Modélisation du transfert thermique et cristallisation lors de la surgélation partielle de la viande et des fruits de mer ». Approche d'intégration d'un approvisionnement alimentaire en aliments surréfrigérés

Heat transfer modelling and crystallization during partial freezing of the meat and seafood”. Integration approach to a food supply of superchilled food

• Auteur / Autrice : Anjelina Mwakosya
• Direction : Graciela Alvarez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 02/01/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l'environnement (Antony, Hauts-de-seine ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation du transfert thermique et cristallisation

Surgélation partielle de la viande et des fruits de mer

Aliments surréfrigérés

Approche d'intégration

Approvisionnement alimentaire

Modeling of Thermal Transfer and Crystallization

Partial Freezing of Meat and Seafood

Integration Approach

Subrefrigerated Foods or Supercooled Foods

Food Supply

Résumé

La super réfrigération, ou ultra réfrigération, est le processus par lequel la température d'un produit alimentaire est abaissée de 1 à 2 °C en dessous de sa température de congélation initiale. Cette technologie utilise des températures intermédiaires entre celles de la réfrigération et celles de la congélation. Elle permet ainsi d'allonger la durée de conservation des produits alimentaires par rapport à la réfrigération, tout en préservant mieux que la congélation certains indicateurs de qualité physico-chimique (tels que la texture d'égouttage, la couleur, la capacité de rétention d'eau, etc. Lors du processus de super réfrigération, il y a congélation partielle avec formation d'une couche de cristaux de glace équivalente à 30 % de l'eau congelée à la surface du produit. Pendant le stockage, il y a un équilibrage de la température à l'intérieur du produit, accompagné d'une rencontre et d'une nucléation ou d'une croissance des cristaux de glace. Au début à la surface et la formation/croissance de nouveaux cristaux dans le reste du volume. La qualité du produit alimentaire après la surgélation dépend des caractéristiques de sa microstructure (taille, forme et emplacement des cristaux de glace) qui, à leur tour, dépendent des conditions du processus (température et vitesse de refroidissement) et des conditions de stockage (température et durée). Il est donc essentiel de connaître les mécanismes de formation, de distribution et de croissance des cristaux de glace pendant le processus de surfusion et le stockage qui suit. L'un des principaux objectifs est de pouvoir définir les conditions optimales à appliquer pour obtenir un produit de la qualité requise. Études antérieures Le Danois, en 1920, a été le premier à décrire le procédé. Le produit est initialement congelé uniquement en surface et la partie intérieure du produit est plus chaude, transférant la chaleur pour atteindre un équilibre thermique à un moment donné. Les principales conséquences sont une augmentation significative de la durée de conservation par rapport au refroidissement traditionnel (à température positive). Une durée de conservation plus longue a été constatée pour les rôtis de porc réfrigérés (Dunn 2008). Néanmoins, il existe un besoin important de connaissances qui pourraient être mises en œuvre dans l'industrie alimentaire. Il est nécessaire de comprendre et de quantifier les impacts thermophysiques à l'intérieur des aliments, ainsi que de concevoir de manière optimale les équipements de super réfrigération et les systèmes d'emballage. Pré-congélation La pré-congélation nécessaire au processus de super réfrigération est généralement effectuée dans des congélateurs industriels IQF tels que les congélateurs à air forcé, les congélateurs cryogéniques ou les congélateurs à impact. Toutefois, il est difficile de connaître et de contrôler la fraction de glace qui ne doit pas dépasser 30 % à la fin du processus de précongélation. La connaissance de la concentration de glace est le paramètre clé pour contrôler le processus de surgélation, mais c'est aussi l'un des paramètres les plus insaisissables et les plus difficiles à mesurer (Aparicio et al., 2008). Il existe très peu d'études dans la littérature sur une méthode fiable et non intrusive pour mesurer la température et la distribution de glace d'une matrice alimentaire très hétérogène à