Contribution à la compréhension de procédés
électro-membranaires appliqués à la
désacidification du jus de canneberge
Thèse
Élodie Serre
Doctorat en sciences et technologie des aliments
Philosophiae doctor (Ph. D.)
Québec, Canada
Contribution à la compréhension de procédés
électro-membranaires appliqués à la
désacidification du jus de canneberge
Thèse
Élodie Serre
Sous la direction de :
Laurent Bazinet, directeur de recherche
Stella Lacour, codirectrice de recherche
Karine Pedneault, codirectrice de recherche
RESUME
:
Depuis des décennies, la canneberge est reconnue comme un aliment fonctionnel grâce à ses bienfaits sur la santé humaine. Cependant, ce petit fruit, très riche en acides organiques, peut engendrer à long terme des troubles gastro-intestinaux chez certains consommateurs. L’objectif principal de ce travail de thèse de doctorat était de démontrer qu’à partir d’un traitement du jus de canneberge par électrodialyse selon une certaine configuration, il était possible de diminuer la concentration en acides organiques dans le jus tout en permettant une réduction potentielle de l’inflammation intestinale et de conserver les composés bénéfiques (anthocyanes et proanthocyanidines) sur la santé humaine.
Au cours de ces travaux, les premiers résultats ont démontré que la nature des membranes et un agencement judicieux de celles-ci permettaient de diminuer significativement la concentration en acides organiques dans le jus de canneberge tout en conservant les anthocyanes et les proanthocyanidines présentes dans le jus. En parallèle, cette étude a mise en évidence pour la première fois une sélectivité de migration des acides organiques lors de l’électrodialyse avec membrane bipolaire. Ainsi, l’étude de l’impact de la nature et de l’agencement des membranes sur la désacidification du jus de canneberge a montré que, parmi les configurations testées, seule la configuration possédant deux membranes bipolaires et une membrane anionique résultait en un taux de désacidification du jus de canneberge optimal en termes de paramètres électrodialytiques et physico-chimiques.
Par la suite, l’étude in vitro sur l’impact du taux de désacidification du jus de canneberge sur la barrière intestinale a démontré qu’une diminution suffisante des acides organiques dans le jus de canneberge permettait de protéger la barrière intestinale. L’acide quinique n’a montré aucun impact sur l’intégrité de la barrière intestinale à la différence des acides citrique et malique. Néanmoins, l’effet des acides citrique et malique seuls sur l’intégrité de la barriére intestinale n’a pas été démontré.
Cette étude a mis en évidence pour la première fois l’impact des acides organiques présents dans le jus de canneberge sur l’intégrité de la barrière intestinale.
Enfin, l’approche mathématique a permis de mieux comprendre le comportement et le transfert des acides organiques à travers la membrane échangeuse d’anions durant le procédé d’électrodialyse. Ainsi, une compétition entre les fractions anioniques des acides organiques et les H+ produits par la membrane bipolaire a pu être
déterminée.
Enfin, un brevet a été déposé à la fois sur le procédé et le produit en lui même menant dans un futur proche à l’apparition d’un nouveau breuvage de canneberge sur le marché.
A
BSTRACT
:
For decades, cranberry has been recognized as a functional food due to its beneficial effects on human health. However, cranberry, which possesses a very high organic acid content, may potentially cause gastrointestinal disorders following a long-term consumption. The main objective of this doctoral thesis was to demonstrate that through an electrodialysis treatment of cranberry juice using a specific configuration, it is possible to decrease the organic acid concentration, while conserving compounds beneficial to human health and potentially decreasing organic acid impact on intestinal inflammation.
The results of the first study demonstrated that the membrane’s nature and stacking (ion-exchange, bipolar or ultrafiltration membranes) allowed for a significant decrease of the organic acid concentration while preserving anthocyanins and proanthocyanidins in the juice. In addition, this study highlighted for the first time a migration selectivity of organic acids during the ED treatment. This study showed that only the configuration possessing two bipolar membranes and one anion exchange membrane produced an optimal rate of deacidification in cranberry juice in terms of electrodialytic and physico-chemical parameters.
In the second study, it was demonstrated that a deacidification rate of at least 37% was necessary to protect the intestinal barrier in vitro. Quinic acid has no impact on the intestinal barrier’s integrity as opposed to citric and malic acids. However, the effect of citric or malic acids alone on the integrity of the intestinal barrier has not been demonstrated. Notably, this is the first time a study demonstrated the impact of organic acids present in cranberry juice on the integrity of the intestinal barrier.
Finally, the mathematical approach led to a better understanding of the behaviour and transport of organic acids through the anion exchange membrane during
the ED treatment. A competition between the anionic fractions of organic acids and the H+ produced by the bipolar membrane during the ED process was demonstrated.
These results showed that electrodialysis with bipolar membrane deacidified cranberry juice while preserving the beneficial compounds such as anthocyanins and proanthocyanidins, and potentially decreasing the impact on intestinal inflammation. Additionally, a better understanding of the migration of organic acids through the anion exchange membrane during the process has been shown. A patent concerning the process and the final product was submitted. We hope this work will lead in a close future to the commercial availability on the market of a new cranberry juice beverage.
T
ABLE DES
M
ATIERES
:
Résumé : ... III Abstract: ...V Table des Matières : ... VII Liste des tableaux : ... XIV Liste des figures : ... XVII Liste des abbréviations et des sigles : ... XXII Remerciements : ... XXVII Avant‐propos : ... XXIX Introduction : ... 1 CHAPITRE I. Revue de littérature ... 4 I.1. La Canneberge : ... 5 I.1.1. Historique : ... 5
I.1.2. Origine Botanique : ... 6
I.1.3. Culture de la canneberge : ... 7
I.1.4. Composition de la canneberge : ... 8
I.1.4.1. Composés antioxydants - Anthocyanes et proanthocyanidines : ... 10
I.1.4.1.1. Anthocyanes : ... 12
I.1.4.1.2. Proanthocyanidines : ... 15
I.1.4.2. Acides organiques : ... 16
I.1.4.2.1. Structures chimiques : ... 17
I.1.4.2.2. Distribution des fractions ioniques des acides organiques en fonction du pH : ... 17
I.2. Jus de canneberge : ... 22
I.2.1. Procédé de fabrication : ... 22
I.2.2. Composition :... 23
I.2.3. Impact de la consommation de jus de canneberge sur la santé humaine : ... 25
I.2.3.1. Effet des polyphénols : ... 25
I.2.3.1.1. Prévention des infections urinaires : ... 26
I.2.3.1.2. Prévention des maladies cardiovasculaires : ... 27
I.2.3.1.3. Préventions de certains cancers :... 28
I.2.3.1.4. Préventions d’ulcéres gastriques : ... 28
I.2.3.1.5. Préventions des plaques dentaires : ... 29
I.2.3.2. Effet des acides organiques : ... 30
I.2.3.2.1. Effets secondaires indésirables : ... 30
I.2.3.2.2. Possibilités d’inflammations intestinales : ... 31
a) Généralité sur l’inflammation : ... 31
b) Rôle de l’endothélium : ... 31
