Atlan, Samuel (2007) Modelisation de la liberation des composes d'arome a partir de matrices alimentaires dans des systemes experimentaux et en bouche : determination des proprietes et mecanismes de transfert de matiere. PhD thesis Génie des procédés, Unité Mixte de Recherche 782 Génie et Microbiologie des Procédés Alimentaires, AgroParistech 2007AGPT0004 p.186.
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Abstract
They are responsible for olfactory perception, and are determinant for organoleptic quality explaining consumer preference. In order to improve the understanding of stimuli generation during food consumption, this work aimed at studying aroma compounds release by modelling mass transfer in real food matrices. The work consisted in two major steps: i) identification of aroma compounds properties ii) analysis of mass transfer, from in vitro systems to in vivo systems (the mouth during food consumption).
Knowledge of physicochemical properties is a prerequisite for mass transfer models. The first part of this work thus consisted in their determination. They are divided in two groups: equilibrium properties between two phases (the partition coefficient) and dynamic properties (the diffusion coefficient and the mass transfer coefficient). A new method for processing the experimental data from the PRV (Phase Ratio Variation) was developed for 12 aroma compounds. The partition coefficient varied from 3·10-5 to 3·10-2, coupled with the confidence interval calculation with all the available degrees of freedom. To determine the diffusion coefficient of aroma compounds in complex food matrices, an experimental cell was designed for this purpose, based on the mass transfer simulation, and validated on model matrices. Experimental measurements were then carried out on complex food matrices, allowing the determination of the diffusion coefficients and their variations based on the matrix composition (type of proteins) and the mechanical treatment. The associated confidence interval of the diffusion coefficient was calculated for ethyl hexanoate in different yogurts with various fat and protein ratio. Using a static headspace device, an analysis of the mass transfer mechanisms and its modelling showed that the partition and the diffusion coefficients could be determined simultaneously. The release model was based on ethyl hexanoate in carrageen gels and showed that it is necessary to control the steps of the experimental protocol.
Finally, a model of aroma compound release during in vivo consumption was developed. The model takes into account the physicochemical properties of aroma compounds and the physiological properties related to the subject. The model was established for “perfect swallowers”, who close the velopharynx when the product is set in the mouth until the deglutition process. The model allowed the simulation of the release of some aroma compounds (ethyl hexanoate, acetate and butanoate) from the product (yogurt) up to the nasal cavity, and in addition, it was possible to determine the limiting parameters of this release, namely the breathing flow.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| Thesis Supervisor: | Daudin, J-d |
| Date: | 15 February 2007 |
| Board of examiners: | Daudin, J-d and Desobry, S. and Guichard, E. and Trelea, I.c. and Marin, M. |
| Ecole Doctorale: | ED 435 AGRICULTURE, ALIMENTATION, BIOLOGIE, ENVIRONNEMENTS ET SANTE |
| Discipline: | Génie des procédés |
| Collection (Fonds): | AgroParistech |
| Institution: | AgroParistech |
| Department: | Unité Mixte de Recherche 782 Génie et Microbiologie des Procédés Alimentaires |
| Subjects: | 7. Life Sciences and Engineering |
| Uncontrolled Keywords: | Composés d’arômes, Coefficient de partage, Coefficient de diffusion, Transfert de matière, Convection, Dynamique de libération, Bouche, Gels laitiers, Modélisation, Simulation., Aroma compounds, Partition coefficient, Diffusion coefficient, Convection, Mass transfer, Dynamic release, Mouth, Dairy gels, Modelling, Simulation. |
