Méthode de détermination des coefficients de partage

Nous avons vu que le principe de calcul des coefficients de partage liquide/vapeur par la méthode PRV repose sur l’évolution de la surface chromatographique en fonction de la variation du volume de la matrice. La condition essentielle pour que cette relation soit applicable est que la concentration dans la phase liquide puisse être considérée comme constante. Or cette approximation peut ne pas être satisfaite. En effet, après introduction de la matrice dans le flacon headspace, il y a passage des composés d’arôme vers la phase vapeur jusqu’à atteindre l’équilibre (égalité des potentiels chimiques), c'est-à-dire que le rapport des concentrations dans les deux phases devient constant. Dans le cas des faibles volumes de matrice contenant des composés suffisamment volatils, la quantité de composé d’arôme qui passe en phase vapeur est importante

par rapport à celle initialement présente dans la matrice. Dans ce cas la méthode PRV ne peut pas être appliquée car la concentration de la matrice n’est plus égale à la concentration initiale.

Plus la quantité de matrice introduite est grande et plus le volume de phase vapeur se restreint. La quantité de composé d’arôme qui passe en phase vapeur devient alors négligeable par rapport à celle initialement introduite dans la matrice mais elle devient au contraire plus importante dans le volume de la phase vapeur qui se restreint de plus en plus.

L’équilibre d’un composé volatil entre une phase liquide et une phase vapeur est établi lorsque sa pression partielle atteint la valeur d’équilibre propre à ce composé, cette valeur dépendant de la nature de la phase liquide dans laquelle le composé volatil se trouve en solution, de sa concentration dans cette phase liquide, et de la température. Dans le cas des molécules odorantes en solution diluée étudiées, l’équilibre headspace est réalisé dans des conditions isochores et isothermes, et la variation de pression est suffisamment faible pour pouvoir être négligée devant la pression totale. Par conséquent, pour une concentration en phase liquide donnée, atteindre la valeur de concentration d’équilibre dans la phase vapeur nécessite le passage d’autant moins de molécules que le volume de phase vapeur est petit. De ce fait, la quantité de molécules restant dans la phase liquide est un tout petit peu plus importante pour les petits volumes de phase vapeur que pour les grands volumes de phase vapeur, ce qui nécessite le passage en phase vapeur d’une fraction C (C en mol/l) supplémentaire pour atteindre la pression d’équilibre, ce phénomène se traduisant par une concentration légèrement d’autant plus élevée en phase vapeur que le volume de phase vapeur est petit. L’augmentation de la concentration de la phase gazeuse en composé d’arôme se traduit alors par une augmentation de la surface chromatographique.

La méthode PRV ne peut également pas s’appliquer aux composés trop retenus (CM/CG<1.10²) d’après Ettre et Kolb (1991). En effet dans ce cas, la variation de la concentration en phase gazeuse est extrêmement faible, en particulier pour les grands volumes de phase liquide. Lorsque cette variation est inférieure au seuil de sensibilité du détecteur, on peut ne pas observer de variation de la surface chromatographique. Nos résultats vont dans ce sens car sur les 50 composés sélectionnés, l’application de la méthode PRV a permis de mesurer les coefficients de partage de seulement 28 composés dans tous les milieux. La plupart des 23 composés pour lesquels la détermination s’est avérée impossible sont des alcools. L’examen du cas de ces molécules (Figure 34) montre que l’absence de variation sensible de l’aire du pic pour les composés les plus retenus (la rétention étant particulièrement forte dans les gels laitiers) ne permet pas d’effectuer une régression linéaire significative entre l’inverse de l’aire du pic chromatographique A et le rapport de volume β.

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 (E^)-h ex-4 -én -1-^ol he x-1-é n-3 -ol 1-h exa no^l 3-m ét^hyl pe^nt an-3 -ol 2-m ét^hyl pe^nt an-1 -ol (Z)-he pt^-4 -én -1-^ol he^pt an-2 -o^l 6-m ét^hyl he^pt -5^-én -2-^ol octan -1^-ol octan -3^-ol 2-é thylhexa n-1 -ol no^nan -1^-ol lina lo^ol _ne^rol 3,7-d iméthyl oct an-1 -ol Aire d e p ic pt150 pt200 pt300 pt500 pt1000 pt1500 pt2000 pt5000

Figure 34 : Evolution des aires de pics des alcools en fonction de la variation des volumes de la matrice (150 à 5000µL) dans l’eau.

