Contribution au développement d’un procédé de conservation de la betterave rouge (Beta vulgaris L.) par blanchiment et saumurage dans des solutions de sels d’acides organiques électro-activés

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Contribution au développement d’un procédé de

conservation de la betterave rouge (Beta vulgaris L.) par

blanchiment et saumurage dans des solutions de sels

d’acides organiques électro-activés

Mémoire

Martin Rico Alvarado

Maîtrise en génie agroalimentaire - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

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Contribution au développement d’un procédé

de conservation de la betterave rouge (Beta

vulgaris

L.) par blanchiment et saumurage

dans des solutions de sels d’acides

organiques électro-activés

Mémoire

Martin Rico Alvarado

Sous la direction de :

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RÉSUMÉ

Les solutions électro-activées (SEA) obtenues par excitation électrique de solutions aqueuses sont actuellement étudiées par leur haut potentiel de préservation des aliments en raison de leurs propriétés antimicrobiennes et sporicides. Ainsi, ce projet visait à électro-activer des solutions aqueuses de citrate (CS), de propionate (PS) et d’acétate de sodium (AS) pour les utiliser comme saumures dans un procédé de conservation de betterave rouge (BR). Dans ce projet, le taux d’acidité titrable (% AT), le pH et le potentiel oxydo-réduction (POR) des SEA générées ont été étudiées en fonction de la concentration du sel, de l’intensité de courant électrique (IC) appliquée et du temps de traitement qui s’est étalé sur une période de 75 minutes. Ensuite, trois SEA de chaque type de sel ont été sélectionnées selon le % d’AT : minimal (≈0,8), moyen (≈1,3) et maximale (≈1,5) et utilisées tant pour blanchir des morceaux de BR à 90 °C pendant 3 min comme que pour la mise en conserve du produit. La qualité microbiologique, chromatique et texturale a été évaluée en fonction du type de SEA utilisé pour la conservation du produit pendant un mois. Les résultats obtenus montrent que l’IC est le facteur qui influence significativement les propriétés des SEA. Des valeurs de pH de 1,5 à 4, de POR d’environ +500 mV pour le citrate et +1200 mV pour le propionate et l'acétate, et un % d’AT de 0,8 à 2 mmole/L (1.5 pour l’acétate de sodium) ont été obtenues. Les SEA de citrate de sodium et de propionate de sodium ont montré une très bonne activité antimicrobienne même à 0,8 % d’AT, tandis que pour l’acétate de sodium, cette activité était observée à 1,5% d’AT. La couleur est devenue plus pâle avec le temps de conservation et la force de mastication a été en général peu affectée.

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ABSTRACT

Electro-activated solutions (EAS) obtained by electrical excitation of aqueous solutions are currently being studied for their high food preservation potential due to their antimicrobial and sporicidal properties. Thus, this project was aimed to electro-activate aqueous solutions of sodium citrate (CS), sodium propionate (PS) and sodium acetate (AS) to use them as brines in a conservation process of beetroot (BR). In this project, the electro-activated solutions titratable acidity (% TA), the pH and the oxidation-reduction potential (ORP) of the generated EAS were studied as a function of the salt concentration which was set for a total period of 75 minutes. Then, three EAS of each type of the used salts of organic acids were selected according to their % of TA: minimum (≈0.8), medium (≈1.3) and maximum (≈1.5), and were used in combination with a blanching process at temperature of 90 ° C for 3 min as a process for beetroot canning. The microbiological, chromatic and textural quality of the canned product was evaluated according to the type of ESA used for the preservation of the product during one month at ambient temperature (23 ± 1 °C). The results obtained showed that the CI is the factor which significantly (p < 0.001) influenced the properties of the ESA. The pH values of 1.5 to 4, ORP of around +500 mV for the electro-activated (EA) sodium citrate solution and +1200 mV for the EA sodium propionate and sodium acetate solutions, and %AT of 0.8 to 2 mmole/L (1.5 for EA sodium acetate solution) were obtained. The EAS of sodium citrate and sodium propionate showed very good antimicrobial activity even at 0.8% of TA, while for the EA sodium acetate solution, this activity was observed at 1.5% TA. The color of the canned beetroot became lighter over time and the corresponding chewing force calculated by textural profile analysis (TPA) analysis was generally slightly affected by the used preservation procedure.

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TABLE DES MATIÈRES

RÉSUMÉ ... iii

ABSTRACT ... iv

TABLE DES MATIÈRES ... v

LISTE DES TABLEAUX ... vii

LISTE DES FIGURES ... viii

LISTE DES ABRÉVIATIONS ET SIGLES ... x

LISTE DES ANNEXES ... xi

Dédicaces ... xii

REMERCIEMENTS ... xiii

INTRODUCTION ... 1

1. REVUE DE LITTÉRATURE ... 4

1.1. La conservation des aliments ... 4

1.1.1. Utilisation de la chaleur dans la conservation ... 4

1.1.1.1. Le blanchiment thermique ... 5

1.1.1.2. La stérilisation et la pasteurisation ... 6

1.1.1.3. Blanchiment non conventionnel ... 10

1.2. Effet barrière d’inactivation de bactéries ... 11

1.2.1. L’acidité ... 12

1.2.2. Le potentiel oxydo-réduction ... 13

1.2.3. Utilisation d’agents de conservation ... 14

1.3. L’électro-activation en solution ... 15

1.3.1. Fondements et aspects techniques ... 15

1.3.2. Aspects techniques ... 18

1.3.3. Applications des solutions électro-activées (SEA) ... 20

1.3.3.1. Utilisation comme agents antimicrobiens ... 20

1.3.3.2. Utilisation des SEA dans le domaine agroalimentaire et leur impact environnemental ... 21

2. Hypothèse et objectif de recherche ... 22

2.1. Hypothèse de recherche ... 22

2.2. Objectif principal ... 23

2.3. Objectifs spécifiques ... 23

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3.1.1. Montage du réacteur d’électro-activation ... 24

3.1.2. Électro-activation des solutions ... 26

3.1.3. Analyse des propriétés physico-chimiques de l’anolyte ... 27

3.2. Application des SEA sur la conservation de la betterave rouge ... 28

3.2.1. Préparation et mise en conserve de la betterave rouge en morceaux ... 28

3.2.3. Évaluation de la qualité organoleptique du produit ... 29

3.2.3.1. Analyse instrumentale de la couleur ... 29

3.2.3.2. Analyse du profil de la texture (TPA) ... 30

3.2.3.3. Évaluation de la qualité microbiologique ... 32

3.3. Analyse statistique ... 33

4. Résultats et discussion ... 34

4.1. Effets des conditions d’électro-activations sur les propriétés physico-chimiques des solutions électro-activées (SEA) ... 34

4.2. Acidité titrable des anolytes ... 46

4.3. Effets des solutions électro-activées (SEA) sur la qualité de la betterave ... 48

4.4. Qualité microbiologique ... 49

4.5. Qualité organoleptique ... 55

4.5.1. Évaluation de la couleur ... 55

4.5.2. Texture de la betterave en conserve ... 63

CONCLUSIONS ... 67

PERSPECTIVES ... 68

BIBLIOGRAPHIE ... 69

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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 : Avantages et désavantages des traitements thermiques conventionnels utilisés pour la mise en conserve de fruits et légumes. ... 8 Tableau 1.2 : Exemples de barrières potentielles à utiliser dans la conservation d’aliments d’origine animale et végétale (Leistner, 1994). ... 12 Tableau 3.1 : Emplacement des solutions des sels organiques évalués durant l’électro-activation.26 Tableau 3.2 : Paramètres utilisés pour l’analyse du profil de texture des cubes de betterave rouge. ... 32 Tableau 4.1 : Combinaison de type de solutions électro-activées anolytes et de leurs acidités titrable en vue de leur utilisation en tant que saumure de conservation. ... 49 Tableau 4.2 : Évolution du pH des conserves de betterave pendant 30 jours de stockage. ... 54 Tableau 4. 3 : Effet du type de saumure utilisée sur la couleur de la betterave rouge durant