Table of content
AVANT-PROPOS - 1
INTRODUCTION - 5
PARTIE 1 – SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE - 9
1. TRANSFERT DES COMPOSES D’AROME ENTRE UNE MATRICE ALIMENTAIRE ET L’AIR - 11
1.1. LES PROPRIETES D’EQUILIBRE - 11
1.1.1. Définition du coefficient de partage gaz/matrice - 12
1.1.1.1. Cas idéal - 12
1.1.1.2. Cas général : comportement non idéal - 13
1.1.1.3. Expression du coefficient de partage comme un rapport de concentrations - 14
1.1.2. Notation et interprétation du coefficient de partage - 15
1.1.2.1. Notation - 15
1.1.2.2. Ordres de grandeur du coefficient de partage - 15
1.1.3. Influence des facteurs opératoires sur le coefficient de partage - 16
1.1.3.1. Effet de la concentration en composés d’arôme - 16
1.1.3.2. Effet de la température - 16
1.1.3.3. Effet de la composition de la matrice - 17
1.1.4. Méthodes de détermination du coefficient de partage - 19
1.1.4.1. Méthodes différentielles - 19
1.1.4.2. Méthodes dynamiques d’espace de tête - 19
1.1.4.3. Méthodes statiques - 20
1.1.4.4. Conclusion sur les méthodes de détermination du coefficient de partage - 25
1.2. LES PROPRIETES DE MOBILITE DES COMPOSES D’AROME - 26
1.2.1. Transport de matière par diffusion - 27
1.2.1.1. Expression de la diffusion - 27
1.2.1.2. Détermination expérimentale du coefficient de diffusion - 29
1.2.1.3. Conclusion sur les méthodes de détermination du coefficient de diffusion - 37
1.2.2. Expression du transfert de matière au passage d’une interface - 37
1.2.2.1. Réprésentation générale - 37
1.2.3. Modes de représentation du coefficient de transfert de matière aux interfaces - 39
1.2.3.1. La théorie du film (Nernst, 1904) - 39
1.2.3.2. La théorie de pénétration - 40
1.2.3.3. Relations empiriques entre nombres sans dimension - 41
1.2.4. Conclusion - 42
2. ETAT DE L’ART DES TRANSFERTS DES COMPOSES D’AROME ET DE LEUR MODELISATION DANS LES MATRICES ALIMENTAIRES - 43
2.1. LIBERATION DES COMPOSES D’AROME DANS DES SYSTEMES EXPERIMENTAUX SIMPLES - 43
2.1.1. Effet des conditions opératoires sur la libération des composés d’arôme - 43
2.1.1.1. Effet de la température - 43
2.1.1.2. Effet de l’agitation des phases fluides - 44
2.1.2. Effet de la composition des matrices - 44
2.1.2.1. Effet de la matière grasse - 44
2.1.2.2. Impact des protéines - 45
2.2. LIBERATION DES COMPOSES D’AROME DANS LES SIMULATEURS BUCCAUX - 46
2.2.1. Influence du flux d’air et de la dilution par la salive - 46
2.2.1.1. Les modèles disponibles - 46
2.2.2. La cellule de cisaillement - 48
2.2.3. La gorge artificielle - 49
2.3. LIBERATION DES COMPOSES D’AROME : LES ETUDES EN BOUCHE - 51
2.3.1. Etude physiologique de la déglutition - 52
2.3.1.1. Les différents compartiments impliqués dans la déglutition - 54
2.3.1.2. La dilution par la salive et les flux respiratoires - 55
2.3.1.3. La formation du bol alimentaire - 55
2.3.1.4. La dimension temporelle de la déglutition - 55
2.3.2. Modélisation de la libération des composés d’arôme lors de la déglutition - 55
2.4. CONCLUSION - 58
PARTIE 2 - DEMARCHE DE LA MODELISATION - 61 Sommaire
3. INTRODUCTION - 63
4. DEFINITION DU SYSTEME A MODELISER - 64
4.1. GEOMETRIE DU SYSTEME A MODELISER - 64
4.2. LES VARIABLES INTERVENANT DANS LE MODELE - 64
5. HYPOTHESES GENERALES APPLICABLES AUX DIFFERENTS SYSTEMES - 66
5.1. DILUTION INFINIE - 66
5.2. COMPOSITION DE LA MATRICE - 66
5.2.1. Interactions entre les composés d’arôme - 66
5.2.2. Effet des constituants de la matrice - 66
5.3. CONTROLE DES CONDITIONS OPERATOIRES - 67
5.3.1. Systèmes expérimentaux isothermes - 67
5.3.2. Systèmes expérimentaux isochores et isobares - 67
5.3.3. Matrices à pH constant - 68
5.4. HYPOTHESES SUR LES MECANISMES - 68
6. FORMULATION MATHEMATIQUE DU MODELE - 69
6.1. TRANSFERT IMPLIQUANT UNE PHASE DE CONCENTRATION UNIFORME - 70
