation on an inverted confocal microscope. Due to a vacuum system, the set up of an experiment is easy and fast ensuring reproducible optical properties (planarity, parallelism). Temperature, responsible of numerous modifications of structures in a food matrix, is also controlled. A piloting software allows an easy use of the shear cell. Validation of the motion modes has been carried out using a microgel, containing fluorescent probes (spheres) and tracking some of the particles. Next, in order to test and develop methods of observation under shear, taking into account the optical-mechanical balance, bread dough observation has been performed. Well known and described in the lab, bread dough is a dispersion of air bubbles and starch granules in a gluten network. Evolution on this gluten network depending on the formulation of the bread dough has been studied under oscillatory shearing. The composition effect on the microstructure and its evolution were observed and will be commented. Image analysis based on grayscale mathematical morphology has been carried out in order to try to quantify the rheological properties and microstructures. Finally, by a controlled increase of temperature, the growth of an air bubble in bread dough containing yeast was followed during proofing. The influence and the disposition of fat globules at the bubble air-protein interface along this growing process were followed. Thanks to the rheo-optical device, images of microstructures obtained under controlled shear are compared to their rheological behaviour.