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LISTE DES FIGURES

Figure 1.1 : Représentation schématique d’une cellule d’électrolyse. ... 17

Figure 1.2 : Représentation schématique du flux d’ions dans une cellule d’électrolyse à 3 compartiments divisée par des membranes échangeuses d’ions. ... 19

Figure 3.1 : Représentation schématique du réacteur d’électro-activation utilisée dans cette étude: Compartiment (A) anodique (B) central (C) cathodique, (D) MEA, (E) MEC, (F) anode, (G) cathode. ... 25

Figure 3.2 : Sphère de la chromaticité absolue selon le système de coordonnées Hunter L*a*b*. . 30

Figure 3.3 : Représentation de la mise en marche du test d’analyse de texture. ... 31

Figure 4.1 : Évolution de pH de l’anolyte de l’acétate à une intensité de courant de 300 mA. ... 37

Figure 4.4 : Évolution de potentiel Redox de l’anolyte de l’acétate à une intensité de courant de 300 mA. ... 38

Figure 4.7 : Évolution de pH de l’anolyte de citrate à une intensité de courant de 300 mA. ... 40

Figure 4.10 : Évolution de potentiel Redox de l’anolyte de citrate à une intensité de courant de 300 mA. ... 41

Figure 4.13 : Évolution de pH de l’anolyte du propionate à une intensité de courant de 300 mA. .. 43

Figure 4.16 : Évolution de potentiel Redox de l’anolyte du propionate à une intensité de courant de 300 mA. ... 44

Figure 4.19 : Acidité titrable de l’anolyte produit par électro-activation de l’anion acétate. ... 47

Figure 4.20 : Acidité titrable de l’anolyte produit par électro-activation de l’anion citrate. ... 47

Figure 4.21 : Acidité titrable de l’anolyte produit par électro-activation de l’anion propionate. ... 48

Figure 4.22 : Qualité microbiologique en bactéries mésophiles aérobies (BMA) de la betterave saumurée à 22 ± 1 °C dans les anolytes à une acidité titrable de 0,8 %. ... 49

Figure 4.25 : Qualité microbiologique en levures et moisissures totales (LMT) de la betterave saumurée à 22 ± 1 °C dans les anolytes à une acidité titrable de 0,8 %. ... 51

Figure 4.26 : Qualité microbiologique en levures et moisissures totales (LMT) de la betterave saumurée à 22 ± 1 °C dans les anolytes à une acidité titrable de 1,3 %. ... 51

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Figure 4.27 : Qualité microbiologique en levures et moisissures totales (LMT) de la betterave saumurée à 22 ± 1 °C dans les anolytes à une acidité titrable de 1,5 %. ... 52 Figure 4.28 : Effet du type de solution utilisé sur la couleur (valeur C*) de la betterave rouge dans l’anolyte produit à base de : (A) : Acétate, (C) : Citrate, (P) : Propionate. ... 56 Figure 4.29 : Variation chromatique dans le système RGB. ... 57 Figure 4.30 : Évolution du chroma dans le temps pour la saumure de propionate a différentes concentrations. ... 60 Figure 4.31 : Évolution de l’angle de nuance dans le temps pour la saumure de propionate a différentes concentrations. ... 60 Figure 4.32 : Évolution dans le temps du chroma de la betterave rouge dans une saumure de citrate. ... 61 Figure 4.33 : Évolution dans le temps de l’angle de nuance de la betterave rouge dans une

saumure de citrate. ... 61 Figure 4.34 : Évolution dans le temps du chroma de la betterave rouge dans une saumure de l’acétate. ... 62 Figure 4.35 : Évolution dans le temps de l’angle de nuance de la betterave rouge dans une

saumure de l’acétate. ... 62 Figure 4.36 : Changement de la texture de la betterave rouge en fonction dutemps traitées avec les différents types d’anolyte (0-30) = nombre de jours d’entreposage. A, C, P : Acétate, Citrate,

Propionate. 0.8, 1.3, 1,5 : % d’acidité titrable de l’anolyte. ... 64 Figure 4.37 : Changement de la texture de la betterave rouge saumurée dans l’anolyte à base de l’acétate en fonction du temps et de l’acidité titrable de l’anolyte. ... 65 Figure 4.38 : Changement de la texture de la betterave rouge saumurée dans l’anolyte à base de citrate en fonction du temps et de l’acidité titrable de l’anolyte. ... 65 Figure 4.39 : Changement de la texture de la betterave rouge saumurée dans l’anolyte à base de propionate en fonction du temps et de l’acidité titrable de l’anolyte. ... 66

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LISTE DES ABRÉVIATIONS ET SIGLES

1 ppm : partie par million, ce qui est équivalent à 1 mg/L a* : indice de rougissement ou de verdissement

AS : acétate de sodium

b* : indice de jaunissement ou de bleuissement Cl2 : chlore CS : citrate de sodium e-: électron g/kg/mg : gramme/kilogramme/milligramme H+_{: ion hydrogène} H2O : eau HCl : acide chlorhydrique HOCl : acide hypochloreux L* : clarté ou luminosité M: mole/L

mA : milliampère, unité de mesure de l’intensité du courant électrique MFHPB: Methods for the microbiological analysis of foods

mV : millivolt

NaCl : chlorure de sodium NaOH : hydroxyde de sodium O2 : dioxygène

OH-_{: ions hydroxydes}

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LISTE DES ANNEXES

Annexe 1: Analyse statistique (ANOVA et GLM) de de l’effet du type de sel d’acide organique, sa concentration initiale (C0) dans la section anodique, l’intensité du courant (mA) et le temps (min) d’électro-activation sur le pH de l’anolyte. ... 73 Annexe 2: Analyse statistique (ANOVA et modèle GLM) de l’effet du type de sel d’acide organique utilisé (Salt type), de sa concentration initiale en ppm dans la section anodique (C0) et de l’intensité du courant électrique (I, mA) sur l’acidité titrable de l’anolyte. ... 97

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Dédicaces

À ma famille: Virginia Fernando qui m’a toujours encouragé à aller plus loin. À ma sœur et mes frères: Tania, Israel et Erik À mes nièces et mon neveu: Fernanda, Sofia, Renata, Regina et Erik.

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REMERCIEMENTS

Tout d’abord, je tiens à remercier mon directeur de recherche, M. Mohamed Aïder, de m’avoir donné cette opportunité. Merci pour vos conseils et votre patience. Je remercie le Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) pour le soutien financier qui m’a été donné pour la réalisation de mes études.

Je remercie le personnel de la FSAA pour le partage de leurs connaissances, ce qui m’a facilité les tâches. Je remercie spécialement Diane Gagnon pour les analyses physico-chimiques et Marie-Michelle Gagnon pour les analyses microbiologiques. Je tiens à exprimer une gratitude spéciale pour Dre Natela Gerliani pour sa supervision, son aide et la qualité de formation qu’elle m’a prodiguée avec la technologie d’électro-activation en solution.

Également, merci à M. Daniel Caja Rubio pour son soutien et pour ses conseils Merci à mes amis-collègues, ou plutôt ma deuxième famille: Anja Rasamoel, Steve Franzial Banzouzi, Monsieur Juan De toro Martin, Ph. D., et Elizabeth Martinez de toujours rester à mon côté pour m’écouter et m’encourager.

Merci à mon frère Erik qui, un jour, a décidé de payer pour mes cours de français quand j’étais petit sans même imaginer qu’un jour j’aurais m’en servir autant.

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INTRODUCTION

La betterave rouge est une culture bisannuelle d’importance économique élevée, principalement dans les régions avec un climat tempéré ((Whitney, Duffus, & Society, 1986). Au Québec, se trouvent environ 50 % des surfaces dédiées à la culture de la betterave rouge au Canada (Institut de la Statistique du Québec, 2016). Pour cette raison, la transformation de ce légume racine est très importante, tant d’un point de vue économique que nutritionnel. De manière globale, la mise en conserve des légumes aide à surpasser le manque de stock en magasin comme conséquence de plusieurs facteurs comme une mauvaise planification agricole ou une pénurie dans la production d’une certaine culture (Munro, Canada, & Small, 1998; Neelwarne, 2012). De plus, la mise en conserve des produits agricoles contribue à faire varier la diète en élargissant le choix et l’offre alimentaire sur le marché. Tout cela sans considérer qu’en principe, une technique de conservation doit aider à faire disparaître ou diminuer le nombre de toxi-infections alimentaires (Bach, Mikkelsen, Kidmose, & Edelenbos, 2015).

