Caractérisation et modélisation des transferts de gaz (O2/CO2) dans le système emballage/aliment en lien avec les réactions de croissance microbienne (microbiologie prévisionnelle)

Modelling and characterization of gas transfer (O2/CO2) in packaging / food related reactions of microbial growth (predictive microbiology)

• Auteur / Autrice : Estelle Chaix
• Direction : Valérie Guillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 10/07/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Guillard, Jean-Dominique Daudin, Jean-Christophe Augustin, Nathalie Gontard, Christophe Nguyen-The
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Dominique Daudin, Jean-Christophe Augustin
• DOI : 10.70675/7a7022c4zce2bz4ef7za6a5z93f17e589045

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Microbiologie prévisionnelle

Microorganismes pathogènes

Aliments -- Emballage

Mots clés libres

Transferts

Gaz

Aliments

Solides

Microbiologie

Modélisation

Transfer

Gas

Food

Solid

Microbiology

Modeling

Résumé

Un des rôles de l'emballage est de limiter les réactions de dégradation des aliments : pour cela, il contrôle les transferts de gaz (O2, CO2, N2) entre l'atmosphère extérieure et l'espace de tête. Dans le cas des Emballages sous Atmosphère Modifiée (EAM), la composition gazeuse est judicieusement choisie afin de limiter la croissance microbienne (en général faible teneur en O2 et forte concentration en CO2). L'objectif de ce travail est d'étudier et modéliser l'impact des transferts de gaz (O2/CO2/N2) dans le système EAM sur la croissance microbienne. Des modèles existants de microbiologie prévisionnelle ont été couplés avec ceux développés concernant les transferts de gaz via un système d'Equations Différentielles Ordinaires. La perméation au travers de l'emballage, la solubilisation et la diffusion des gaz (O2/CO2) dans les aliments ont été prises en compte. La solubilité et diffusivité de l'O2 et du CO2 dans les aliments solides sont indispensables pour les modèles de transferts. Devant le peu de données concernant ces paramètres, leur caractérisation expérimentale s'est avérée nécessaire. Des méthodologies ont été spécifiquement développées afin de pouvoir accéder à ces deux coefficients, solubilité et diffusivité, dans les aliments solides modèles (fromage emprésuré, miglyols) et réels (jambon, beurre) pour les deux gaz d'études, O2 et CO2. Les méthodologies d'acquisition de la diffusivité et solubilité de l'oxygène reposent sur l'utilisation de capteurs par extinction de luminescence, quant à celles utilisées pour le CO2, se basent sur la titration chimique. La loi de Henry, qui relie concentration dissoute et pression partielle en CO2 dans l'espace de tête a été validée dans les différents produits analysés. La diffusion de l'O2 dans les milieux lipidiques modèles a été étudiée avec une analyse de l'impact de la viscosité et de la température. Ainsi, l'énergie d'activation de la diffusion de l'O2 dans un milieu modèle (Miglyol 812) est de 25 kJ.mol-1 entre 5 et 30°C. Un modèle de transfert de gaz pour le système emballage/aliment a été développé, basé sur la description fickienne des transferts de matière et a été couplé à des modèles de microbiologie prévisionnelle existants dans la littérature. Ce modèle a été confronté aux résultats expérimentaux obtenus sur fromage emprésuré artificiellement contaminé par Listeria monocytogenes à une concentration de 10^3 CFU.g-1. Ce travail a permis d'approfondir les connaissances générales sur la solubilité et la diffusion de l'O2 et du CO2 dans les matrices alimentaires solides, de comprendre et quantifier l'effet des transferts de gaz dans le système emballage/aliment sur la croissance des micro-organismes et de construire les bases essentielles pour un outil d'aide à la décision de choix d'EAM en fonction de l'aliment.

Packaging is a key player on reducing food losses, by defining around the food, via the mass transfer of gases (O2, CO2, N2) through the packaging, a headspace atmosphere whose composition is able to reduce physical-chemical (namely oxidation), microbial and physiological (for respiring foods) food degradation rate. In Modified Atmosphere Packaging (MAP) of fresh produce, the gaseous composition of the headspace is chosen in order to prevent microorganism growth (usually low O2 and high CO2 concentrations are chosen). This work aimed at initiating and developing a generalised approach permitting to study and quantitatively model the impact of gas transfer (O2/CO2/N2) occurring in the food packaging system on microbial growth. In this purpose, existing models of predictive microbiology will be coupled to mass transfers (permeation through packaging and solubilisation/diffusion within food) using numerical methods such as ODE (Ordinary Differential Equation) solvers. If the permeation is relatively well known, the two other parameters, O2 and CO2 solubilities and diffusivities, required in mass transfer models are less known, especially for solid food matrices. Experimental acquisition of these parameters was thus required. Some dedicated methodologies have been developed in the framework of this study in order to gain missing data of solubility and diffusivity in solid food matrices for the two studied gases, O2 and CO2. The methods of O2 diffusivity and solubility measurement relied on the use of luminescence-based sensors while for CO2, the methodologies were based on chemical titration. A processed cheese was used as solid model food and the O2 and CO2 solubilities and diffusivities were characterized in this model food as in other real food products: cooked ham and butter. A peculiar attention was paid on the validation of Henry's law in the case of CO2 that links CO2 partial pressure to the dissolved content into the product. The O2 diffusion within lipid-based model materials was studied with a deep analysis of the impact of temperature and viscosity. The energy of activation of oxygen diffusivity in model matrix (Miglyol 812) was found equal to 25 kJ mol-1 for temperature ranging from 5 to 30°C. A mathematical model of gas transfer was developed for the overall food/packaging system and was coupled to existing equations of predictive microbiology. This generalised model was compared with experimental data obtained in the case of mono-directionnal transfers, on the mass transfer and microbiological part (on processed cheese voluntarily contaminated by Listeria monocytogenes with an initial biomass equal to 10^3 UFC g-1). This work had permitted to increase knowledge on the behaviour of O2 and CO2 solubilities and diffusivities into solid food products, to understand and quantify the impact of gas transfers in the food/packaging system on the microorganism growth and to build basements for a new decision support system aiming at helping the user in the choice and design of MAP for a given application.