6.2. TRANSFERT DANS UNE PHASE DE CONCENTRATION NON UNIFORME - 71
6.3. CONDITIONS AUX LIMITES ENTRE DEUX PHASES - 71
7. METHODE DE RESOLUTION NUMERIQUE DES SYSTEMES D’EQUATIONS - 73
7.1. L’OUTIL DE RESOLUTION NUMERIQUE - 73
7.2. LES METHODES DE RESOLUTION - 73
7.3. DISCRETISATION D’UN SYSTEME D’EQUATIONS DIFFERENTIELLES - 74
7.3.1. Discrétisation spatiale : des équations aux dérivées partielles aux équations différentielles ordinaires (EDO) - 74
7.3.2. Prise en compte des équations algébriques (EA) - 76
7.3.3. Résolution du système d’équations par discrétisation temporelle - 77
7.4. L’ADIMENSIONNALISATION - 77
7.4.1. Bilan du système d’équations avant l’adimensionnalisation - 77
7.4.2. Introduction de nouvelles variables et réécriture du système - 77
7.4.2.1. Introduction des nouvelles variables de l’adimensionnalisation - 77
7.4.2.2. Réécriture du système d’équations - 78
7.5. CHOIX DU SOLVEUR DU SYSTEME D’EQUATIONS - 79
8. AJUSTEMENT DES PARAMETRES DU MODELE ET CALCUL DES INCERTITUDES - 81
8.1. INTRODUCTION - 81
8.2. ESTIMATION DES PARAMETRES AVEC LA METHODE DU MAXIMUM DE VRAISEMBLANCE - 81
8.3. L’ALGORITHME D’AJUSTEMENT - 83
8.4. CALCUL DES INCERTITUDES - 83
8.5. CONCLUSION - 84
PARTIE 3 – DETERMINATION DES PROPRIETES PHYSICOCHIMIQUES DES COMPOSES D’AROME DANS LES MATRICES - 85
9. DETERMINATION DU COEFFICIENT DE PARTAGE PAR PRV - 87
9.1. INTRODUCTION - 87
9.2. METHODES DE DETERMINATION DU COEFFICIENT DE PARTAGE ET DES INTERVALLES DE CONFIANCE - 88
9.2.1. Équation de base de la méthode PRV - 89
9.2.2. Détermination du coefficient de partage par régression linéaire - 89
9.2.2.1. Méthode L1 : série expérimentale unique - 90
9.2.2.2. Méthode LN : séries expérimentales multiples - 91
9.2.3. Détermination du coefficient de partage par régression non linéaire - 92
9.2.3.1. Méthode N1 : série expérimentale unique - 93
9.2.3.2. Méthode NN : séries expérimentales multiples - 93
9.2.4. Détermination paramétrique du coefficient de partage - 94
9.2.4.1. Méthode P1 : série expérimentale unique - 94
9.2.4.2. Méthode PN : séries expérimentales multiples - 95
9.3. ESTIMATION DU COEFFICIENT DE PARTAGE AIR/EAU DE COMPOSES D’AROME - 95
9.3.1. Comparaison des méthodes sur des jeux de données publiés - 95
9.3.2. Comparaison des méthodes sur un nouveau jeu de données - 100
9.3.2.1. Obtention des données expérimentales - 101 Sommaire
9.3.2.2. Exploitation des résultats - 101
9.4. CONCLUSION - 105
10. DETERMINATION DU COEFFICIENT DE DIFFUSION - 107
10.1. INTRODUCTION - 107
10.2. DEMARCHE EXPERIMENTALE - 107
10.2.1. Description du dispositif expérimental - 107
10.2.1.1. La cellule de diffusion - 107
10.2.1.2. Analyse de l’espace de tête - 109
10.2.2. Protocole de mesure des cinétiques de libération - 109
10.3. MODELE DU TRANSFERT DES COMPOSES D’AROME DANS LA CELLULE DE DIFFUSION - 110
10.3.1. Hypothèses du modèle - 110
10.3.1.1. Mécanisme limitant du transfert des composés d’arôme - 110
10.3.1.2. Hypothèses et mécanismes du transfert des composés d’arôme - 110
10.3.1.3. Conditions initiales du modèle (t=0) - 111
10.3.1.4. Conditions aux limites - 112
10.3.2. Représentation du modèle physique du transfert des composés d’arôme dans la cellule de diffusion 113
10.3.3. Estimation des paramètres et des intervalles de confiance - 114
10.3.4. Matrices et composés d’arôme utilisés dans le cadre de cette étude - 115
10.3.4.1. Composés d’arôme du réservoir d’arôme (L) - 115
10.3.4.2. Préparation des matrices - 115
10.4. RESULTATS ET DISCUSSION - 116
10.4.1. Normalisation des données - 116
10.4.2. Validation du modèle physique - 117
10.4.2.1. Validation du système expérimental et du modèle sur des matrices de référence - 117
10.4.3. Influence des paramètres du modèle sur l’ajustement du coefficient de diffusion - 119
10.4.3.1. Effet du coefficient de partage air/produit (KAP) - 119
10.4.3.2. Effet de la hauteur de produit dans la cellule - 120