Les techniques les plus utilisées pour la conservation des produits agricoles sont celles qui utilisent la chaleur comme destructeur de microorganismes pathogènes présents dans un produit pré-conditionné à cette fin et qui se trouve souvent dans une saumure. Ces traitements, comme l’appertisation ou stérilisation par exemple, s’avèrent très efficaces pour la destruction de pathogènes tels que des souches de Clostridium sp, Bacillus sp, listeria sp, et tout autre pathogène. Or, il est connu que les dommages les plus importants sur la qualité sensorielle et nutritionnelle du légume sont dus à l’application de ce type de traitements (Aguilar et al., 1999). Les températures élevées pendant plusieurs minutes endommagent le tissu cellulaire des légumes et les nutriments comme les protéines et les molécules d’intérêt fonctionnel comme les pigments qui possèdent des activités antioxydants comme la β-carotène, la bétalaïne ou les vitamines comme l’acide ascorbique (Pedrosa et al., 2015). De plus, l’eau utilisée dans ce genre de processus contribue à la lixiviation de nutriments lors des étapes de blanchiment, de cuisson et de stérilisation. Tout cela implique également des coûts énergétiques importants et beaucoup de temps investi pour assurer l’innocuité des produits en conserve.

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Pour cette raison, la recherche pour trouver des méthodes innovatrices qui font diminuer les dépenses énergétiques par la simplification du processus et qui ne sacrifient pas la qualité organoleptique et nutritionnelle du produit, tout en assurant l’innocuité du produit, ne cesse d’évoluer et constitue un sujet de recherche d’actualité, tant sur le plan fondamental qu’appliqué. Sachant que les microorganismes pathogènes sont sensibles aux changements physico-chimiques de l’environnement où ils se développent, la modulation d’autres paramètres appart la température sont étudiées pour essayer d’atteindre le même niveau d’innocuité.

Tout récemment, la technologie d’électro-activation a reçu beaucoup d’attention, car elle a montré un grand potentiel pour des applications dans le secteur agroalimentaire, entre autres, pour la désinfection de surfaces et le lavage de fruits et légumes. L’activation électrochimique de sels comme le chlorure de sodium en solution aqueuse donne comme résultat une solution ayant des caractéristiques physico-chimiques modifiées, dont le pH et le potentiel d’oxydo-réduction. Ces deux paramètres sont importants pour l’inactivation des microorganismes présents sur une surface en affectant directement ou indirectement leur métabolisme, leur structure et homéostasie cellulaire. Ces solutions électro-activées sont principalement utilisées pour le lavage des fruits et légumes frais. Cela est dû à la présence d’ions Cl- _{et de l’acide hypochlorique qui sont responsable de l’effet biocide}

observé par rapport à différents pathogènes. Plus récemment ces sels chlorés sont graduellement remplacés par des sels d’acides organiques ayant le même effet biocide, mais avec une plus grande innocuité, car ils sont dépourvus de chlore qui est hautement toxique à différents égards. Des études récentes réalisées à l’Université Laval dans le laboratoire de Dr Mohammed Aider ont démontré leur efficacité et la possibilité de les utiliser en tant que saumures de conservation en combinaison avec des traitements thermiques modérés ne dépassant pas la température de blanchiment.

Cette maîtrise a eu pour but d’étudier les propriétés physico-chimiques de trois solutions électro-activées acides, anolytes, obtenues par électro-activation de solutions d’acétate de sodium, de propionate de sodium et de citrate de sodium dans

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membranes échangeuses d’anions et de cations, et leurs impacts sur la qualité organoleptique (sensorielle) et microbiologique lors qu’elles sont utilisées en tant que saumures de conservation de la betterave rouge en morceaux préalablement soumise à un traitement de blanchiment thermique.

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1. REVUE DE LITTÉRATURE

1.1. La conservation des aliments

La conservation est l’utilisation de procédées et techniques visant le maintien de l’innocuité, des propriétés nutritionnelles et des caractéristiques sensorielles d’un aliment pendant une période pouvant aller de quelques jours à plusieurs mois. Un procédé de conservation doit alors inhiber et/ou éliminer les facteurs physiques (perte d’humidité), physiologiques (oxydation enzymatique, hydrolyse des molécules structurales), chimiques (oxydation non enzymatique) et microbiologiques (développement de souches pathogènes) responsables des altérations des aliments et des intoxications alimentaires dont certaines sont létales. Pour ce faire, l’être humain a utilisé plusieurs techniques pendant des siècles comme l’application de la chaleur, l’acidification du produit, la salaison, la fermentation et les agents de conservation. Or, le défi de l’industrie alimentaire moderne est d’innover ces techniques pour pouvoir développer de nouveaux procédés, non seulement pour maintenir l’innocuité du produit, mais aussi pour satisfaire les exigences du consommateur tant au niveau nutritionnel, organoleptique que sociétal (Branger, 2007).

1.1.1. Utilisation de la chaleur dans la conservation

Dans la conservation des aliments, en particulier les végétaux, les traitements thermiques sont les techniques les plus utilisées comme destructeurs d’enzymes, de microorganismes et de toxines (Feumba Dibanda, Panyoo Akdowa, Rani P, Metsatedem Tongwa, & Mbofung F, 2020; Hamid, Wakayama, Ashino, Kadowaki, Soga, & Tomita, 2020). Selon l’objectif visé, on distingue plusieurs techniques de conservation des aliments par le traitement thermique. On y trouve blanchiment qui s’effectue à une température de 85-95 °C pendant quelques secondes à quelques minutes, la stérilisation et la pasteurisation dont l’efficacité dépend de la combinaison du temps et de la température appliquée (Van Linh Nguyen, Thanh Vo, Duc Lam, & Giang Bach, 2019; Zhang, Shi, Gao, Zhang, Guo, Fu, et al., 2020)

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1.1.1.1. Le blanchiment thermique

Le blanchiment n’est pas un traitement final en soi, mais une étape préliminaire à un autre procédé thermique comme la stérilisation ou la congélation. Dans un procédé de blanchiment conventionnel, connu aussi comme blanchiment HTST (high-temperature short-time), le légume entier ou épluché et découpé est immergé dans de l’eau chaude ou injecté de vapeur à une température d’environ 95 °C pendant une courte période allant de 1 à 3 min et par la suite refroidi rapidement pour éviter la précuisons et/ou la cuisson complète du produit. Cette étape a pour objectif principal de détruire (d’inactiver) les enzymes d’altération comme celles responsables du brunissement enzymatique. La sélection des paramètres temps-température se réalise en fonction du type du produit, de la taille et de la forme du légume à traiter, de la stabilité thermique de l’enzyme qu’on désire inactiver ainsi que de l’effet que la chaleur portera sur les caractéristiques sensorielles et nutritionnelles du légume. Ainsi, en plus de l’objectif principal du blanchiment qui est la destruction thermique des enzymes indésirables, ce traitement contribue également à la diminution du nombre de microorganismes viables sur la surface du produit et l’expulsion des gaz intracellulaires qui risquent de se retrouver dans l’emballage final du produit. Cela augmente par conséquent la stabilité des légumes pendant une longue période de stockage (souvent en réfrigération) avant de les soumettre à un autre procédé de conservation (Gong, Zhao, Zhang, Yue, Miao, & Jiao, 2019; Hadidi, Ibarz, Conde, & Pagan, 2019; Prakash Pandey, Kumar Mishra, & Misra, 2019).