la sortie du congélateur. Stockage et transport Une fois que le produit est pré-congelé à 30% de glace, il est crucial de maintenir la bonne température (-1,8°C à -2,5°C) pendant le stockage avec des fluctuations minimales pour éviter que les cristaux de glace ne fondent et ne se recristallisent. Un emballage isolant bien optimisé, éventuellement associé à l'utilisation d'un matériau à changement de phase (MCP) comme stockage thermique, devrait permettre d'obtenir une meilleure gestion de la température du produit (Leducq et al. 2015). Dans la littérature, certaines études ont été réalisées sur des caisses isothermes (Leungtongkuma T.et al (2022)) et sur des équipements de réfrigération pour la chaîne du froid (camions frigorifiques, entrepôts frigorifiques, vitrines et réfrigérateurs domestiques). Il a été démontré que des paramètres tels que le point de fusion du MCP, sa position, sa masse et sa charge, le matériau d'isolation, la température de l'air extérieur/la température du produit et la consommation d'énergie permettaient d'éviter l'augmentation de la température du produit. En raison des interactions complexes entre ces paramètres, ils doivent être pris en compte spécifiquement pour les conditions de surfusion. Cinétique de dégradation de la qualité et microstructure La cinétique de dégradation de la qualité physico-chimique des produits pendant la surgélation a été étudiée (Claussen 2011,). Les auteurs ont suivi dans le temps la texture, la couleur et la capacité de rétention d'eau. Cependant, le mécanisme de croissance des cristaux de glace pendant le stockage en super réfrigération a rarement été étudié à l'aide de la microscopie à rayons X Vincent et al (2017), Narimen Alvarez Ndoye (2023). Pour améliorer la qualité des aliments super réfrigérés, la microstructure doit être étudiée pendant le stockage des produits super réfrigérés. Impact énergétique et environnemental des chaînes de froid de super réfrigération Quelques études comparant les chaînes de réfrigération et de super réfrigération pour le saumon ont utilisé une approche d'évaluation du cycle de vie pour évaluer le concept de super réfrigération en termes d'impact environnemental (Hoang et al 2016. Claussen (2011) conclut que la demande d'énergie plus élevée dans les chaînes de super réfrigération est compensée par la réduction du besoin d'emballage et de transport de la glace. Les résultats montrent une nette amélioration des chaînes de super réfrigération en termes d'impacts environnementaux. La diminution est principalement due à une meilleure utilisation du volume disponible pour le transport et à la réduction de la quantité de polystyrène expansé nécessaire pour l'emballage. Intégration dans une chaîne du froid En augmentant la durée de conservation du produit, la surgélation devrait également entraîner une réduction des émissions de CO2 en raison de la diminution des déchets au niveau du commerce de détail et du consommateur. Il peut également réduire la nécessité des processus de congélation et de décongélation qui augmentent la consommation d'énergie. Toutes ces économies potentielles seront abordées dans la thèse. L'impact comprendra les émissions d'équivalent CO2. En fonction de l'isolation et du stockage thermique qui seront choisis, l'évaluation sera éventuellement étendue en tenant compte du coût environnemental des matériaux utilisés. Objectif et méthodologie : Cette thèse a pour objectif d'étudier ; -l'évolution des propriétés thermiques des produits soumis au Superchilling, et leur implication dans la modélisation thermique et la cristallisation (nucléation, croissance et fusion des cristaux ainsi que les phénomènes de recristallisation) -l'effet du Superchilling et des conditions de stockage sur la microstructure et la qualité des produits alimentaires tels que les produits carnés et les fruits de mer. -l'étude expérimentale de la caractérisation de la microstructure des produits par microtomographie à rayons X et l'obtention de lois cinétiques des critères de qualité (perte d'eau, texture, couleur,...). -l'étude des types de protection optimisés emballage + PCM (matériaux à changement de phase) afin de maintenir le produit à -1 ou -2°C en dessous de la température de congélation de départ. - L'intégration de la modélisation de la super réfrigération d'une chaîne du froid adaptée à ces produits.

