Projet de thèse

Projet de thèse :
Evolution de la microstructure de produits alimentaires surgelés au cours du
stockage – Caractérisation expérimentale et modélisation des phénomènes
de recristallisation et de sublimation – Application aux produits carnés et
végétaux
1. Problématique - Contexte
A l'heure actuelle, la surgélation constitue l'un des procédés les plus couramment utilisés pour la
conservation des aliments périssables et la réduction des risques sanitaires liés à la croissance
microbienne. L'un des avantages des produits surgelés est leur longue durée de vie et donc la
possibilité de les stocker sur des périodes étendues. Cependant, si les basses températures
empêchent le développement microbien au sein des produits surgelés, ces derniers n'en restent pas
moins complètement stables durant leur stockage. Des modifications physiques et chimiques
interviennent au cours du stockage et conduisent à une perte de qualité des produits et une
réduction de leur durée de vie. Généralement, deux principaux phénomènes physiques se
produisent: la recristallisation et la sublimation. Les deux mécanismes sont liés à la stabilité des
cristaux de glace et aux phénomènes de diffusion des molécules d'eau au sein du produit surgelé et
aboutissent à la modification de sa microstructure. La recristallisation se caractérise par une baisse
du nombre de cristaux de glace et une augmentation de leur taille moyenne, et la sublimation se
manifeste par la dessiccation des produits et la présence de givre en leur surface et dans les
emballages. Dans le cas des produits carnés et végétaux, ces deux phénomènes physiques peuvent
entrainer la rupture des cellules et, par conséquent, accélérer les réactions chimiques (telles que
l'oxydation et la dénaturation des protéines) et enzymatiques au sein des produits. Cela conduit à la
dégradation des qualités sensorielles (apparence, couleur, texture et saveur) et nutritionnelles du
produit qui devient alors inacceptable pour le consommateur. Les effets de la recristallisation et de la
sublimation pendant le stockage et la distribution des produits surgelés peuvent ainsi annuler les
bénéfices liés au procédé de surgélation. La recristallisation et la sublimation ont lieu à température
constante mais sont accélérées en cas de fluctuations de température. Le contrôle et le maintien des
températures adéquates le long de la chaîne du froid revêtent donc une importance capitale.
L'équipe Metfri de l'Unité de Recherche GPAN d'Irstea à Antony développe depuis plusieurs
années des compétences sur l'étude des écoulements et transferts dans les produits alimentaires
dans la chaine du froid et dans les équipements frigorifiques mis en œuvre dans les différents
maillons de la chaine. Cette thématique de la chaine du froid a récemment été élargie aux produits
surgelés avec le démarrage d'une étude sur les phénomènes de recristallisation dans la crème glacée
stockée sous différentes conditions de températures et de niveau de fluctuations de température
(caractérisation expérimentale et modélisation des changements microstructuraux induits). Ce projet
de thèse s'inscrit dans la continuité de ces travaux avec la volonté d'élargir les applications aux
produits carnés et végétaux, et surtout de caractériser la microstructure interne des produits avec
une technique 3D telle que la microtomographie à rayons X.
2. Questions scientifiques posées et objectifs de la thèse
Comment maitriser la croissance des cristaux de glace issue des phénomènes de recristallisation
et de sublimation qui interviennent dans la chaîne du froid des produits surgelés? La réponse à cette
question passe par une meilleure caractérisation de l'évolution de la microstructure des produits en
lien avec leur histoire temps-température. La complexité des mécanismes mis en jeu nécessite une
approche combinée expérimentation et modélisation afin de permettre une connaissance plus
approfondie de ces mécanismes et une bonne maitrise des phénomènes induits. En effet, la
croissance des cristaux lors de la recristallisation et la sublimation est le résultat d'un couplage entre
les phénomènes de transfert et de transport de chaleur et de matière associés aux aspects de
changements de phase.
Ce projet de thèse à pour objectif scientifique de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu
lors de la recristallisation et de la sublimation qui induisent la croissance des cristaux de glace dans
les produits surgelés stockés. Une caractérisation expérimentale sera menée sur un produit carné et
une produit végétal pour évaluer les changements microstructuraux à l'aide de deux techniques
complémentaires (microscopie et microtomographie à rayons X). L'influence de la température de
stockage et des niveaux de fluctuations de température sur la taille des cristaux de glace sera évaluée
au cours du temps. Une modélisation des phénomènes à l'échelle microscopique sera mise en œuvre
afin de mieux prédire les évolutions au sein du produit à l'échelle macroscopique. Cette modélisation
s’articulera essentiellement autour des équations de bilan de population, couplées aux lois de
transfert de matière et de chaleur, ainsi qu'aux cinétiques de transformation (recristallisation ou
sublimation). La microstructure des produits sera ainsi prédite sur la base de leur histoire thermique,
et de par là, leur qualité et leur durée de vie pourront aussi être prédite. D'un point de vue
technologique, ces modèles mathématiques pourraient être inclus dans des boucles d'optimisation
destinées à une meilleure gestion de la chaine du froid des produits surgelés.
3. Organisation de la thèse
Lieu: Unité de Recherche de Génie des Procédés Frigorifiques (GPAN) – Irstea - Antony
Ecole doctorale: ED 435 – ABIES (Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnements et Santé)
Direction de thèse: Graciela ALVAREZ
Encadrement: Fatou Toutie NDOYE
Date de démarrage: Octobre 2014
Financement: Financement Régional Ile de France – DIM ASTREA (1850 € bruts mensuel)
4. Profil recherché
Le candidat devra être diplômé d'un Master 2 recherche ou équivalent en Génie des Procédés,
Sciences pour l'ingénieur ou Thermique avec de bonnes connaissances en phénomènes de transferts
de matière et d'énergie. Des connaissances en Sciences des Aliments seront appréciées. Le candidat
devra également avoir les compétences suivantes:
 Bonnes connaissances des approches expérimentales, connaissances en analyse d'image
appréciées
 Connaissances en modélisation et simulation (notamment avec le logiciel Matlab)
 Capacité de rédaction de rapports, de communications et d'articles
 Bon niveau d'anglais
5. Contact
Candidature (CV et Lettre de motivation) à transmettre à:
Dr Fatou Toutie NDOYE
IRSTEA - Unité de Recherche Génie des Procédés Frigorifiques (GPAN)
1 rue Pierre-Gilles de Gennes CS 10030 F-92761 Antony Cedex
Tel : +33 (1) 40 96 61 61 - Fax : +33 (1) 40 96 60 75
[email protected]
www.irstea.fr