10.4.3.3. Effet des paramètres de la membrane - 121
10.4.4. Obtention des coefficients de diffusion dans des matrices réélles - 122
10.5. CONCLUSION - 122
11. DETERMINATION SIMULTANEE DU COEFFICIENT DE PARTAGE ET DU COEFFICIENT DE DIFFUSION - 125
11.1. INTRODUCTION - 125
11.2. PARTIE EXPERIMENTALE - 125
11.2.1. Objet de l’étude - 125
11.2.2. Système expérimental : la cellule statique avec prélèvement dans l’espace de tête - 125
11.2.3. Les étapes du protocole expérimental - 126
11.3. HYPOTHESES ET MODELE DE LA LIBERATION DES COMPOSES D’AROME - 127
11.3.1. Hypothèses - 127
11.3.1.1. Hypothèses sur le transfert des composés d’arôme dans le système - 127
11.3.1.2. Mécanisme limitant le transfert des composés d’arôme - 127
11.3.1.3. Conditions initiales - 127
11.3.1.4. Conditions aux limites - 127
11.3.2. Modèle mécanistique de la libération des composés d’arôme - 128
11.4. RESULTATS ET DISCUSSION - 129
11.4.1. Obtention des profils de concentration au cours de l’expérience - 129
11.4.1.1. Profils de concentration des composés d’arôme dans le gaz - 129
11.4.1.2. Profil de concentration des composés d’arôme dans la matrice - 130
11.4.2. Comparaison entre les approches d’un transfert de type convectif ou diffusif dans la matrice...132
11.4.3. Estimation des paramètres cinétiques et thermodynamiques - 133
11.4.3.1. Estimation du coefficient de partage - 133
11.4.3.2. Détermination du coefficient de diffusion - 134
11.4.4. Influence des principales sources d’incertitude expérimental sur la valeur des paramètres ajustés - 135
11.4.4.1. Concentration initiale dans la matrice et mesure de la concentration dans l’espace de tête - 135
11.4.4.2. Durée de la mise à l’équilibre (étape 1) - 135
11.4.4.3. Durée et débit de la purge (étape 2) - 135
11.5. CONCLUSION - 136
PARTIE 4 - ETUDE DE LA DYNAMIQUE DE LIBERATION DES COMPOSES D’AROME EN BOUCHE - 137
12. MODELISATION DE LA LIBERATION DES COMPOSES D’AROME DEPUIS LE YAOURT EN CONDITIONS IN VIVO - 139
12.1. INTRODUCTION - 139 Sommaire
12.2. PARTIE EXPERIMENTALE - 139
12.2.1. Préparation des matrices aromatisées - 139
12.2.2. Mesure des cinétiques de libération des composés d’arôme - 140
12.2.2.1. Organisation des séances - 140
12.2.2.2. Protocole de dégustation - 140
12.2.3. Appareillage expérimental - 141
12.2.4. Suivi de la respiration des sujets - 142
12.3. HYPOTHESES ET MODELE DE LA LIBERATION DES COMPOSES D’AROME - 142
12.3.1. Hypothèse sur le mécanisme de transport des composés d’arôme en bouche - 142
12.3.2. Description du système « bouche » - 142
12.3.3. Paramètres du modèle, conditions initiales et aux limites - 143
12.3.3.1. Dilution par la salive - 143
12.3.3.2. Les autres paramètres du modèle - 144
12.3.3.3. Conditions initiales - 145
12.3.3.4. Conditions aux limites - 145
12.3.4. Modèle générique du transfert des composés d’arôme en bouche - 146
12.3.5. Les étapes de la déglutition - 147
12.4. RESULTATS ET DISCUSSION - 157
12.4.1. Simulation des profils de concentration au cours de l’expérience - 157
12.4.1.1. Description du signal des composés d’arôme dans la cavité nasale au cours du temps : exemple de l’acétate d’éthyle - 158
12.4.1.2. Interprétation des mécanismes intervenant au cours du temps - 158
12.4.2. Influence des principaux paramètres sur la cinétique de libération des composés d’arôme - 160
12.4.2.1. Effet des variables liées à la respiration - 160
12.4.2.2. Effet des variables liées à l’apport de salive - 161
12.4.2.3. Décalage dans le temps - 161
12.4.2.4. Coefficients de transfert de matière dans le produit et dans le gaz - 162
12.4.2.5. Coefficients de partage - 164
12.4.2.6. Dimensions des compartiments - 164
12.5. CONCLUSION - 166
PARTIE 5 - CONCLUSION GENERALE - 169
REFERENCES - 173
ANNEXES - 184 Sommaire
| ID Code: | 3444 |
|---|---|
| Deposited By: | Nadine Pontal |
| Deposited On: | 27 February 2008 |
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