Le produit blanchi est placé dans un récipient en verre, en métal ou en plastique. Ensuite il est complètement couvert par une saumure. Cette saumure est une solution aqueuse, acidifiée ou non, qui a une concentration de sel variable et qui a plusieurs fonctions. Premièrement, la saumure aide à la propagation uniforme de la chaleur par conduction-convection à l’intérieur du produit lors de l’application du prochain traitement thermique. Deuxièmement, grâce à la concentration en sel de la saumure, le développement de microorganismes est inhibé, ce qui crée une barrière hermétique qui va par la suite diminuer l’oxydation du produit.

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Troisièmement, la saumure donne au produit un goût caractéristique. Sur le plan quantitatif, la saumure peut représenter, dans certains cas, jusqu’aux trois quarts du volume total du récipient. Ensuite, le contenant (l’emballage) est fermé hermétiquement et soumis à un procédé de stérilisation ou de pasteurisation en autoclave (Li & Farid, 2016; Teixeira, 2019).

1.1.1.2. La stérilisation et la pasteurisation

Après le blanchiment, deux traitements thermiques peuvent être appliqués; soit la pasteurisation (moins sévère) s’il s’agit d’un aliment acide avec un pH < 4,5 ou la stérilisation (plus sévère) s’il s’agit d’un aliment peu acide dont la valeur de pH est supérieure à 4,5. La stérilisation, de manière générale, consiste à un chauffage du produit a une température généralement entre 115 et 130 °C pendant une durée déterminée allant de quelques secondes à plusieurs minutes dépendamment du type de produit et du procédé utilisé. En plus, cette durée dépend de plusieurs facteurs comme: (1) Selon l’indicateur microbiologique : ex. 2.52 min si le microorganisme est Clostridium botulinum ou 12 min s’il s’agit de Clostridium

sporogene. (2) Selon le produit : volume, type de produit, forme, etc. Ce procédé de

stérilisation est opéré en plusieurs étapes soit : (i) la montée de température, (ii) le chauffage à température constante fixée selon le barème de stérilisation, et (iii) le refroidissement du produit pour éviter de le sur-cuire (Anderson & Friesen, 1974; Deák, 2014; Hinrichs, Wedel, & Atamer, 2019; Rutala & Weber, 2016, 2019).

La stérilisation, connue également sous le nom d’appertisation, est le seul procédé thermique que lorsqu’il est appliqué à une conserve de légumes, elle assure l’élimination complète des formes végétatives et les spores des microorganismes pathogènes et d’altération. Cette stérilité, dite commerciale, peut s’étendre jusqu’à 5 années. Or, la qualité nutritionnelle et organoleptique est affectée considérablement. L’utilisation d’une température supérieure aux 100 °C provoque la lixiviation de solides et de nutriments du légume vers la saumure ainsi que la perte irréversible de l’adhésion cellulaire dans le tissu du légume, donnant lieu à une texture moue. L’ajout, par exemple, de sels de calcium ou l’acidification de la

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produit (Chen, Chen, Wei, Zhang, Li, & Chen, 2019; Park, Yoo, Jung, & Yoon, 2019; Soni, Smith, Thompson, & Brightwell, 2020).

La pasteurisation est un traitement thermique moins sévère que la stérilisation dont le but est de réduire au maximum le compte de microorganismes altérants et pathogènes et d’inactiver les enzymes résistantes aux pH acides comme la catalase, la peroxydase, ou la pectine-estérase (www.fao.org). La température appliquée peut aller de 60 à 100 °C. Plus la température appliquée est basse, plus la durée de traitement est prolongée. Par exemple il est nécessaire de chauffer la crème glacée, qui a un pH supérieur à 4,5 à 80 °C pendant 15 secondes pour éliminer les pathogènes tandis que pour le jus de fruits dont le pH est inférieur à 4,5 il suffit d’appliquer une température de 65 °C pendant 30 min pour obtenir le même résultat. Ainsi, cette technique est préférablement appliquée à des aliments acides, car la qualité de l’aliment est moins affectée par la température et les microorganismes pathogènes d’importance ne se développent pas sous cette condition d’acidité. Par conséquent, la température nécessaire pour éliminer ou empêcher le développement des microorganismes présents dans un aliment diminue quand l’acidité de cet aliment augmente (produits acides). Quant aux spores bactériennes, elles ne sont pas affectées par la pasteurisation, car elles sont très résistantes à la chaleur. Aussi, quelques bactéries lactiques comme B. coagulans (aérobie), C. pasteurianum (anaérobie) peuvent se développer et sont d’une principale importance dans ce type de procédé, car elles peuvent induire une acidification post-production du produit. L’application de la pasteurisation aux aliments en pots de conserve, comme les fruits au sirop, se fait à travers leur immersion dans l’eau dans une cuve qui est utilisé tant pour chauffer le produit a des températures d’environ 100 °C que comme pour leur refroidissement subséquent (Swartz & Carroad, 1981).

Ainsi, on comprend bien que le blanchiment, la pasteurisation et la stérilisation des légumes en conserve induisent des effets dommageables aux produits et que l’efficacité globale d’un procédé de conservation ne peut être obtenue que par une combinaison adéquate du blanchiment avec la pasteurisation ou la stérilisation. Dans la plupart des cas, c’est la combinaison du blanchiment avec

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la stérilisation qui est la plus utilisée même si l’effet sur la qualité du produit est hautement significatif, en plus des dépenses élevées en termes de coût énergétique. Ainsi, il est essentiel de trouver une technologie qui permettait de simplifier le procédé de mise en conserve en réussissant à garantir la salubrité du produit tout en ayant un haut coefficient d’efficacité énergétique (Fellows, 2009; Kannan & Sandaka, 2008; Masuishi, Fukuda, & Murase, 2013; Tola & Ramaswamy, 2018; Zhu, Wang, Zhu, Yang, Yu, Wei, et al., 2017).

Tableau 1.1 : Avantages et désavantages des traitements thermiques

conventionnels utilisés pour la mise en conserve de fruits et légumes.

Type de traitement thermique Type de produit Stérilisation Sévère : 115 °C, 15 min, 1 atm

Transformé mis en pot en verre ou en cannette.

Avantages

• Élimine 100 % des structures végétatives et les spores de microorganismes

• Durée de conservation 3-5 ans. Équipement simple

Désavantages

• cause des réactions de Maillard ayant des effets indésirables sur le goût et la couleur du produit,

• endommagement tissulaire du légume élevé, effet négatif sur la texture du produit,

• coût énergétique élevé

Type de traitement thermique

Type de produit Blanchiment Produit frais épluché

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Modéré : Températures entre 60 et 90 °C pendant des périodes courtes.

Avantages

• Diminue de manière importante la charge microbienne initiale. • Inactive les enzymes hydrolytiques.

• Améliore la qualité organoleptique et nutritionnelle du légume.

• Coût d’application très bas (juste de l’eau est nécessaire pour blanchir un produit, installation de machinerie simple)

Désavantages

• Plutôt appliqué aux légumes pour retarder le murissement avant d’appliquer un autre traitement (congélation, stérilisation, etc.)

• N’élimine pas les spores des pathogènes.

Type de traitement thermique Type de produit Pasteurisation Modérée : Températures entre 60 et 90 °C pendant de courtes périodes) Aliments acides pH < 4.6 (emballé dans un contenant aseptique) Aliments peu acides pH>4.6 (emballé dans un contenant aseptique)

Avantages

• Un grand nombre de bactéries pathogènes, moisissures et levures est détruit.

• Inactive un grand nombre d’enzymes hydrolytiques.

Désavantages

• Principalement utilisé pour aliments liquides,

• L’aliment peut nécessiter d’une acidification artificielle (gestion et entreposage d’acides liquides industriels)

(23)

• les enzymes thermorésistantes ne sont pas inactivées chez les aliments acides ce qui cause des effets négatifs dans le temps

1.1.1.3. Blanchiment non conventionnel

Récemment, l’application de modifications ou la réduction d’étapes à la stratégie de transformation et du prétraitement attirent beaucoup d’attention dans l’industrie alimentaire (Shafiur-Raman et col, 2007). Selon ce principe, plus efficace un prétraitement il est, moins sévère devra être le processus suivant. Dans ce sens, le blanchiment non conventionnel des aliments est un sujet d’étude qui est présentement d’une grande actualité, tant du point de vue fondamental qu’industriel. Ainsi, plusieurs innovations ont été proposées dont le blanchiment par microondes, vapeur, gaz chauffant ou par immersion LTLT (low-temperature long-time) (Aguilar et al., 1999; Gallardo et al., 2004; Shafiur-Raman et al., 2007).