Il faut souligner que l’auteur de la PRV (126) a exposé l’application de cette méthode sur un nombre très restreint de composés, 3 dérivés aryles et la butan-2-one. De plus, les valeurs de coefficient de partage ont été obtenues pour des équilibres liquide-vapeur dont les températures allaient de 45 à 90°C favorisant ainsi le passage en phase vapeur.

Plusieurs travaux ont été menés en utilisant cette méthode exclusivement sur des composés d’arôme. Certains auteurs ont essayé de mesurer les coefficients de partage à 30°C, dans différentes matrices gélifiées par des épaississants (168), de gels laitiers (171) et des biscuits fourrés (103). Mais à chaque fois, la détermination des coefficients de partage n’a pu être effectuée que sur les composés suffisamment volatils pour être détectés en headspace. D’autres auteurs ont eu moins de difficulté à appliquer la PRV, en étudiant l’équilibre rétention/libération à des températures supérieures à 30°C. Bylaite (2004) a mesuré les coefficients de partage de 47 composé d’arôme dans des gels de carraghénanes à 37°C (80) en constatant toutefois une incertitude importante pour les valeurs obtenues avec les alcools, attribuée à leur faible présence dans la phase gazeuse.

Jouquand (2004) (172) a mesuré les coefficients de partage de 8 composés d’arôme dans des solutions de polysaccharides à 60, 70 et 80 °C. L’auteur a cependant noté que le seul alcool que comptait le set des 8 composés d’arôme était faiblement présent en phase gazeuse.

Nous avons choisi pour notre travail de limiter l’ensemble des données exploitables aux 28 composés pour lesquels la détermination des coefficients de partage a été possible par la méthode PRV sans modifier les conditions d’acquisition des données. Toutefois, nous avons envisagé un certain nombre de possibilités susceptible de fournir les valeurs de coefficient de partage pour les composés ne donnant pas de réponse fiable dans ces conditions habituelles d’application de la méthode PRV.

Pour permettre une détermination des coefficients de partage des molécules les moins volatiles par la méthode PRV, l’augmentation de température permettrait d’augmenter la concentration du composé étudié dans la phase vapeur. Cependant, il faut tenir compte du fait que le milieu étudié est un gel qui ne peut pas être chauffé sous peine de le dénaturer et aussi du fait qu’il faut rester dans une gamme de températures réalistes reflétant les conditions habituelles de consommation. L’augmentation de la concentration des composés d’arôme dans la matrice pourrait également aider à contourner le problème du seuil de sensibilité du détecteur, le risque étant d’atteindre la limite de solubilité des composés dans la matrice, notamment en aromatisant avec des mélanges. Enfin, il serait possible de choisir les gammes de volume les mieux adaptées, c’est-à-dire de privilégier les faibles volumes de liquide. On peut éventuellement envisager d’optimiser les volumes de phase gazeuse en jouant sur la géométrie des flacons, cette dernière option demandant une étude particulière.

Si malgré tout il n’est pas possible d’obtenir des valeurs de surface chromatographique permettant d’effectuer le calcul de régression, les alternatives seront d’utiliser soit une méthode de pré-concentration SPME avec étalonnage, soit d’autres méthodes d’étalonnage classiques.

La mesure de coefficient de partage par SMPE consiste à déterminer la concentration des coefficients de partage en déterminant leurs concentrations dans les deux phases en travaillant sur un seul volume d’échantillon: dans la matrice par extraction liquide-liquide des composés d’arôme puis par étalonnage liquide, et dans la phase gazeuse par la pré-concentration des composés d’arôme en phase gazeuse sur une fibre SPME suivie d’un étalonnage.

Les méthodes d’étalonnage classiques consistent également à déterminer les concentrations des composés d’arôme dans les deux phases. La détermination de la concentration des composés d’arôme dans la matrice est similaire à celle décrite pour la SMPE.