Superchilling, or ultra-refrigeration, is the process by which the temperature of a food product is lowered by 1 to 2 °C below its initial freezing temperature. The technology uses intermediate temperatures between those of refrigeration and those of freezing. It thus makes it possible to extend the shelf life of food products, compared to refrigeration, while better preserving certain physicochemical quality indicators (such as drip loss texture, color, water retention capacity, etc.) compared to freezing. During the superchilling process, there is partial freezing with the formation of a layer of ice crystals equivalent to 30% of the frozen water on the surface of the product. During storage, there is a balancing of the temperature within the product, accompanied by meting and nucleation or the growth of ice crystals. At the beginning on the surface and the formation/growth of new crystals in the rest of the volume. The quality of the food product after superchilling depends on the characteristics of its microstructure (size, shape, and location of ice crystals) which in turn depend on the conditions of the process (temperature and cooling rate) and storage conditions (temperature and duration). It is therefore essential to know the mechanisms of formation distribution and growth of ice crystals during the superchilling process and the storage that follows. One of the main goals is to be able to define the optimal conditions to be applied to obtain a product of the required quality. Previous studies Le Danois in 1920 was the first to describe the process. The product is initially frozen only on the surface and the inner part of the product is warmer, transferring heat to reach a thermal equilibrium at a given time. The main consequences are a significantly increased shelf life compared to traditional cooling (at positive temperature). A longer shelf life was found for chilled pork roasts (Dunn 2008). Nevertheless, there is a substantial need for knowledge that could benefit implementation in the food industry. Understanding and quantifying thermo-physical impacts inside food as well as the optimal design of superchilling equipment and packaging systems are needed. Pre-freezing The pre-freezing required for the superchilling process is usually performed in IQF industrial freezers such as mechanically forced air freezers, cryogenic freezers, or impact freezers. However, a challenge is to know and control the fraction of ice that should not exceed 30% at the end of the pre-freezing process. Knowledge of ice concentration is the key parameter for controlling the superchilling process, but it is also one of the most elusive and difficult-to-measure parameters (Aparicio et al., 2008). There are very few studies in the literature on a reliable and non-intrusive method for measuring the temperature and ice distribution of a very heterogeneous food matrix out of the freezer. Storage and Transport Once the product is pre-frozen at 30% ice content, it is crucial to maintain the right temperature (-1.8°C to -2.5°C) during storage with minimal fluctuations to prevent the ice crystals from melting and recrystallizing. A well-optimized insulated packaging, possibly associated with the use of a phase change material (PCM) as thermal storage, should make it possible to obtain better management of the temperature of the product (Leducq et al. 2015). In the literature, some studies have been performed on insulated boxes (Leungtongkuma T.et al (2022)) and on refrigeration equipment for the cold chain (refrigerated trucks, cold stores, showcases, and domestic refrigerators). Parameters such as PCM melting point, position, PCM mass and filler, insulation material, outside air temperature/product temperatures, and energy consumption have been shown to avoid product temperature increasing. Due to the complex interactions between these parameters, they must be considered specifically for superchilling conditions. Quality degradation kinetics & microstructure The kinetics of degradation of the physico-chemical quality of products during superchilling has been studied (Claussen 2011,). The authors tracked over time texture, color, and water retention capacity. However, the mechanism of ice crystal growth during superchilling storage has rarely been studied using X-ray microscopy Vincent et al (2017), Narimen Alvarez Ndoye (2023). To improve the quality of superchilled foods, the microstructure should be studied during the storage of super-chilled products. Energy and environmental impact of superchilling cold chains A few studies comparing refrigerated and superchilling chains for salmon have used a life cycle assessment approach to evaluate the concept of super refrigeration in terms of environmental impact (Hoang et al 2016. Claussen (2011) concludes that the higher energy demand in superchilling cold chains is offset by the reduced need for ice packaging and transport. The results show a clear improvement in superchilling cold chains in terms of environmental impacts. The decrease is mainly due to better use of the volume available for transport and the reduction in the amount of expanded polystyrene required for packaging. Integration into a cold chain The impact of superchilling by increasing the shelf life of the product, should also lead to a reduction in CO2 emissions due to a decrease in waste at the retail level and at the consumer level. It can also reduce the need for freezing and thawing processes that increase energy consumption. All these potential savings will be addressed in the thesis. The impact will include CO2 equivalent emissions. Depending on the insulation and thermal storage that will be selected, the evaluation will possibly be extended taking into account the environmental cost of the materials used. Objective and methodology: This thesis aims to study; An in-depth bibliographic study will allow the Ph.D. student to better define the contours of the subject and to orient towards the identification of the most relevant operating conditions to explore. -the evolution of the thermal properties of the products subjected to Superchilling, and their involvement in thermal modeling and crystallization (nucleation, growth, and melting of crystals as well as recrystallization phenomena) -the effect of Superchilling and storage conditions on the microstructure and quality of food products such as meat products and seafood. -the experimental study of the characterization of the microstructure of products by X-ray microtomography and obtaining kinetic laws of quality criteria (water loss, texture, color,...). -the study of optimized protection types packaging + PCM (materials at phase change) in order to keep the product at -1 or -2 ° C below the starting freezing temperature. - The integration of the superchilling modeling of a cold chain adapted to such products.