Dans un procédé LTLT où la plage de températures utilisées se situe entre 60 à 80 °C et le temps de traitement peut atteindre 10 minutes, il a était démontré avoir le même résultat « pasteurisant » que le blanchiment traditionnel, mais en réduisant la solubilité de nutriments du légume vers la saumure et en améliorant la texture du produit, ce qui est dû à l’effet de la température sur l’activation de l’enzyme pectin-metylesterase. Des théories expliquent que cette enzyme est responsable de la synthèse de pectates de Ca2+_{et Mg}2+_{sur la paroi cellulaire du légume;}

ralentissant de cette manière le collapse tissulaire ((Dominguez-Hernandez, Salaseviciene, & Ertbjerg, 2018; El Kadri, Alaizoki, Celen, Smith, & Onyeaka, 2020; María E. Latorre, Palacio, Velázquez, & Purslow, 2019; Ngobese & Workneh, 2018).

Malgré les bénéfices portés sur la qualité du produit du blanchiment par l’utilisation du procédé LTLT, dans les dernières décennies, il y a eu une tendance à réaliser l’étape de blanchiment avec une considération importante de réduire (minimiser) différents facteurs comme le coût énergétique, la quantité d’eau utilisée et le temps de traitement. Une alternative pour réduire la quantité d’eau utilisée lors du blanchiment consiste en sa réutilisation tout en maintenant sa qualité

(24)

le refroidissement à travers un processus connu comme blanchiment en continu. Cela présente deux avantages principaux:

Le premier avantage est une diminution importante de la perte de nutriments par lixiviation à cause de la saturation de composés hydrosolubles déjà présents dans le liquide de chauffage (Swartz et al., 1981).

Le deuxième avantage de cette approche est qu’il y a moins d’effluents polluants qui sont générés. Il est connu que le liquide de blanchiment dans un procédé conventionnel de mise en conserve fait augmenter considérablement la demande biologique d’oxygène (DBO) de l’eau et cela représente la moitié de la DBO générée durant toute la production de légumes en conserve (Gallardo, 2004). En plus, cette méthode réduit considérablement le coût énergétique et le temps du procédé tout en gardant la qualité du produit à un niveau élevé (Hurt, 1979; Gallardo, 2004).

1.2. Effet barrière d’inactivation de bactéries

La croissance et la viabilité des microorganismes présents dans un aliment peuvent être compromises par la modification ou la combinaison de différents paramètres qui interagissent d’une manière assez complexe. Ces paramètres peuvent être la pression, l’activité de l'eau (aw), l’acidité (pH et titrable), le potentiel

redox (Eh), présence d’agents de conservation et une microflore compétitive (Tableau 1.2). Ainsi, la modulation stratégique et modérée de chacune de ces barrières dans l’environnement de l’aliment peut altérer de manière ciblée l’homéostasie des microorganismes donnant lieu à la prévention et le retardement de leur développement ainsi qu’à leur inactivation. Par conséquent, il est possible d’atteindre des résultats satisfaisants au niveau des critères d’innocuité requis sans avoir besoin d’appliquer des traitements thermiques sévères et prolongés (Aguilar, de la Luz Reyes, De la Garza, & Contreras Esquivel, 1999).

(25)

Tableau 1.2 : Exemples de barrières potentielles à utiliser dans la

conservation d’aliments d’origine animale et végétale (Leistner, 1994).

• Température (basse ou élevé) • pH (bas ou élevé)

• Aw (bas ou élevé) • Eh (bas ou élevé)

• Atmosphères modifiées (N2, CO2, O2)

• Emballage (Emballage aseptique, au vide, emballage actif, pellicules comestibles…)

• Pression élevée

• Flore compétitive (bactéries acido-lactiques)

• Conservateurs (acides organiques, lactate, acétate, sorbate …)

1.2.1. L’acidité

L’acidité d’un aliment peut être contrôlée à travers l’ajout d’acides organiques comme l’acide acétique, citrique, lactique, ou propionique. Il est aussi possible d’utiliser certains acides inorganiques comme l’acide chlorhydrique (HCl). L’ajout de bactéries lactiques à un aliment peut également servir de moyen d’acidification et de contrôle des pathogènes. Les acides forts (sulfate, nitrite) sont utilisés à des concentrations très diluées au niveau de centièmes de ppm, alors que les acides organiques (acide citrique ou acétique) sont utilisés au niveau de quelques pourcentages. La concentration est limitée non seulement par le type de produit ou le(s) microorganisme(s) ciblé(s), mais aussi par le goût qu’ils confèrent au produit et la réglementation qui s’y applique. Les acides affectent les parois cellulaires, les membranes cellulaires, le métabolisme intracellulaire, les systèmes de synthèse des protéines et le matériel génétique des bactéries. Ainsi, ils sont actifs contre un large éventail de microorganismes (Kabara et al., 1991). Le pH acide tel que mentionné auparavant augmente l’efficacité d’un traitement thermique par l’action d’un effet barrière. Par exemple, la température requise pour inactiver des spores de Bacillus

(26)

augmente plus rapidement et de manière proportionnelle à l’abaissement du pH (Anderson et al., 1974). Naim et al. (2008) ont étudié l’efficacité d’un traitement thermique modéré (90 °C) en combinaison avec un pH acide et leurs résultats ont montré que l’acidité réduit de 20 fois le temps nécessaire pour d’un log le compte total de spores viables de Clostridium sporogenes, utilisé comme substitut non pathogène de Clostridium botulinum, dans une matrice alimentaire composée d’alginate et de carotte. Ces résultats ont été également confirmés dans l’étude de Liato et al. (2016) sur l’effet de solutions acides utilisées comme saumures dans un procédé de conservation de petit-pois combinées avec un traitement thermique de l’ordre de 90-95 °C (Naim, Zareifard, Zhu, Huizing, Grabowski, & Marcotte, 2008).

1.2.2. Le potentiel oxydo-réduction

Les systèmes biologiques obtiennent de l’énergie par l’oxydation et la réduction de nutriments comme les sucres, protéines et lipides qui sont utilisés durant leur métabolisme cellulaire (Alwazeer, Delbeau, Divies, & Cachon, 2003). Ces réactions d’oxydo-réduction où une substance donne ses électrons (agent réducteur) à une autre (agent oxydant) génèrent une différence de potentiel électrique ou potentiel redox (Quimica Analitica Basica). Tous les processus redox réversibles peuvent s’exprimer comme suit : [oxydant] + [H+] + ne-_{= [réducteur]}

Où ne-_{est le numéro d’électrons transférés dans le processus.}

Le POR (Eh) est exprimé selon l’équation de Nernst comme suit :

Eh = Eo + (RT/nF) ln [oxydant]/[réducteur]

Où :

Eh : Potentiel redox, (V)

E0 : Potentiel redox standard du système, (V) R : Constante universelle des gaz (8.314 J/K/mol) T : Température absolue, (K)

n : Nombre d’électrons transférés par molécule F : Constante de Faraday (96.5 kJ/V/mol)

[Réducteur] : Concentration molaire de la forme réduite [Oxydant] : Concentration molaire de la forme oxydée

(27)

Le potentiel redox indique généralement le rapport à l'oxygène des microorganismes et peut être utilisé pour spécifier l'environnement dans lequel ils microorganismes sont capables de générer de l'énergie et de synthétiser de nouvelles cellules sans recourir à l'oxygène moléculaire. Les microorganismes aérobies se développent à des valeurs redox positives (milieu oxydatif) tandis que les anaérobies nécessitent souvent des valeurs redox négatives (milieu réducteur). Dans différentes cultures microbiennes, la valeur Redox peut aller d'une valeur anaérobie inférieure à - 420 mV à une valeur aérobie d'environ + 300 mV. Il est aussi connu que les souches anaérobies strictes comme celles de Clostridium sp ne peuvent pas se développer quand la valeur Redox est supérieure à + 300 mV (Morris, 1976). Le potentiel redox, le pH, la température et l’oxygène dissout sont inter-reliés et peuvent être modifiés dans les milieux de culture, de manière moins précise dans les aliments, en ajustant la concentration d'O2 gazeux et de CO2 de

l'espace de « vide » qui existe au-dessus du milieu, par exemple, dans les conserves de légumes ou la bière (Dobson et Bullen, 1964). La modification du POR du jus d’orange a été proposée dans le passé pour améliorer l’efficacité d’un traitement de pasteurisation avec des résultats prometteurs (Ramesh, 2007; Alwazeer et al., 2003).