c) Dysfonctionnement de l’endothélium : ... 33
I.3. Les procédés de désacidification des breuvrages alimentaires : ... 35
I.3.1. Précipitation aux sels de calcium : ... 35
I.3.1.1. Principe : ... 35
I.3.1.2. Applications : ... 35
I.3.1.3. Limitations : ... 37
I.3.2. Utilisation de Chitosane : ... 37
I.3.2.1. Principe : ... 37
I.3.2.2. Applications : ... 39
I.3.2.3. Limitations : ... 40
I.3.3. Membranes liquides :... 41
I.3.3.1. Principe : ... 41 I.3.3.2. Applications : ... 42 I.3.3.3. Limitations : ... 43 I.3.4. Nanofiltration: ... 44 I.3.4.1. Principe : ... 44 I.3.4.2. Applications : ... 44 I.3.4.3. Limites : ... 45
I.3.5. Résines échangeuses d’ions : ... 45
I.3.5.1. Principe : ... 45
I.3.5.2. Applications : ... 48
I.3.5.3. Limitations : ... 49
I.4. Électrodialyse et procédés hybrides : ... 50
I.4.1. Membranes échangeuses d’ions monopolaires : ... 51
I.4.1.1. Exclusion et potentiel de Donnan : ... 52
I.4.1.2. Permsélectivité des membranes : ... 53
I.4.1.3. Capacité d’échange ionique : ... 54
I.4.1.4. Conductivité des membranes : ... 55
I.4.2. Membranes bipolaires : ... 57
I.4.3. Membranes d’ultrafiltration : ... 58
I.4.4. Principe et généralités de l’électrodialyse : ... 58
I.4.4.1. L’électrodialyse conventionnelle : ... 58
I.4.4.2. L’électrodialyse avec membrane bipolaire : ... 63
I.4.4.3. L’électrodialyse avec membrane de filtration (EDMF) : ... 64
I.4.5. Phénomènes de transport : ... 64
I.4.5.1. Transfert de masse : ... 64
I.4.5.2. Loi d’électroneutralité : ... 66
I.4.5.3. Rendement faradique : ... 67
I.4.6. Limitations au transfert de masse : ... 67
I.4.6.1. Notion de concentration de polarisation et de courant limite : ... 67
I.4.6.1.1. Concentration de polarisation : ... 67
I.4.6.1.2. Densité de courant limite et dissociation des molécules d’eau : ... 69
I.4.6.2. Colmatage : ... 73
I.4.6.2.1. Colloïdal : ... 74
I.4.6.2.2. Organique : ... 74
I.4.6.2.3. Minéral : ... 74
I.4.7. Applications des systèmes électrodialytiques et des hybrides dans le domaine alimentaire : ... 76
I.4.7.1. Désacidification de breuvages par électrodialyse conventionnelle : ... 78
CHAPITRE II. Problématique, Hypothèse Et ObjectifS ... 84
II.1. Problématique : ... 85
II.2. Question de recherche : ... 86
II.3. Hypothèse de recherche : ... 86
II.4. Objectifs : ... 86
II.4.1. Objectif général : ... 86
II.4.2. Objectifs spécifiques : ... 87
CHAPITRE III. Désacidification du jus de canneberge par électrodialyse: Impact du type de membranes et des configurations électrodialytiques sur la migration des acides organiques et sur les caractéristiques physico‐chimiques du jus. ... 90 III.1. Transition contextuelle : ... 97 III.2. Résumé : ... 98 III.3. Abstract : ... 98 III.4. Introduction : ... 99 III.5. Experimental methods : ... 101
III.5.1. Cranberry juice : ...101
III.5.2. Electrodialytic configurations : ...103
III.5.3. Protocol : ...105
III.5.4. Analysis methods : ...106
III.5.4.1. Physico-chemical characteristics of cranberry juice and acid recovery solutions : ... 106
III.5.4.1.1. pH : ... 106
III.5.4.1.2. Conductivity : ... 106
III.5.4.1.3. Titratable acidity : ... 106
III.5.4.1.4. Total soluble solids : ... 107
III.5.4.1.5. Juice color : ... 107
III.5.4.1.6. Calcium, Potassium, Sodium, Magnesium, Phosphorus concentration determination : ... 107
III.5.4.1.7. Anthocyanin content : ... 108
III.5.4.1.8. Proanthocyanidin content : ... 108
III.5.4.1.9. Organic acid content : ... 109
III.5.4.1.10. Total Polyphenols : ... 109
III.5.4.2. Electrodialytic parameters and membrane characteristics : ... 110
III.5.4.2.1. Global system resistance : ... 110
III.5.4.2.2. Membrane Thickness : ... 110
III.5.4.3. Statistical analyses :... 110
III.6. Results & Discussion : ... 111
III.6.1. Cranberry juice and recovery solution analysis : ...111
III.6.1.1. Titratable acidity : ... 111
III.6.1.2. pH : ... 114
III.6.1.3 Conductivity : ... 116
III.6.1.4. Total soluble solids : ... 118
III.6.1.5. Mineral ion concentration : ... 118
III.6.1.9. Proanthocyanidin content : ... 125
III.6.1.10. Total polyphenols : ... 126
III.6.2. Electrodialytic parameters : ...128
III.6.2.1. Global system resistance : ... 128
III.6.2.2. Membranes conductivities and thicknesses : ... 129
III.7. Conclusion : ... 129
III.8. Acknowledgements : ... 130
CHAPITRE IV. Détermination de la forme anionique prédominante de l’acide migrant durant la désacidification de solutions modèles d’acide organique. ... 131 IV.1. Transition contextuelle :... 132 IV.2 . Résumé : ... 133 IV.3. Abstract : ... 134 IV.4. Introduction :... 135 IV.5. Materials & Methods : ... 137
IV.5.1. Chemical products : ...137
IV.5.2. Electrodialysis equipment and configuration : ...137
IV.5.3 Protocols : ...139
IV.5.3.1. Deacidification of model solutions by EDBM : ... 139
IV.5.3.2. Ionic molar conductivity determination of malic and citric acid ionic fractions in aqueous solution : ... 139
IV.5.4. Physicochemical analyses : ...143
IV.5.4.1. pH : ... 143
IV.5.4.2. Conductivity : ... 143
IV.5.4.3. Titratable acidity : ... 144
IV.5.4.4. Organic acid contents : ... 144
IV.5.4.5. Mineral concentrations : ... 144
IV.6. Results & Discussion : ... 145
IV.6.1. pH : ...145
IV.6.2. Conductivity : ...148
IV.6.3. Evolution of titratable acidity : ...150
IV.6.4. Organic acid contents : ...152
IV.6.5. Migration rates : ...154
IV.6.6. Ionic molar conductivity of citric and malic acids : ...157
IV.6.7. Migration flows approach : ...161
IV.6.7.1 Theoretical calculation of the migration flow : ... 161
IV.6.7.2. For malic acid solution : ... 163
IV.6.7.3. for citric acid solution : ... 166
IV.6.7.4. For a mix of citric and malic acids : ... 169
IV.6.8. Electrochemical approach : ...171
IV.6.8.1. Principle of the electrochemical approach : ... 171
IV.6.8.2. Mineral ion concentrations : ... 171
IV.6.8.3. Number of charges transported and comparison : ... 174
IV.6.8.3.1. for malic acid solution : ... 175
IV.6.8.3.2. For citric acid solution : ... 177
IV.6.8.3.3. For a mix of citric and malic acids :... 180
IV.8. Acknowledgement : ... 184
CHAPITRE V. Modélisation de la désacidification d’une solution d’acide organique par electrodialyse avec membrane bipolaire: couplage entre les phénomènes de transport et les réactions chimiques. ... 185 V.1. Transition contextuelle : ... 186 V.2. Résumé : ... 187 V.3. Abstract : ... 187 V.4. Introduction : ... 188 V.5. Materials & Methods : ... 190
V.5.1. ED stack system description and experimental deacidification protocol : ...190
V.5.2. Experimental determination of electrochemical parameters : ...191
V.5.2.1. Linear sweep voltammetry of bipolar and anion-exchange membranes : ... 191
V.5.2.1. Membranes thickness and conductivity : ... 193
V.5.3. Physico-chemical characteristics of diluate and concentrate solutions : ...193
V.5.3.1. pH : ... 193
V.5.3.2. Titratable acidity : ... 194
V.6. Modelling methodology : ... 194
V.6.1. Quasi-equilibrium : ...195
V.6.2. Evolution of species concentrations : ...195
V.6.3. Modelling of current-voltage relationships : ...197
V.6.3.1. Total potential difference applied to the ED stack : ... 197
V.6.3.1.1. Ohmic drops in ED compartments : ... 198
V.6.3.1.2. Current-voltage characteristics of AEM : ... 198
V.6.3.1.3. Current-voltage characteristics of a bipolar membrane :... 200
V.6.3.1.4. Current-voltage characteristics of electrodes : ... 201
V.6.3.2. Current density evaluation : ... 202
V.7. Results and discussion : ... 202
V.7.1. Determination of ED operating parameters : ...202