La détermination des composés d’arôme dans la phase gazeuse consiste à doser un échantillon de la phase gazeuse en utilisant un étalonnage en phase gazeuse ou en phase liquide.

4.1.3 Comparaison des valeurs de coefficients de partage avec celles de la

littérature

Il existe parfois une grande variabilité entre les valeurs de coefficients de partage trouvées dans la littérature, parfois même lorsque ces valeurs ont été obtenues dans les mêmes conditions. À titre d’exemple, Bylaite a publié des valeurs de coefficient de partage en 2003 (173) qui sont différentes de celles de 2005 (174) sachant qu’elles ont été obtenues dans les mêmes conditions. Les valeurs de coefficients de partage trouvées dans la littérature ne concernent que quelques uns des composés que nous avons étudiés. De plus, ces valeurs n’ont pas été toutes obtenues dans les mêmes conditions (température, pression..) et les matrices étudiées sont souvent différentes de celles étudiées dans ce travail.

Afin de comparer nos résultats avec ceux de la littérature nous avons recueilli quelques valeurs de coefficients de partage obtenues à 27, 30 ou à 37°C, dans l’eau et dans un gel de pectine à 0,04% (Tableau 25). Ces valeurs ont toutes été obtenues par la méthode PRV à l’exception celles de Jung (2003) (132) qui ont été obtenues par la méthode SPME.

Par ailleurs, il est à noter que les coefficients de partage dépendent de la température et de la pression du système étudié.

Globalement, les valeurs obtenues en utilisant la méthode PRV peuvent présenter une grande différence sans pour autant dépasser un facteur 2. En revanche ces valeurs sont en moyenne, quasiment 10 fois supérieures à celles obtenues en utilisant la méthode SPME.

Si nous faisons la comparaison des coefficients de partage obtenus dans l’eau avec ceux qui ont été obtenus par les autres auteurs en utilisant la méthode PRV, nous remarquons les points suivants :

Pour le linalool, la valeur de coefficient de partage mesurées dans l’eau est très proche de celle qu’a mesuré Savary (2006) (168) dans les mêmes conditions.

Par contre pour l’hexanal, le butanoate d’éthyle et l’hexanoate d’éthyle, nos valeurs sont nettement inférieures à celle de Savary (2006) ou à celles de Kopjar 2010(61).

Cependant, les valeurs obtenues dans l’eau par Bylaite (2004 et 2005) (80, 174) pour l’hexanal, heptanal, octanal, heptan-2-one, butanoate d'éthyle, acétate de 3-méthylbutyle et heptanoate d’éthyle, sont plus proches des nôtres même si elles ont été obtenues à 37°C.

Si on s’intéresse cette fois-ci aux valeurs qu’a obtenu ce même auteur (173) dans le gel de pectine à 0,4%, on remarque que celles-ci sont nettement inférieures à celles que nous avons obtenu pour les composés suivants : (E)-hex-2-énal, hexanal, heptanal et octanal.

Tableau 25 : Comparaison des valeurs de coefficients de partages obtenues dans l’eau et dans le gel de pectine à 0,04% avec celles de la littérature pour 10 composés d’arôme.

CM/CG Eau Pectine 0,04% Index Composé Nos résultats (30°C) Jung 2003 (132) (27°C) Bylate 2003 (173) (37°C) Bylate 2004 (80) (37°C) Bylaite 2005 (174)(37°C) Savary 2006 (168) (30°C) Kopjar 2010 (61) (30°C) Nos résultats (30°C) Bylate 2003 (173) (37°C) 13 linalool 239 258 17 (E)-hex-2-énal 218 179 213 161 20 hexanal 47 6 39 46 63 46 38 22 heptanal 38 25 32 40 23 23 octanal 25 15 21 24 18 31 heptan-2-one 80 7 58 76 39 butanoate d'éthyle 39 33 37 55 65 41 acétate de 3-méthylbutyle 27 7 23 28 44 hexanoate d'éthyle 20 2 33 31 46 heptanoate d'éthyle 12 7 11