1.2.3. Utilisation d’agents de conservation

L’ajout d’agents de conservation est toujours une pratique courante, bien que socialement critiquée, a pour objectif d’atteindre une durée de conservation élevée, car ces conservateurs, souvent d’origine chimique, sont utilisés en raison de leur capacité à augmenter l’efficacité des traitements thermiques (Chung & Goepfert, 1970; Russell & Gould, 2003). Or, les consommateurs refusent de plus en plus les aliments préparés avec des agents de conservation d'origine chimique, ce qui impose à l’industrie alimentaire un défi important pour trouver des substituts aussi efficaces (Leistner & Gorris, 1995). De plus, la demande pour des agents de conservation naturels, respectueux de l'environnement et sûrs pour la santé du consommateur augmente rapidement. Les techniques traditionnelles de

(28)

alimentaires frais et les agents de conservation artificiels sont de plus en plus interdits (Leinster et al., 1995). Ainsi, la nécessité de trouver des alternatives technologiques qui répondent aux normes de salubrité et d’innocuité des aliments en conserve tout en ayant une adéquate acceptabilité sociale est d’actualité. Dans ce sens, les récents progrès dans le génie des procédés alimentaires et la salubrité des aliments a fait l’objet d’une innovation majeure qui consiste à combiner différentes disciplines comme l’électrochimie appliquée, la microbiologie fondamentale et appliquée et les procédés de conservation des aliments. Cette nouvelle approche est connue sous le nom de l’électro-activation en solution (Gómez & Duque-Cifuentes, 2018; M. E. Latorre, Bonelli, Rojas, & Gerschenson, 2012; Maria Emilia Latorre, de Escalada Plá, Rojas, & Gerschenson, 2013).

1.3. L’électro-activation en solution

Dans les dernières années, plusieurs études concernant l’électro-activation en synergie avec des techniques conventionnelles de conservation des aliments ont été réalisées à l’Université Laval dans le laboratoire de Dr Mohammed Aider (Liato & Aïder, 2017; Liato, Labrie, Benali, & Aider, 2016; Liato, Labrie, Viel, Benali, & Aïder, 2015). Cette section servira à décrire le principe de cette technologie, son développement ainsi que les études qui démontrent son potentiel d’application alimentaire (Gerzhova, Mondor, Benali, & Aider, 2016).

1.3.1. Fondements et aspects techniques

L'électro-activation est l’intensification des propriétés électrochimiques, dont l’activité oxydante et réductrice des produits d’une électrolyse provoquée par l’exposition d’un électrolyte à un courant électrique (Gerliani et al., 2019; Aider et al., 2012). Pour ce faire, la solution aqueuse ou l’électrolyte est placé dans une cellule électrolytique. Par la suite, deux électrodes stables submergées dans la solution sont branchées à une source de courant électrique. Ensuite, un flux de courant continu est appliqué et, immédiatement, une multitude des réactions d’oxydation à l'interface de l’anode (électrode chargée positivement) et de réduction à l'interface

(29)

de la cathode (électrode chargée négativement) prennent place, produisant des ions de charge positive (cations) et négative (anions).

L’électrolyse de l’eau est la base pour comprendre ce phénomène. Pour briser la molécule d’eau en hydrogène et oxygène gazeux [[[[2H2O 2 H2 + O2]]]], une quantité suffisante d’énergie externe doit être appliquée, puisque sous conditions atmosphériques normales, cette réaction est thermodynamiquement défavorable. Durant ce processus les réactions suivantes ont lieu à l’interface des électrodes :

Oxydation à la surface de l’anode

2 H2O→ 4H+ +O2 (g) +4e- 4OH-(aq)→ O2 (g) + 2H2O (L) + 4e- Réduction à la surface de la cathode 2H2O (l) + 2 e-→H2 (g) + 2 OH-(aq) 2H+ (aq) + 2 e-→H2 (g)

L'oxydation de l'eau à l’anode est accompagnée d’un dégagement d'O2 (g) et de la

génération d’ions H+_{. Ces ions H}+_{sont responsables de l’acidification de la solution}

en contact avec l’anode, alors que l’oxygène produit est responsable, en partie, du caractère oxydant de cette solution qui peut acquérir des valeurs de potentiel redox de l’ordre de +1200 mV. En même temps, la réduction de l'eau sur la cathode suppose le dégagement de H2 (g) et la génération d’ions OH-. Ces derniers confèrent

à cette solution des propriétés basiques. Quant à l’hydrogène gazeux, il est responsable du caractère réducteur de la solution au contact avec la cathode dont le potentiel redox peut atteindre des valeurs de -900 mV. Ces ions porteurs de charges ou ions électro-actifs migrent vers l’électrode de charge opposée, donc une deuxième réaction à lieu à l’interface des électrodes ou des membranes échangeuses d’ions, si celles-ci sont intégrées au système. De cette manière, deux types de solutions sont obtenus: une solution acide près de l’anode (Anolyte) et une solution alcaline près de la cathode (Catholyte). Dans certains cas, ces ions atteignent un état métastable (thermodynamiquement défavorable sous conditions atmosphériques normales) hautement réactif grâce au transport continu de charges électriques qui migrent vers l’électrode de charge opposée et à certaines contraintes

(30)

Figure 1.1 : Représentation schématique d’une cellule d’électrolyse.

L’anolyte est le catholyte sont considérées comme étant électro-activées puisque les magnitudes de leurs propriétés, comme le potentiel d’oxydo-réduction (POR) et le pH, sont modifiés de manière substantielle. D’une part, l’anolyte acquiert des propriétés acide et oxydante avec des valeurs de pH de 1,5 à 3 et des valeurs de POR comprises entre +400 et +1200 mV. D’autre part, le catholyte est alcalin et réducteur, possédant des valeurs de pH de 7 à 12 et un POR de -80 à -900 mV (Marais et al., 1999; Al-Haq et al., 2001). Ces solutions ont des activités différentes que celles acidifiées ou alcalinisées chimiquement, pour lesquelles on attribue deux types d’effets : un effet biocide quant à l’anolyte et un effet tensioactif pour le catholyte (Aider et al., 2012). Il est également important de considérer que la composition chimique de ces solutions est difficile à étudier par des méthodes analytiques traditionnelles, car certaines espèces ioniques métastables produites lors de l’électro-activation retournent à l’état initial de manière quasi immédiate lorsque la source de courant électrique est arrêtée.

(31)

1.3.2. Aspects techniques

Le degré d’électro-activation d’une solution est déterminé en fonction de plusieurs facteurs comme la configuration du réacteur d’électro-activation, le matériel de fabrication des électrodes, le type de membranes sélectives utilisées qui séparent le réacteur en sections (compartiments) et orientent le flux des ions, le type et la concentration de sel en solution (électrolyte) ainsi que la durée et l’intensité du courant électrique appliqué au système. L’ensemble de ces facteurs peut être contrôlé et modifié pour obtenir de solution électro-activées (SEA) avec des caractéristiques différentes. Cependant, peu d'études ont été réalisée sur l’influence des interactions entre les différents facteurs opérationnels ainsi que le design du réacteur sur les propriétés des SEA (Gerzhova, 2016; Aider et al., 2012).