V.7.1.1. Current-voltage profiles of AEM membrane : ... 202
V.7.1.2. Current-voltage profiles of bipolar membrane : ... 204
V.7.2. Experimental and modelled demineralization process by ED : ...207
V.7.2.1. pH profile : ...208
V.7.2.2. Evolution of acetic acid concentration : ... 209
V.7.2.3. Current density profile : ... 212
V.8. Conclusion : ... 213
V.9. Acknowledgement :... 213
CHAPITRE VI. La désacidification du jus de canneberge protégerait l’intégrité de la barrière intestinale. ... 214
VI.1. Transition contextuelle :... 215
VI.5. Experimental methods : ... 218
VI.5.1. Cranberry juice : ...218
VI.5.2. Deacidification treatment : ...220
VI.5.3. In vitro digestion : ...220
VI.5.4. Co-culture system (Figure VI.1) : ...221
VI.5.5. Analyses : ...222
VI.5.5.1. Titratable acidity : ... 222
VI.5.5.2. Organic acid content : ... 223
VI.5.5.3. Anthocyanin content : ... 223
VI.5.5.4. Proanthocyanidin content : ... 224
VI.5.5.5. Total polyphenols : ... 224
VI.5.5.6. Oxygen radical absorbance capacity (ORAC) : ... 225
VI.5.5.7. Statistical analyses : ... 225
VI.6. Results : ... 225
VI.6.1. Deacidification of cranberry juice : ...225
VI.6.2. Physico-chemical characteristics of deacidified and deacidified/digested cranberry juices : ...226
VI.6.2.1. Organic acid content : ... 226
VI.6.2.2. Proanthocyanidins : ... 228
VI.6.2.3. Anthocyanins : ... 230
VI.6.2.4. Total polyphenol : ... 230
VI.6.2.5. Antioxidant capacity : ... 231
VI.6.2.6. Evolution of inflammatory potential in cell Caco-2 : ... 232
VI.7. Discussion : ... 234 VI.8. Conclusion : ... 236 VI.9. Acknowledgements : ... 237 CHAPITRE VII. Conclusion et Perspectives. ... 238 VII.1. Discussion générale : ... 238
VII.1.1. Retour sur les objectifs et sur l'hypothèse de recherche : ...238
VII.1.2. Avancement des connaissances : ...240
VII.1.3. Applications potentielles : ...242
VII.2. Conclusion : ... 242
VII.2.1. Réalisations : ...242
VII.2.2.Principales limites, contraintes et critiques : ...243
VII.3. Perspectives : ... 244
ANNEXEI. ... 248
A.1.1. Electrodialysis equipement : ...248
A.1.2. Protocol : ...249
A.1.3. Complementary Analyses : ...250
A.1.3.1. pH : ... 250
A.1.3.2. Conductivity : ... 250
A.1.3.4. Current efficiency : ... 250
A.1.3.4.1. Current efficiency in cranberry juice : ... 250
A.1.3.4.2. Current efficiency in acid recovery solution : ... 251
A.2.1. Physico-chemical parameters : ...251
A.2.1.1. Titratable acidity : ... 251
A.2.1.2. pH evolution : ... 252
A.2.1.3. Conductivity : ... 253
A.2.1.4. Total soluble solids : ... 254
A.2.1.5. Organic acid contents : ... 254
A.2.1.6. PACs : ... 256
A.2.1.7. Anthocyanins : ... 257
A.2.1.8. Total polyphenols : ... 257
A.2.2. Electrodialytic parameters : ...258
A.2.2.1. Current efficiency in both recovery and cranberry compartments : ... 258
A.2.2.2. Global system resistance : ... 259
BIBLIOGRAPHIE. ... 260
L
ISTE DES TABLEAUX
:
Chapitre I :
Tableau I.1 : Composition chimique de la canneberge, Vaccinium macrocarpon
(adaptée de Česonienė & Daubaras 2016) ... 9
Tableau I.2 : Composition du jus de canneberge brut ... 23 Tableau I.3 : Composition en antioxydants, en acides organiques et en sucres du jus de
canneberge brut ... 24
Tableau I.4 : Les principales sources de Chitine ... 38 Tableau I.5 : Composition des groupements ioniques fixes de différentes résines
échangeuses d’ions (Zaganiaris 2011) ... 47
Tableau I.6 : Groupements fonctionnels les plus courants dans les membranes
échangeuses d’ions ... 52
Tableau I.7 : Principales applications de l’électrodialyse dans le domaines
agro-alimentaire ... 63
Tableau I.8 : Applications de l’électrodialyse conventionnelle, avec membrane
bipolaire et avec membrane de filtration dans le domaine alimentaire (liste exhaustive) ... 77
Chapitre III :
Table III.1 : Physicochemical characteristics of the clarified and pasteurized cranberry
juice ... 102 Table III.2 : Evolution of mineral contents (in mg/L) in cranberry juice and recovery
solution during treatment with the ED2BM, ED2MUF and EDUF configuration ... 120 Table III.3 : Concentrations of individual anthyocanins (mg/L), proanthocyanidins
(mg/ L) and total polyphenols content (mg/L gallic acid equivalent) in cranberry juices treated using the ED2MB configuration, and in control juice ... 127
Chapitre IV :
Table IV.1 : Composition of solutions for determining the ionic molar conductivity of
each ionic fraction of citric and malic acids ... 140
Table IV.2 : Organic acid concentration (ppm) during EDBM treatment for all model
solutions in both model and acid recovery compartments ... 153 Table IV.3 : Values of ionic molar conductivity (10-4 S.m2.mol-1) obtained by the
mathematical model for each ionic species participating in citric acid and malic acid solutions conductivity ... 160 Table IV.4 : Values of ionic molar conductivity reported in the literature for some
species in aqueous solution without glucose at 25°C at an infinite concentration (Weast et al. 1988; Apelblat 2014). ... 161 Table IV.5 : Distribution of anionic and neutral forms of malic acid as a function of pH
in the acid recovery compartment during deacidification process ... 163 Table IV.6 : Distribution of anionic and neutral forms of citric acid in the acid recovery
compartment as a function of pH during the deacidification process ... 166
Table IV.7 : Mineral ion concentrations (mg.L-1) in the model and acid recovery
solutions for each model solution ... 173
Chapitre V :
Table V.1 : Calculated parameter values of the i/U equation of the AEM membrane (see
eq. 68) ... 203 Table V.2 : Calculated parameter values of the i/U equation of the BIP1, BIP2 and
BIP3 membranes (see eq.65) ... 205
Chapitre VI :
Table VI.1 : Physicochemical characteristics of the clarified and pasteurized cranberry
juice ... 219
Table VI.2 : Evolution of organic acid concentration (mg/L) in deacidified and deacidified/digested cranberry juice ... 227
Table VI.3 : Evolution of proanthocyanidins (mg/L) in deacidified and digested cranberry juice relative to deacidified cranberry juice. ... 229
Table VI.4 : Evolution of total polyphenol concentrations (mg/L) in deacidified cranberry juice, and in deacidified/digested cranberry juice. ... 231
Table VI.5 : Antioxidant capacity (in µM Trolox equivalent/L of juice samples) in deacidified, and in deacidified/digested cranberry juice ... 232
Annexe I :
Table A.1 : Evolution of organic acid concentration (mg/L) in cranberry juice and recovery compartment ... 255Table A.2 : Evolution of proanthocyanidins (mg/L) in cranberry juice ... 256
Table A.3 : Evolution of anthocyanins (mg/L) in cranberry juice ... 257
L
ISTE DES FIGURES
:
Chapitre I :
Figure I.1: Représentation d’une grue à gauche et de la fleur de canneberge à droite
(adaptée de Eck 1990) ... 6 Figure I.2 : Photographie de plants de canneberge ... 6 Figure I.3: Récolte de canneberges en Automne ... 7 Figure I.4: Les structures chimiques des différents groupes de composés phénoliques
(adaptées de Puupponen-Pimia et al. 2004) ... 11 Figure I.5 : Classification de la structure des six anthocyanes présentes dans la
canneberge (adaptée de Watson et al. (2013)) ... 12 Figure I.6: Représentation des quatre formes à l’équilibre d’une molécule d’anthocyane
avec A) le cation flavylium, B) la base carbinol, C) la base quinonique et D) le chalcone (adaptée de Calogero et al. (2015) ... 14 Figure I.7 : Représentation des dimères de proanthocyanidines de a) type A et de b)
type B (adaptée de Watson et al. (2013)) ... 16 Figure I.8 : Représentation des acides organiques majoritairement présents dans le jus
de canneberge et leur caractéristiques physico-chimiques (adaptée de Marletta (1985)) ... 17 Figure I.9 : Distribution des formes dissociées et non dissociées des acides organiques :
citrique (a), malique (b) et quinique (c) en fonction du pH (la barre verticale rouge représentant la valeur du pH dans la canneberge) (adaptée de Serre et al. (2016))... 21 Figure I.10 : Procédé de fabrication du jus de canneberge ... 22 Figure I.11: Les différentes étapes de la diapédèse leucocytaire (adaptées de
Lüllmann-Rauch (2008)) ... 33 Figure I.12 : Représentation de l’extraction d’acide citrique par les membranes liquides
supportées (adaptée de Chanukya et al. (2016)) ... 43 Figure I.13 : Représentation des deux types de résines échangeuses d’ions : a) de type
gel et b) hétérogènes (adaptée de Zaganiaris (2011)) ... 46 Figure I.14 :Système pour mesurer la conductance d’une membrane (adapté de Lteif et
Figure I.16 : Schéma d’un électrodialyseur (adapté de Novelect (1993)) ... 60 Figure I.17 : Système d’électrodialyse à l’échelle laboratoire (a) et à l’échelle
semi-pilote (b) ... 61 Figure I.18 : Principe du fonctionnement de l’électrodialyse conventionnelle (adapté de
Strathmann (2010)) ... 62 Figure I.19 : Principe du phénomène de concentration de polarisation en
électrodialyse : Formation d’un gradient de concentration (adapté de Bazinet (2005)) avec : C+: cations, A-: anions, CEM : membrane échangeuse de cations,
AEM : membrane échangeuse d’anion, δ 1 : couche limite de diffusion du coté
diluat et δ 2 : couche limite de diffusion du coté concentrat ... 68
Figure I.20 : Conséquence du phénomène de concentration de polarisation en
électrodialyse : Obtention d’un courant limite (adaptée de Bazinet (2005)) avec : C+: cations, A-: anions, CEM : membrane échangeuse de cations, AEM : membrane
échangeuse d’anion, δ 1 : couche limite de diffusion du coté diluat et δ 2 : couche
limite de diffusion du coté concentrat ... 69 Figure I.21 : Conséquence du phénomène de concentration de polarisation en
électrodialyse : Passage au niveau sur-limite avec la formation de dissociation des molécules d’eau (adaptée de Bazinet (2005)) avec : C+: cations, A-: anions, CEM :
membrane échangeuse de cations, AEM : membrane échangeuse d’anion, δ 1 :
couche limite de diffusion du coté diluat , δ 2 : couche limite de diffusion du coté
concentrat, CH+ : concentration en ion H+ et COH- : concentration en ion OH- ... 70
Figure I.22 : Courbe courant intensité (adapté de Ibanez et al. (2004)) pour déterminer
la valeur du courant limite ... 71 Figure I.23 : Détermination du courant limite par la méthode de Cowan and Brown
(1959) à l’aide de la résistance en fonction de 1/I ... 72 Figure I.24 : Représentation d’une courbe modèle afin de déterminer les paramètres
sigmoïdaux et électrodialytiques (adaptée de Doyen et al. (2014)) dans le calcul du courant limite ... 72 Figure I.25 : Configuration d’électrodialyse conventionnelle pour la désacidification du
jus de fruit tropicaux (adaptée de Vera et al. (2003)) avec CEM : membrane échangeuse de cations, AEM : membrane échangeuse d’anions, EC : solution aux électrodes, C1 : compartiment 1 et C2 : compartiment 2 et Juice : Compartiment du jus de passion ... 78
Figure I.26 : Configuration d’électrodialyse avec membrane bipolaire pour la
désacidification du vin (adaptée de Rozoy et al. (2013)) avec BP, membrane bipolaire et MA, membrane anionique ... 80 Figure I.27 : Configuration d’électrodialyse avec membrane bipolaire pour la
désacidification du jus de fruit de la passion et de fruits tropicaux (adaptée de Vera
et al. 2007a, (2009)) avec BM, membrane bipolaire et AEM, membrane anionique ... 81
Figure I.28 : Configuration d’électrodialyse avec membrane bipolaire pour la
désacidification du jus de canneberge (adaptée de Rozoy et al. (2015)) avec BP, membrane bipolaire et AEM, membrane anionique ... 82
Chapitre III :
Figure III.1 : Three different ED configurations: a) ED2MB configuration; C1
represents the organic acid recovery compartment (initially a KCl solution at 2 g/L) and C2, the electrode rinsing compartment (NaCl 20 g/L), b) ED2MBUF configuration; C1 represents the organic acid recovery compartment (initially a citrate solution at 15 g/L) and C2, the electrode rinsing compartment (NaCl 20 g/L) and c) EDUF configuration; C1 represents the organic acid recovery compartment (KCl 2 g/L) and C2, the electrode rinsing compartment (NaCl 20 g/L) ... 104 Figure III.2 : Titratable acidity (g/L of citric acid monohydrate equivalents), in
cranberry juice (black bars) and recovery solution (grey bars), in three different ED configurations tested a) ED2MB b) ED2MBUF c) EDUF ... 113 Figure III.3 : pH of cranberry juice (a) and recovery solution (b) during the ED
deacidification processing using three different cell configurations (ED2MB, ED2MBUF, EDUF). ... 115 Figure III.4 : Evolution of conductivity (mS/cm) in cranberry juice (a) and recovery
solution (b) during the ED deacidification processing using the three different cell configurations (ED2MB, ED2MBUF, EDUF) ... 117 Figure III.5 : Evolution of quinic (a), citric (b), malic (c) and succinic acid (d)
concentrations (in mg/L) in cranberry juice (black point) and in recovery solutions (white triangle) , during the ED treatment with the ED2MB configuration ... 123
Figure III.7 : Global system resistance of three configurations tested (ED2MB,
ED2MBUF, EDUF) for cranberry juice deacidification ... 128
Chapitre IV :
Figure IV.1 : Electrodialysis with bipolar membrane configuration used for
deacidification of model solutions ... 138 Figure IV.2 : pH in the model solution (a) and acid recovery (b) compartments for the
three model solutions treated by EDBM ... 147
Figure IV.3 : Conductivity (mS.cm-1) in the model solutions (a) and acid recovery (b)
compartments for the three model solutions treated by EDBM ... 149
Figure IV.4 : Titratable acidity (g.L-1 of citric acid monohydrate equivalents) in both
model solution (black bars) and acid recovery (grey bars) compartments for the three model solutions treated by EDBM : a) malic acid b) citric acid and c) mix of citric and malic acids ... 151
Figure IV.5 : Evolution of organic acid concentrations (mol.L-1) as a function of time in
the three model solutions treated by EDBM : a) malic acid b) citric acid and c)
mix of citric and malic acids. ... 155
Figure IV.6 : Number of charges transported (C) as a function of time for the three
model solutions ... 157 Figure IV.7 : Evolution of individual species and total conductivity as a function of
volume for a) citric acid solution without glucose and b) citric acid solution with
glucose ... 158 Figure IV.8 : Evolution of individual species and total conductivity as a function of
volume for a) malic acid solution without glucose and b) malic acid solution with
glucose ... 159
Figure IV.9 : Comparison of both theoretical and experimental migration flows of
malic acid, in malic acid model solution, for each charge simulation of a) zk=1 and
b) zk =2 ... 165
Figure IV.10 : Comparison of both theoretical and experimental migration flows of
Figure IV.11 : Comparison of both theoretical and experimental migration flows of
citric and malic acid, in the mixture model solution for a) zk=1,1, b) zk=1,2 and c)
zk=1,3. ... 170
Figure IV.12 : Comparison of the amounts of H+ electrogenerated total (H+ total,