La cellule (ou réacteur) d'électrolyse est l’endroit où l'électro-activation a lieu. De manière simplifiée, deux types de réacteurs peuvent être utilisés pour produire des solutions électro-activées (SEA) : le réacteur en flux continu ou « flow-through

electrolyzer » et le réacteur stationnaire ou « batch-type electrolyzer ». Le premier

est principalement utilisé dans la production de grandes quantités de SEA (flux de 0,5 à 2 L.min-1_{), alors que le deuxième est préférablement utilisé à l’échelle de}

laboratoire (de 0.1 à 1.5 L par batch), ce qui facilite l’échantillonnage pour l’étude des facteurs qui ont une influence sur les propriétés des SEA (Aider et al., 2012).

Le réacteur stationnaire peut être divisé en compartiments (sections) par des membranes échangeuses d’ions qui assurent une action électrochimique unipolaire. Ces membranes monopolaires sont échangeuses de cations ou d’anions (CEM ou

AEM pour ses sigles en anglais) et permettent l’électro-migration des ions de charge

opposée (Figure 1.2) (Gerzhova, 2016; Bazinet et al., 1998). Cela permet alors de récupérer l’anolyte et le catholyte séparément ou d’en produire un mélange, ainsi que de moduler le pH et le POR par la sélection ou la combinaison appropriée des membranes. Dans une étude récente, un réacteur stationnaire à trois chambres a été utilisé pour évaluer l’influence de la disposition des membranes échangeuses d’ions sur les propriétés physico-chimiques des SEA (Liato et al., 2015).

(32)

Figure 1.2 : Représentation schématique du flux d’ions dans une cellule

d’électrolyse à 3 compartiments divisée par des membranes échangeuses d’ions.

Dans certaines études, il a été rapporté que le temps d'électro-activation pour les réacteurs en batch peut varier de 3 à 115 min en utilisant une intensité du courant qui peut varier entre 0.7 et 20 Ampères (Aider et al., 2012). Les solutions aqueuses qui sont introduite dans le réacteur varient selon leur degré de minéralisation. On utilise de l’eau déionisée, de l’eau de robinet, ainsi que des solutions de chlorure de sodium de concentration pouvant varier de 0.1 à 120 g/L. La concentration du sel utilisée a une importance majeure puisqu’à des concentrations mineures, la résistance électrique augmente; ce qui provoque des coûts énergétiques majeurs qui se manifestent par un dégagement substantiel de chaleur aux électrodes (Liato, 2015). Le NaCl a été amplement utilisé puisque des solutions à effet biocide élevé peuvent être produites avec de très faibles concentrations de sel. Le problème réside dans les composés chlorés qui sont formés dans les cas où des sels comme NaCl et KCl sont utilisés. En effet, suite à l’électrolyse de solutions aqueuses de sels chlorés, on observe une formation du Cl2 et des ions HClO- dans les solutions

(33)

activées (Aider et al., 2012). Dans le but de produire des solutions électro-activées qui ne contiennent pas chlore libre ou de composés chlorés comme l’hypochlorite de sodium, plusieurs études ont suggéré l’utilisation de différents sels d’acides organiques dont l’utilisation est approuvée dans l’industrie alimentaire. Dans ce sens, on trouve du citrate de potassium/sodium, de l’acétate de potassium/sodium, du bicarbonate de potassium/sodium, du propionate de potassium/sodium, ainsi que du lactate de calcium (Liato et al., 2016a; Liato et al., 2016b; Liato et al, 2017; El Jaam et al., 2017). L’utilisation de ce type de sels pour produire des solutions électro-activées a démontré une grande efficacité antimicrobienne égale ou supérieure aux solutions obtenues avec l’utilisation de sels chlorés comme le NaCl ou le KCl (Liato et al., 2016).

1.3.3. Applications des solutions électro-activées (SEA)

1.3.3.1. Utilisation comme agents antimicrobiens

L’anolyte qui est produit par électro-activation anodique (acide et oxydant) a une importante activité désinfectante. La valeur de pH et le POR sont les facteurs (mécanismes) responsables de l’inactivation des microorganismes par l’anolyte. Cependant, certaines études suggèrent que son POR a un effet plus significatif que le pH sur les microorganismes. Premièrement, les microorganismes ne peuvent survivre dans un environnement où le potentiel d'oxydo-réduction est supérieur à +650 mV (Wilson et al., 2001). Par conséquent, l’exposition de différentes souches fongiques ou bactériennes à un anolyte représente un environnement incompatible pour leur développement et peut les inactiver dans quelques minutes (Beuchat et al., 2001; Aider et al., 2012). Deuxièmement, les espèces oxydantes qui se trouvent dans la solution anolyte dégradent de manière indifférente plusieurs structures cellulaires, dont la membrane cellulaire (Drees et al., 2003). Ces espèces hautement oxydantes varient dans selon leur composition en fonction du sel utilisé. Ainsi, quand une solution de NaCl ou KCl est électro-activée, sont générées des espèces réactives telles que de l’acide hypochlorique, du chlore gazeux, de l'oxygène gazeux, de l’ozone et du peroxyde d'hydrogène. Il y a également une formation

(34)

d’ions hypochlorite, chlorure, hydroxyle et hydronium connus par leur effet antimicrobien (Bagotsky, 2006).

1.3.3.2.

Utilisation des SEA dans le domaine agroalimentaire et leur impact environnemental

De nombreuses études suggèrent que les SEA, spécifiquement l’anolyte, peuvent être une alternative aux solutions chlorées utilisées pour la désinfection de fruits et légumes puisqu’une fois que les ions ont oxydé la matière organique, ils sont transformés en substance réduite et non nocive (Liato et al., 2017b). Plusieurs de ces recherches ont été réalisées au Département des sols et de génie agroalimentaire de l’Université Laval, comme l’inactivation d'Escherichia coli

O157:H7 et de Listeria monocytogenes sur des bluets (Liato et al., 2017b). Pour

(35)

2. Hypothèse et objectif de recherche

2.1. Hypothèse de recherche

Considérant le fait que :

• L’électro-activation par un champ électrique externe continu de solutions d’électrolytes permet d’obtenir de solutions ayant des caractéristiques oxydantes et d’acidité élevées qui sont incompatible avec le développement microbien;

• L’électro-activation de sels d’acides organiques permet de produire des solutions électro-activées libres d’ions ou de molécules chlorées;

• La diminution de la sévérité du procédée de transformation de légumes contribue à garder les caractéristiques organoleptiques et nutritionnelles du produit;

• La praticité des solutions électro-activées facilite leur application directe sur le produit;

Alors, l’hypothèse de recherche suivante est proposée :

Il est possible d’utiliser des solutions électro-activées de sels d’acides organiques en tant que saumures dans un procédé de blanchiment thermique de courte durée suivi d’une mise en boîte à chaud de betterave rouge en cube en vue d’assurer une stérilité industrielle comparable à celle obtenue par un procédé conventionnel de conservation, tout en gardant une qualité organoleptique et microbiologique élevée.

(36)

2.2. Objectif principal

L’objectif principal établi dans cette recherche est d’étudier l’impact de l’application d’un traitement de blanchiment en utilisant différentes solutions électro-activées d’acétate, de citrate et de propionate de sodium générées sur place sur différents aspects de la qualité de la betterave rouge.

2.3. Objectifs spécifiques

Objectif spécifique 1 : Étudier les conditions opératoires pour générer des solutions

électro-activées à base de citrate de sodium, de propionate de sodium et d’acétate de sodium.

Objectif spécifique 2 : Utiliser les solutions électro-activées générées pour blanchir

et produire de la betterave rouge en conserve et étudier l’impact du traitement sur la qualité organoleptique et microbiologique du produit.