meq/L) and migrated anions (meq/L) during EDBM treatment of the malic acid
model solution with a) zk=1 and b) zk=2. ... 176
Figure IV.13 : Comparison between the theoretical and the experimental pH during the
EDMB process of malic acid model solution ... 177
Figure IV.14 : Comparison of the amounts of H+ electrogenerated total (H+ total,
meq/L), and migrated anions (meq/L) during EDBM treatment of the citric acid
model solution with a) zk =1 b) zk =2 and c) zk =3. ... 179
Figure IV.15 : Comparison of the theoretical and the experimental pH during the
EDBM treatment for citric acid model solution ... 180
Figure IV.16 : Comparison of the amounts of H+ electrogenerated total (H+ total,
meq/L) and migrated anions (meq/L) during EDBM treatment of the mixture model solution of citric and malic acids with a) zk =1,1 b) zk = 1,2 c) zk = 1,3 ... 181
Figure IV.17 : Comparison of the theoretical and the experimental pH during the
EDMB treatment for citric and malic acid model solutions. ... 182
Chapitre V :
Figure V.1 : Electrodialytic configuration used for deacidification of acetic acid model
solution ... 191 Figure V.2 : Determination of linear sweep voltammetry of bipolar and anion-exchange
membranes with the voltammetry measurement cell. A: Ag/AgCl probes; M: bipolar or anion-exchange membrane; S1, S2: two different electrolyte solutions (KCl, 0.03 mol.L-1; or NaCl, 0.34 mol.L-1; or acetic acid, 0.05 mol.L-1) ... 192
Figure V.3 : Experimental and modelled current-voltage curves of AEM equilibrated in
Figure V.4 : Experimental (dotted lines) and modelled (dash lines) current-voltage
curves of BIP1, BIP2 and BIP3 equilibrated in S1 (NaCl, 0.34 mol.L-1)/S2 (KCl,
0.03 mol.L-1); S1 (Acetic acid, 0.05 mol.L-1)/S2 (KCl, 0.03 mol.L-1) and S1 (Acetic
acid, 0.05 mol.L-1)/S2 (NaCl, 0.34 mol.L-1) respectively, with the voltammetry
measurement cell ... 206 Figure V.5 : Experimental and modelled pH evolution in diluate (acetic acid) and
concentrate (KCl) solutions during ED process. ... 209 Figure V.6 : Experimental and modelled acetic acid concentration in diluate and
concentrate solutions during ED process ... 210
Figure V.7 : Evolution of individual species concentrations, expressed as pCk function,
in diluate and concentrate solutions during ED process: h, concentration of H+, w,
the concentration of OH-, b, the concentration of the acetate base anion and a, the
concentration of acetic acid ... 211 Figure V.8 : Evolution of current density during the deacidification of acetic acid
solution by ED; comparison between modelled and experimental data. ... 212
Chapitre VI:
Figure VI.1 : Co-culture system constructed with Caco-2 cells monolayers and THP-1
cells. Deacidified cranberry juice was added to the apical compartment of this co-culture system ... 222 Figure VI.2 : Effect of different deacidification rates of cranberry juice on ΔTEER
(Ω*cm2) of Caco-2 monolayers (* P < 0.05, ** P < 0.01, *** P < 0.001, n.s P >
0.05) ... 233
Annexe I :
Figure A.1 : ED Configuration for cranberry juice deacidification ... 249 Figure A.2 : Titratable acidity (g equivalent of citric acid monoghydrate /L) in both
Figure A.3 : Evolution of pH in both cranberry juice (red) and recovery compartments
(blue) during the deacidification by ED process. ... 253 Figure A.4 : Evolution of conductivity in both cranberry juice (red) and recovery
L
ISTE DES ABBREVIATIONS ET DES SIGLES
:
BP/BIP : Membranes bipolaires DP : Degré de polymérisation ED : Électrodialyse
EDMB : Électrodialyse avec membrane bipolaire
ED2MB : Électrodialyse avec deux membranes bipolaires et une membrane anionique ED2MBUF : Électrodialyse avec deux membranes bipolaires et une membrane d’ultrafiltration
EDMF : Électrodialyse avec membrane de filtration EDUF : Électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration HBSS : Solution saline équilibrée de Hank
HPLC : Chromatographie Liquide à Haute Performance ICP : Spectrométrie à plasma à couplage inductif
INAF : Institut sur la nutrition et les aliments fonctionnels LCD : Densité de courant limite
LDL : Lipoprotéine à faible densité LSV : Voltamétrie de balayage linéaire
MAPAQ : Minitière de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’alimentation au Québec MEA/AEM : Membrane échangeuse d’anions
MEC/CEM : Membrane échangeuse de cations MEI /IEM : Membrane échangeuse d’ions MW : Poids moléculaire
ODE : Équation différentielle ordinaire
ORAC : Capacité d’absorption du radical oxygène PACs : Proanthocyanidines
PP : Polypropylène PS : Polysulfone
UF : Membrane d’ultrafiltration SPE : Extraction en phase solide TA : Acidité titrable
TEER : Résistance Électrique TransEpithéliales
«
La vie est comme une bicyclette,
Il faut avancer
pour ne pas perdre l’équilibre
»
Albert Einstein
R
EMERCIEMENTS
:
En préambule à cette thèse de doctorat, je souhaite adresser mes remerciements aux personnes qui ont contribué à l’élaboration de ces travaux et qui m’ont aidé tout au long de ma thèse. Ce présent travail a été réalisé au sein de l’Institut sur la Nutrition et les Aliments Fonctionnels (INAF) dans l’équipe du laboratoire de transformations alimentaires et procédés électromembranaires sous la direction du Professeur Laurent Bazinet.
Pour commencer, je tiens à remercier le professeur Laurent Bazinet pour m’avoir accueilli au sein de son équipe ; merci d’avoir eu confiance en moi pour mener à bien ce projet de désacidification du jus de canneberge. Je souhaiterais également le remercier pour le dynanisme, la patience, l’enthousiasme, le soutien et surtout la grande disponibilité qu’il a pu m’apporté au cours de ces trois années de thèse de doctorat.
De plus, j’aimerais remercier mes deux co-directrices de mon projet, Dr Stella Lacour et Dr Karine Pedneault pour toutes les précieuses recommandations, soutiens et aussi les révisions apportées à mes articles scientifiques. Je remercie également le Dr Philippe Sistat pour m’avoir fait partagé son savoir sur l’électrochimie et la modélisation de procédé d’électrodialyse.
Je remercie tout particulièrement le Dr Jean Amiot d’avoir eu la gentillesse d’effectuer la prélecture de cette thèse et pour ses précieux conseils. Je remercie également le Dr Yves Pouliot et le Dr Bart Van der Bruggen d’avoir accepté d’évaluer cette thèse de doctorat.
Mes remerciements vont également aux professionnels de recherche, Mr. Pascal Dubé, Mme Véronique Richard, Mme Diane Gagnon, Mme Elodie Rozoy et Mme Jacinthe Thibodeau pour leur conseil technique, leur soutien et leur gentillesse.
Un merci tout particulier à mes collègues étudiants qui m’ont accompagné au cours de ces trois années : Véronique, Valérie, Sergey, Shyam, Stéphanie, Loic, Pamela, Emna, Agathe, Mathilde, Ourdia, Abdel, Alice, Guillaume, Rachel, Mélanie et tous ceux que j’oublie. Grâce à vous, cette expérience fut extraordinairement riche en
Sur le plan plus personnel, je souhaite remercier ma famille pour le soutien moral et leurs encouragements durant ces années. Je dédie ma thèse tout particulièrement à ma tante, Nicole, qui m’a enseigné le goût du dépassement et qui a toujours cru en moi. J’espère que quelque soit l’endroit où elle se trouve, ma tante est fière du chemin que j’ai parcouru. Et pour conclure, les mots me manquent pour remercier mon compagnon, Clément, à sa juste valeur pour avoir compris mes doutes, mes craintes, mes angoisses et pour avoir toujours été là pour m’aider à les surmonter. Merci d’avoir toujours cru en moi !!
A
VANT
-
PROPOS
:
La présente thèse de doctorat s’intéresse au développement d’un nouveau produit fonctionnel sur le marché alimentaire répondant au mieux aux attentes des consommateurs. Il s’agit de mettre en place l’utilisation d’une technologie récente respectant l’environnement et les qualités organoleptiques du produit dans la chaîne de production du jus de canneberge. Pour relater les résultats, cette thèse de doctorat s’articule en sept chapitres dont quatre sont présentés en anglais sous forme d’articles scientifiques. Dans les quatre articles scientifiques présentés dans la thèse de doctorat, mademoiselle Elodie Serre1,2 est le premier auteur et a été responsable de la conception,
de la planification et de l’exécution des expériences et aussi de la rédaction des quatre articles scientifiques. Elodie Rozoy1,2, a apporté son aide dans l’exécution des
expériences et des analyses scientifiques. Les Dr Stella Lacour4 et Dr Karine Pedneault3,
co-directrices de ce projet ont contribué à la conception des expériences mais aussi à la discussion et à la révision des articles. Les Dr Philippe Sistat4 et Dr. Yvan Boutin5,
collaborateurs du projet, ont été essentiels à la conception de la modélisation et des essais in vitro sur les cellules Caco-2, respectivement, dans les chapitres 4, 5 et 6 de cette thèse de doctorat. Madame Marie-Eve Langevin6 et le Dr Florence Lutin7,
collaboratrices du projet, ont apporté leur aide lors de la mise à échelle du procédé d’électrodialyse dans le chapitre 6 de cette thèse de doctorat. Le Dr Laurent Bazinet1,2,
directeur du projet, a été responsable de la conception et de la planification des expériences mais aussi de la discussion et de la révision des articles scientifiques.
Le premier chapitre intitulé « Revue de littérature » introduit les connaissances actuelles sur la canneberge, les problématiques concernant la consommation à long terme de jus de canneberge ainsi que les méthodes actuellement disponibles pour désacidifier le jus de fruit. Une attention particulière sera portée sur une récente technologie environnementale ayant de nombreuses applications en industrie alimentaire, l’électrodialyse.
Le deuxième chapitre fait état du contexte et de la problématique de l’étude et présente l’hypothèse de recherche ainsi que les objectifs.
Le troisième chapitre intitulé « Deacidification of cranberry juice by electrodialysis : Impact of membrane types and configurations on acid migration and juice physicochemical characteristics » est un article scientifique traitant du premier objectif de cette thèse de doctorat : Impact du type de membranes et des configurations électrodialytiques sur la désacidification du jus de canneberge. Cet article a été publié dans Separation and Purification Technology (2016).
Les auteurs sont : Elodie Serre, Elodie Rozoy, Karine Pedneault, Stella Lacour et Laurent Bazinet. (2016). Vol. 163, pp. 228-237”.
Le quatrième chapitre intitulé « Determination of the predominant acid anionic forms migrating during deacidification of organic acid model solutions » s’intéresse aux comportements des acides organiques présents dans le jus de canneberge lors de leur migration à travers la membrane échangeuse d’anions durant le procédé d’électrodialyse. Cette partie répond au premier point de l’objectif 2 de la thèse de doctorat. Cet article est en attente de soumission dans Journal of Membrane Science. Les auteurs sont : Elodie Serre, Philippe Sistat, Stella Lacour et Laurent Bazinet.
Le cinquième chapitre a également été rédigé sous forme d’un article scientifique intitulé « Modelling the deacidification of an organic acid solution by bipolar membrane electrodialysis: coupling of transport phenomena and chemical reactions » répondant au dernier point de l’objectif 2 de cette thèse de doctorat. Il a fait l’objet d’une étude de modélisation sur la migration d’un acide organique à travers une membrane échangeuse d’anions durant le procédé d’électrodialyse. Cet article est en soumission dans Journal of Membrane Science.
Le sixième chapitre intitulé « Deacidification of cranberry juice protects against disruption of intestinal cell barrier integrity » porte sur les effets bénéfiques sur la santé de la désacidification du jus de canneberge (objectif 3 de la thèse de doctorat). Cet article a été publié dans le Journal of Functional Food (2016).
Les auteurs sont: Elodie Serre, Yvan boutin, Marie-Eve Langevin, Florence Lutin, Karine Pedneault, Stella Lacour et Laurent Bazinet (2016), Vol. 26, pp. 208-216.
Enfin, le septième chapitre présente la conclusion générale du présent projet ainsi que les perspectives pour apporter une meilleure valorisation des résultats dans le cadre de cette thèse de doctorat.
1 Institut sur la Nutrition et les Aliments Fonctionnels (INAF) et Laboratoire de transformation
alimentaire et des procédés électro-membranaires (LTAPEM), Québec (QC), Canada, G1V 0A6, 2
Département des Sciences des Aliments, Pavillon Paul Comtois, Université Laval, Québec (QC), Canada,
G1V 0A6, 3Centre de Développement Bioalimentaire du Québec (CDBQ), Saint Anne-de-la-Pocatière
(QC), Canada, GOR 1Z0, 4Institut Européen des Membranes (IEM), Université de Montpellier, Place
Eugène Bataillon, Montpellier, France, 34095, 5Centre de recherche et de transfert en biotechnologies
I
NTRODUCTION
:
La canneberge, Vaccinium macrocarpon, appartient à la famille des éricacées poussant dans des milieux humides. À l’origine, les peules des Premières Nations utilisaient la canneberge à des fins alimentaires et surtout médicinales (lutte contre le scorbut) (Eck 1990). La production mondiale de canneberge est située à 95% en Amérique du Nord : en 2013, le Québec occupait le troisième rang mondial au niveau de la production de canneberges avec ses 3622 hectares et en 2016, il a atteint le premier rang mondial au niveau de la production de canneberges biologiques. Actuellement, 40% de la production de canneberges sont destinés à la fabrication de jus de canneberge (Poirier 2010).
Le jus de canneberge est connu par les consommateurs pour ses nombreux effets bénéfiques sur la santé : prévention des infections urinaires, des maladies cardiovasculaires et également de la carcinogénèse. Effectivement, ce jus est composé d’une quantité importante d’antioxydants notamment des composés phénoliques comme les proanthocyanidines et les anthocyanes. Des travaux ont montré que les proanthocyanidines avaient un effet inhibiteur sur l’adhésion des bactéries, Escherichia Coli, à la paroi des cellules uro-épithéliales (Howell et al. 1998; Feliciano et al. 2015). Ces composés phénoliques présents dans la canneberge ont tendance à diminuer l’oxydation des lipoprotéines à faible densité (LDL) et l’hypertension artérielle (Watson et al. 2013).
Ce jus de fruit possède donc de réelles vertus intéressantes pour la santé humaine faisant de ce produit un aliment fonctionnel d’après Santé Canada. Néanmoins, une consommation à long terme de ce jus peut entraîner chez certains consommateurs des effets gastro-intestinaux indésirables. Celui-ci possède une quantité importante d’acides organiques pouvant à long terme générer des troubles intestinaux (Wing et al. 2008). Des taux d’abandon d’environ 40% ont été observés dans les études cliniques sur le jus de canneberge brut en lien soit avec la présence potentielle d’effets secondaires, soit un mécontentement face à la palatabilité du jus (McMurdo et al. 2005; Wing et al. 2008; Rg et Jc 2009) .