(37)

3. MATÉRIEL ET MÉTHODES

3.1 Étude des conditions opératoires pour la production des solutions électro-activées

3.1.1. Montage du réacteur d’électro-activation

Le réacteur d’électro-activation est composé de cellules fabriquées en acrylique (plexiglass). Il est constitué de trois compartiments de forme rectangulaire qui sont assemblables à l’aide de supports métalliques et de joints d’étanchéité pour éviter les fuites de liquides durant le processus d’électro-activation. Les trois compartiments sont interconnectés entre eux par des ouvertures rectangulaires de 1 cm d’épaisseur. Ces ouvertures sont placées entre le compartiment central et les compartiments latéraux de telle sorte que le courant électrique puisse passer à travers tout le système. Des membranes échangeuses d’anions et de cations ont été placées entre chaque compartiment latéral et le compartiment central: une membrane d’échange d’anions (MEA) de marque MA-40 (Shekina-azot, Shekina, Russie) a été utilisée pour séparer le compartiment anodique du compartiment centrale, alors qu’une une membrane échangeuse de cations (MEC) de marque MK-40 (Shekina-azot, Shekina, Russie), séparait le compartiment central du compartiment cathodique. Ainsi, le compartiment central servait comme un pont d’électrolytes qui assurait le passage du courant électrique auquel le réacteur d’électro-activation est soumis tout en empêchant un certain échange ionique direct entre les compartiments anodique et cathodique. Cette disposition des membranes échangeuses d’ions dans le réacteur d’électro-activation était favorable à l’obtention de solutions acides sans interférence avec les ions hydroxyle produits dans la section cathodique durant l’électrolyse de l’eau à la surface de la cathode. Chaque compartiment du réacteur avait une capacité volumique de ≈ 90 ml. Une fois la cellule assemblée, une plaque rectangulaire de titane enrobé d’une couche de ruthénium-iridium est placée dans le compartiment anodique et servait d’électrode positive, l’anode, alors qu’une autre plaque en acier inoxydable est placée à l’intérieur du compartiment cathodique. La Figure 1.1 montre la configuration finale du réacteur utilisé pour l’électro-activation des solutions aqueuses étudiées.

(38)

Figure 3.1 : Représentation schématique du réacteur d’électro-activation utilisée

dans cette étude: Compartiment (A) anodique (B) central (C) cathodique, (D) MEA, (E) MEC, (F) anode, (G) cathode.

(39)

3.1.2. Électro-activation des solutions

Dans ce travail, trois sels d’acides organiques d’utilisation courante en conservation des aliments ont été étudiés. Ces sels, tous de pureté analytique sont le citrate de sodium dihydrate (C6H5O7Na3•2 H2O), l’acétate de sodium (CH3CO2Na)

et le propionate de sodium (C2H5COONa) (Fisher Scientific, NJ, USA). Des solutions

aqueuses à base de chaque sel ont été préparées séparément en mélangeant la quantité de sel nécessaire à de l’eau distillée pour atteindre trois niveaux de concentration de l’anion, c’est à dire, de citrate, acétate et propionate, car la solution d’intérêt dans cette étude c’était l’anolyte produit par la combinaison des ions H+ produits sur l’anode et l’anion de chaque sel d’acide organique utilisé en vue de produire son acide conjugué. Les concentrations initiales de la solution anodique étaient de 1000, 3000 et 5000 ppm. Des solutions aqueuses de citrate, d’acétate, de propionate de 0,25 mol·L-1_{et de chlorure de sodium (NaCl) de 0,25 mol·L}-1

(Caledon Laboratories LTD, Georgetown, Canada) ont été dans le compartiment central et cathodique, respectivement (Tableau 3.1).

Tableau 3.1 : Emplacement des solutions des sels organiques évalués

durant l’électro-activation.

Type de sel Compartiment anodique, ppm Compartiemnt central, mol.L-1 Compartiment cathodique, mol.L-1_NaCl Acétate de Na 1000 0,25 0,25 3000 5000 Citrate de Na 1000 0,25 0,25 3000 5000 Propionate de Na 1000 0,25 0,25 3000

(40)

Chaque solution était préparée juste avant le traitement d’électro-activation. Les concentrations ont été choisies pour assurer une activité maximale sur le plan microbiologique. Pour chaque traitement, 90 ml de la solution de l’anion à évaluer ont été placés dans le compartiment anodique (CA). Ensuite, dans le compartiment central ou « pont salin », 90 ml de la solution 0,25 M de la même solution d’anion que dans la chambre anodique ont été versés. Finalement le compartiment cathodique a été rempli avec 90 ml de la solution de chlorure de sodium 0,25 M pour compléter le circuit (Tableau 3.1). Une fois le remplissage des compartiments par les solutions respectives fut complété, l'anode et la cathode ont été branchées au générateur de courant électrique continu. Les solutions ont été traitées (électro-activées) avec un courant électrique fixé à trois intensités : 300, 500 et 700 mA pendant une période de 75 minutes. Les traitements ont été appliqués selon un plan expérimental factoriel aléatoire de type 33_{(Type de sel (T) * concentration (C)}

*Intensité de courant (A)). L’électro-activation de chaque solution a été réalisée en triplicata. Des échantillons de la solution anodique ont été pris à des intervalles de temps réguliers pour étudier leurs propriétés physico-chimiques, notamment le pH, l’acidité titrable et le potentiel d’oxydo-réduction.

3.1.3. Analyse des propriétés physico-chimiques de l’anolyte

Les variables de réponse évaluées ont été le potentiel d’oxydo-réduction (POR) (ORP15A, Eco Sense, Yellow Springs,OH, USA), le pH (SR601C SympHony, VWR, Chicago, IL, É.-U.) et le pourcentage d’acidité titrable. L’évolution du POR et du pH a été mesurée toutes les 5 minutes de prélèvements de 10 mL des solutions électro-activées dans le compartiment anodique. Les mesures ont été réalisées rapidement et en respectant le même délai entre chaque mesure pour ainsi réduire la variabilité des résultats et minimiser les erreurs expérimentales. Le volume prélevé était ensuite placé à nouveau dans le réacteur pour restituer le volume initial de la solution. Le pourcentage d’acidité titrable (AT) des anolytes obtenus a été dosé par titration avec une solution standard de NaOH 0,01 M à la fin de chaque traitement. Les effets individuels des variables indépendantes : type de sel (CS, AS,

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PS), la concentration (C) et l’intensité de courant (IC) sur les propriétés physico-chimiques de l’anolyte ont été analysées à l’aide du logiciel SAS en utilisant des valeurs moyennes de trois mesures.

3.2. Application des SEA sur la conservation de la betterave rouge 3.2.1. Préparation et mise en conserve de la betterave rouge en morceaux

Les anolyte utilisées en tant que saumures ont été préparés selon les conditions de l’étape précédente et choisis en fonction du taux de leur acidité titrable (AT) fixée à trois niveaux : faible AT, moyen AT et élevée AT. Dans certains cas, des dilutions avec de l’eau distillée libre de CO2 ont été nécessaires pour ajuster le

pourcentage d’AT au niveau désiré. Chaque solution électro-activée a été analysée pour mesurer les valeurs de son POR et son pH lors de la dilution. Ensuite, les solutions ont été entreposées dans des bocaux en plastique à la température ambiante (22 ± 1 °C) jusqu’à leur utilisation ultérieure.

La betterave rouge (Beta vulgaris L.) a été choisie comme objet d’étude pour évaluer l’effet des anolytes sur la qualité organoleptique et microbiologique du produit mis en conserve. Les betteraves utilisées ont été achetées dans un marché local quelques heures avant l’expérience. Elles ont été lavées et épluchées. Par la suite, elles ont été coupées à l’aide d’une coupe pour pomme de terre pour obtenir des cubes égaux et réguliers de 1 cm3_{pour assurer l’uniformité du traitement}

appliqué. La betterave en cubes a été entreposée au réfrigérateur dans des sacs de plastique pas plus que 2 heures avant l’application du traitement de blanchiment dans la solution électro-activée suivi du sertissage des boîtes de conserve.

3.2.2. Protocole de blanchiment

Dans des conditions de laboratoire, un litre d’anolyte, fait par électro-activation de solution d’acétate de sodium, de citrate de sodium et de propionate de sodium, était versé dans un bécher et chauffé jusqu’à une température de 95 °C. Ensuite, 360 g de betterave découpée en morceaux de 1 cm3_{y ont été blanchis}