Actuellement, de nombreux industriels utilisent l’ajout de sucre ou le mélange avec des jus de fruit naturellement sucrés comme le jus de raisin ou le jus de pomme pour pallier cette trop forte acidité. Or, la tendance actuelle sur le marché alimentaire est tournée vers des aliments fonctionnels et surtout des aliments sans sucres ajoutés. Les consommateurs se préoccupent de plus en plus de la composition des aliments transformés et de l’impact de l’alimentation sur la santé et sur l’environnement. Des méthodes de désacidification des jus de fruit peuvent être utilisées pour éviter ces ajouts de sucres dans le produit. De nos jours, deux méthodes principales pour désacidifier un jus de fruit sont appliquées: les résines échangeuses d’ions et la précipitation aux sels de calcium (Steele & Kunkee 1978; Beelman & Gallander 1979; Johnson & Chandler 1985a; Vera et al. 2003). Cependant, ces deux méthodes engendrent des effets négatifs sur les qualités organoleptiques du produit et sur l’environnement dû aux volumes importants d’effluents chimiques générés (Vera 2003; Vera et al. 2003). Récemment, l’électrodialyse conventionnelle et l’électrodialyse avec membrane bipolaire ont été appliquées à la désacidification de certains jus de fruit, à l’échelle laboratoire : jus de citron, jus de fruits tropicaux, jus de fruit de la passion et jus de canneberge (Voss 1986; Vera et al. 2007a; Rozoy et al. 2015). Plusieurs avantages de ces technologies ont été mis en évidence tels que l’absence d’ajout de produits chimiques dans l’aliment et l’absence d’effluents chimiques. Cependant, à ce jour, l’électrodialyse avec membrane bipolaire n’a pas permis de désacidifier du jus de canneberge à un degré suffisant pour améliorer sa palatabilité et cela, tout en conservant ses qualités organoleptique et compositionnelle. De plus, aucune étude ne s’est intéressée à l’effet sur la paroi intestinale d’un jus désacidifié et du taux de désacidification à atteindre.
Dans ce contexte, le but de ce projet est de développer, par procédé électrodialytique, un jus de canneberge ayant une concentration en acides organiques diminuée et conservant ses composés bénéfiques sur la santé. L’objectif général est d’étudier l’impact de différentes configurations électromembranaires sur la diminution de la concentration en acides organiques du jus de canneberge et ses propriétés physico-chimiques afin d’obtenir une configuration optimale en termes de paramètres de procédé, et d’évaluer la réponse intestinale inflammatoire du jus traité.
La première partie de ce travail sera une revue de littérature divisée en quatre sections. Les deux premières sections seront destinées à la canneberge et aux jus de canneberge, respectivement. La troisième section présentera les différentes méthodes existantes pour désacidifier des jus de fruit et enfin la dernière se focalisera sur une méthode séparative, l’électrodialyse. Cette revue de littérature apportera les informations nécessaires pour introduire la problématique du projet de recherche, son hypothèse ainsi que les objectifs spécifiques. Les quatre chapitres suivants présenteront les résultats des différents protocoles établis pour répondre au mieux aux objectifs. Enfin, dans un dernier chapitre, une discussion générale ainsi qu’une conclusion nous permettront de faire un retour sur les objectifs et sur l’hypothèse de recherche tout en résumant les principaux résultats obtenus et les perspectives futures du projet seront présentées, en dernière partie.
C
HAPITRE I
.
R
EVUE DE LITTERATURE
I.1. La Canneberge : I.1.1. Historique :
Les anciens peuples autochtones d’Amérique du Nord étaient déjà conscients des propriétés curatives de la canneberge notamment pour les rhumes, les problèmes digestifs et les infestions urinaires. À l’époque, les marins américains utilisaient ces baies, Vaccinium macrocarpon, pour la prévention du scorbut. Le capitaine Henry Salle a débuté la plantation de la canneberge dans le Massachussetts en 1816. C’est en 1850, que la plantation s’est développée rapidement pour atteindre 1600 hectares. Depuis le 19ème siècle, le nombre de plantations de canneberges ne cesse d’augmenter (Allais
2009; Poirier 2010; Česonienė & Daubaras 2016). Actuellement, les principales régions productrices de canneberge sont le Wisconsin et le Massachussetts pour l’Amérique du Nord. Au Canada, c’est en 1939, que la culture de canneberge fut établie, plus spécifiquement dans les provinces de Québec, Nouvelle-Ecosse et Colombie-Britannique (Poirier 2010).
En outre, l’origine du mot canneberge fait référence à une tête de grue. Effectivement, la fleur de canneberge a une forte ressemblance avec une tête de grue (Figure I.1). Ce petit fruit fut ainsi nommée « baie de grue » (« craneberry ») générant plus tard le nom canneberge (« cranberry ») (Eck 1990).
Figure I.1: Représentation d’une grue à gauche et de la fleur de canneberge à droite
(adaptée de Eck 1990) I.1.2. Origine Botanique :
La canneberge (Figure I.2) appartient à la famille des Ericacées et au genre Vaccinium. Plusieurs cultivars de canneberge existent, les plus connus étant Vaccinium macrocarpon (originaire d’Amérique du Nord) et Vaccinium oxycoccus (originaire d’Europe). Pour obtenir de meilleures adaptations aux climats et aux maladies, différentes variétés ont été développées : « Early Black », « Howes », « Mc Farlin », « Stevens », etc. Le cultivar « Stevens », le plus répandu au Québec, est un nouvel hybride apparu dans les années 1950 représentant 1/3 du total des plantations de canneberges aux Massachussetts (Česonienė & Daubaras 2016).
La canneberge est un arbuste à tiges rampantes horizontales pouvant atteindre jusqu’à 2 mètres de long générant des fruits ellipsoïdes ou piriformes de 1 à 2,5 cm de diamètre, de couleur rouge, violette ou blanche. C’est uniquement dans les tourbières drainées, fertilisées et acides (pH entre 4 et 5) et où les sols sont très riches en composés organiques, que la plantation de canneberge peut se réaliser (Poirier 2010; Česonienė & Daubaras 2016).
I.1.3. Culture de la canneberge :
Trois conditions sont essentielles pour la culture de ce petit fuit : un sol sablonneux et acide, des températures froides et un approvisionnement en eau conséquent. La floraison commence au printemps et la récolte de ce petit fruit débute en septembre-octobre (Poirier 2010). Afin de faciliter la récolte, des nouvelles alternatives ont été mises en place notamment l’inondation des champs afin de pouvoir les ramasser mécaniquement (Figure I.3) (Poirier 2010).
Figure I.3: Récolte de canneberges en Automne
D’un point de vue économique, 95 % de la production mondiale de canneberges est située en Amérique du Nord représentant 80 % des superficies de canneberges dans
le monde. Dans la province du Québec, la culture de canneberges ne cesse d’augmenter : la superficie de production a été multipliée par 13 depuis ses dernières années (de 245 hectares à 3240 hectares). Effectivement, les sols au centre du Québec sont très favorables à la culture de ce petit fruit (Česonienė & Daubaras 2016). Il y a 2 millions d’années, des conditions climatiques ont conduit à une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires. Lors de la fonte des glaces, les terres entre Ottawa et Québec furent nommées la mer de Champlain. Cette dernière s’est retirée, il y a 9500 ans, et le fleuve Saint Laurent a alors acquis son régime hydrologique actuel. Ainsi, de nombreux dépôts sableux et organiques dans la mer de Champlain ont eu lieu, conduisant à la formation d’écosystèmes tourbeux rendant ainsi les terres du Centre du Québec propices à la production de canneberge. Le Québec se distingue des autres régions par sa production de canneberges biologiques (Poirier 2010).
Pour finir, à l’échelle industrielle, 40% de la production de canneberge sont destinés à la fabrication de jus (Poirier 2010). L’emphase sera donc mise dans la suite de cette présentation sur la fabrication et la composition du jus de canneberge.
I.1.4. Composition de la canneberge :
La composition de la canneberge, présentée dans le tableau I.1, est consitutée principalement d’eau, de sucres, d’acides organiques, de composés phénoliques et de minéraux.
Tableau I.1 : Composition chimique de la canneberge, Vaccinium macrocarpon
(adaptée de Česonienė & Daubaras 2016)
Composants Quantité
Humidité (%) 84,8 – 88,0
Matière sèche (%) 9,2 – 15,2
Minéraux (%) 0,2 – 0,23
Acidité titrable (g d’acide citrique /100 mL) 1,9 – 2,4
Monosaccharides (%) 3,4 – 7,1
Sucrose (%) 3,9 – 5,3
Fructose (%) 1,0 – 2,2
Pectines (%) 0,4 – 1,3
Acide ascorbique (mg/100g) 7,5 – 32,1
Ce petit fruit possède également des molécules antioxydantes (Vinson et al. 2001). Ces molécules, c’est à dire les composés phénoliques, partagent une structure de squelette chimique de base commune et sont divisés en six sous-classes (flavonols, flavones, flavanones, isoflavones, anthocyanes et les proanthocyanidines) (Watson et al. 2013). Ces composés phénoliques sont présents à une concentration de l’ordre de 500 à 709 mg d’équivalents d’acide gallique/ 100 g de canneberge. La canneberge possède une forte teneur en composés phénoliques comparativement aux bleuets qui en possèdent environ 258 – 531 mg/100g (Wu et al. 2004) .
De plus, ces composés phénoliques totaux tels que les anthocyanes et les proanthocyanidines apportent au jus de canneberge des propriétes organoleptiques spécifiques tels que l’amertume et l’astringence. Des travaux ont démontré que la présence de proanthocyanidines engendre selon leur degré de polymérisation des qualités organoleptiques particulières tels que l’amertume, pour des proanthocyanidines à faible degré de polymérisation et l’astringence, pour des proanthocyandines à fort degré de polymérisation (Soares et al. 2015).
Enfin, la canneberge possède une concentration élevée en acides organiques. La canneberge possède une acidité titrable de l’ordre de 19- 24 g d’acide citrique/L tandis que le jus de citron pur a une acidité titrable de l’ordre de 52,4 g/L d’acide citrique /L (Lorente et al. 2014). À l’inverse, le jus d’orange a une teneur en acides organiques moindre que le jus de canneberge, l’acidité titrable du jus d’orange est d’environ 0.5 à 1,1 g d’acide citrique /L (Nagy 1980). Ces composés sont donc responsables du goût très acidulé du produit.
I.1.4.1. Composés antioxydants - Anthocyanes et
proanthocyanidines :
Les composés phénoliques constituent un groupe majeur d’antioxydants. Ce sont des métabolites secondaires participant au système de défense et de survie chez les plantes. Leur rôle principal est de protéger la plante contre les stress lumineux, oxydatif et également les prédateurs tels que les insectes et les herbivores. Ces composés phénoliques sont constitués d’au moins un cycle aromatique hydrocarboné possédant une ou plusieurs fonctions hydroxyles. Les composés phénoliques sont divisés en plusieurs groupes : de l’acide phénolique au polymère de catéchine ou épicatéchine par exemple (Figure I.4) (Puupponen-Pimia et al. 2004; Watson et al. 2013).
Figure I.4: Les structures chimiques des différents groupes de composés phénoliques
(adaptées de Puupponen-Pimia et al. 2004)
Parmi les polyphénols totaux, se trouvent deux groupes de composés: les anthocyanes et les proanthocyanidines. Dans le cadre de cette thèse, l’accent sera mis sur ces deux composés phénoliques compte tenu de leur concentration et de leur impact sur l’acceptabilité organoleptique du jus de canneberge.
Phénoliques alimentaires
FlavonoÏdes
Anthocyanes
IsoflavonoÏdes Lignanes S lbènes Acides phénoliques polymères phéno‐
liques Proanthocyanidines Apigenine Querce ne Naringenine Cathechine Cyanidine Daidzeine Coumestrol
Matairesinol Resveratrol Acide cinnamique
Casuaric ne
Trimère de Procyanidine (Flavanol)
I.1.4.1.1. Anthocyanes :
Les anthocyanes, solubles dans l’eau, sont des pigments naturels situés dans les vacuoles des cellules de feuilles, de pétales ou de fruits. Ces composés sont responsables de la couleur du fruit pouvant aller du rouge au bleu dans le spectre du visible. Les anthocyanes font partie des flavonoïdes et sont composées d’un squelette carboné possédant deux cycles benzoyles (A et B) et d’un hétérocycle (C) (Figure I.5). Le poids moléculaire de ces composés peut aller de 400 à 1200 Daltons. Il faut noter que plus de 600 anthocyanes à l’heure actuelle ont été identifiées. Cependant dans la canneberge, seulement six anthocyanes sont connus: cyanidine, peonidine, pelargonidine, petunidine, delphinidine et malvidine (Watson et al. 2013).
Figure I.5 : Classification de la structure des six anthocyanes présentes dans la
canneberge (adaptée de Watson et al. (2013))
Ces molécules sont construites sur un même squelette carboné très instable; le flavylium. Elles vont s’associer à des molécules de sucres en position C-3 du cycle central (C) ou en position C-5,7 du cycle A leur conférant une stabilité thermodynamique. Ces fragments de sucres tels que le glucose, rhamnose, galactose ou arabinose peuvent se lier en liaison α ou β pour former des mono ou des disaccharides.
Cyanidine R1= OH, R2= H
Pelargonidine R1= H, R2= H
Peonidine R1= OCH3, R2= H
Delphinidine R1= OH, R2= OH
Petunidine R1= OCH3, R2= OH
Malvidine R1= OCH3, R2= OCH3
R3 = Glucose, galactose ou arabinose
Les anthocyanes sont donc constituées d’un composé anthocyanine en présence de sucre.
En outre, les caractéristiques physico-chimiques de ces molécules dépendent de certains facteurs environnementaux tels que le pH, la nature du solvant, la présence de lumière ou d’oxygène. En milieu aqueux, les anthocyanes sont présentes en équilibre sous 4 formes : le cation flavylium, la base quinonique, la base carbinol et le chalcone (Figure I.6). Entre les pH 1 et 2, la forme prédominante est le cation flavylium. Cette molécule est, à ces valeurs de pH, chargée positivement ce qui lui donne sa couleur rouge. Une augmentation de pH est caractérisée par la génération de la base quinonique responsable de la couleur bleue (pH 2 - 4) puis de la base carbinol (incolore) et enfin la forme chalcone responsable de la couleur jaune (pH 4- 6). L’absorption, le métabolisme et la biodisponibilité des anthocyanes diffèrent selon la forme dans laquelle elles vont prédominer (Mazza & Miniati 1993; de Pascual-Teresa & Sanchez-Ballesta 2008; Thomasset et al. 2009).
Figure I.6: Représentation des quatre formes à l’équilibre d’une molécule d’anthocyane
avec A) le cation flavylium, B) la base carbinol, C) la base quinonique et D) le chalcone (adaptée de Calogero et al. (2015)
La quantité d’anthocyanes totale est de l’ordre de 13,6 à 171 mg/100g dans la canneberge selon les cultivars (Pappas & Schaich 2009). Les deux plus anciens cultivars « Early Black» et «Searles» possèdent une quantité d’anthocyanes totales plus importante de l’ordre de 225 mg/100g et de 198,8 mg/100 g respectivement. Enfin, selon la couleur de certaines baies de canneberges, le taux peut varier : pour les baies les plus claires 25,3 – 25,5 mg/100g et pour les baies les plus foncées 79,9- 61,3 mg/100g.
A
B
I.1.4.1.2. Proanthocyanidines :
Les proanthocyanidines, nommées PACs, sont des molécules très résistantes à la chaleur et à une endoprotéase, la trypsine, et non dialysables. Elles sont considérées elles-aussi comme des métabolites secondaires chez les plantes. Les proanthocyanidines peuvent être retrouvées dans certains jus de fruit comme le bleuet, la myrtille mais aussi dans des produits comme le cacao, le curry et les noisettes. Les PACs sont composées de plusieurs molécules pouvant former des monomères, des oligomères et des polymères d’épicatéchines. Elles sont retrouvées sous trois types de formes différentes : les PACs de type A et de type B. Les PACs de type A sont présentes dans trois types d’aliments : la canneberge, l’avocat et la prune. Les PACs de type B sont présentes dans une trentaine d’autres produits alimentaires. La différence entre ces deux types de PACs est au niveau de leur structure chimique. Effectivement, les PACs de type A possèdent deux doubles liaisons inter-flavanols (épicatéchine 2 β 7, 4β 8 épicatechine) alors que les PACs de type B n’ont qu’une seule liaison (épicatechine 4β 8 épicatechine) (Tarascou et al. 2011; Blumberg et al. 2013) (Figure I.7).
