Modélisation de la viscosité de suspensions de particules molles végétales et observation directe des particules en milieu encombré

Les pure?es de pommes sont des suspensions concentre?es de particules non colloi?dales (180 ?m), non- sphe?riques et tre?s de?formables. Ces particules sont de?limite?es par une paroi cellulaire ve?ge?tale et remplies par la phase continue. Sous contrainte ou lorsque la concentration en particules augmente, elles se compriment, ce qui rend difficile la de?termination de leur fraction volumique re?elle et la compre?hension de leurs proprie?te?s rhe?ologiques. En ge?ne?ral, le comportement rhe?ologique des suspensions de particules ve?ge?tales est de?crit par trois domaines de concentration : un domaine dilue? dans lequel les particules interagissent peu (newtonien), un domaine interme?diaire marque? par l'apparition d'un re?seau entre les particules (comportement de fluide a? seuil, caracte?rise? par un module e?lastique a? faible de?formation qui augmente fortement avec la concentration en particules) et un domaine concentre? dans lequel les particules sont contraintes de se de?former pour s'adapter a? l'espace environnant et permettre l'e?coulement (le module e?lastique est de l'ordre de 103 Pa et la de?pendance a? la concentration en particules diminue). En combinant microscopie confocale et reconstruction 3D, nous avons de?veloppe?? un protocole pour de?terminer le volume de cellules dans des suspensions concentre?es de particules ve?ge?tales. Ce travail a permis de mettre en e?vidence que le volume des cellules diminue uniquement dans les suspensions fortement concentre?es. Par observation directe au sein de l'e?chantillon, nous apportons ainsi la preuve de la capacite?? des particules ve?ge?tales a? se comprimer et a? diminuer ainsi leur volume lorsque la concentration augmente. Dans ce travail, nous proposons e?galement un moyen d'acce?der a? la fraction volumique apparente des particules et un mode?le de?crivant la de?pendance de la viscosite? a? la concentration sur une large plage de concentrations. Le mode?le propose?, adapte? du mode?le de Mendoza (Mendoza 2013), s'ajuste avec pre?cision aux re?sultats expe?rimentaux obtenus sur des pure?es de pommes de distribution granulome?trique variable et sur des suspensions mode?les reconstitue?es dans plusieurs phases continues. Les parame?tres du mode?le refle?tent la rigidite? et l'asphe?ricite? des particules. Ce travail offre des perspectives inte?ressantes pour l'industrie des fruits et le?gumes transforme?s et a permis une avance?e vers la mode?lisation de ces syste?mes. Re?fe?rences : Day L., Xu M., Øiseth S.K., Hemar Y. & Lundin L. (2010). Control of Morphological and Rheological Properties of Carrot Cell Wall Particle Dispersions through Processing. Food and Bioprocess Technology, 3(6), 928?934. doi :10.1007/s11947-010-0346-0. Espinosa-Mun?oz L., Renard C., Symoneaux R., Biau N. & Cuvelier G. (2013). Structural parameters that determine the rheological properties of apple puree. Journal of Food Engineering, 119(3), 619?626. doi :10.1016/j.jfoodeng.2013.06.014. Mendoza C.I. (2013). Model for the Shear Viscosity of Suspensions of Star Polymers and Other Soft Particles. Macromolecular Chemistry and Physics, 214(5), 599?604. doi :10.1002/macp.201200551

Relations Structure/Propriétés de Suspensions de Particules Végétales

In this work, fruit and vegetable purees are considered as concentrated suspensions of soft, deformable plant particles, suspended in a non-Newtonian aqueous phase, containing sugar and soluble pectins. Using a materials science approach, this work aims in better understanding and modelling the structure/properties relationships of plant based processed systems.A single batch of Golden Delicious apple puree was used in this work to avoid variability related to variety, maturity or processing method.Mechanical treatments were used to highlight the impact of structural parameters on the rheological behaviour of plant particles suspensions. It confirms the first order impact of particle concentration on rheological properties. Three concentration domains have been identified and modelled, allowing to provide a definition of the volume fraction for these soft and highly deformable plant particles. The volume fraction of plant particle suspensions is not forming consensus yet in literature. The definition proposed in this work allows to built a master curve bringing together the different particle size distributions, all over the concentrations studied.To understand the impact of the continuous phase on the rheological behaviour of plant particle suspensions, model particles have been developed from the original batch of apple puree. Model particles were suspended in five controlled aqueous phases varying in viscosity, composition, and ionic strength. This study shows that elastic properties of concentrated suspensions are essentially governed by the interactions between the particles, continuous phase having a negligible impact. The lubricating role of the continuous phase in the concentrated domain has been highlighted by yield stress and viscosity measurements.An original approach combining model particles, confocal microscopy and 3D reconstruction gives us access to morphological changes experienced by particles in very concentrated medium. The volume decrease experienced by the particles was evaluated. In this work, a model describing the dependence of the viscosity to the volume fraction of soft plant particles was proposed. This model represents a clear progress in the understanding of these systems. No comparable model has ever been proposed in the literature to describe this kind of plant particles.Les purées de fruits et légumes sont considérées dans ce travail comme des suspensions concentrées de particules végétales déformables suspendues dans une phase aqueuse non-Newtonienne, riche en sucre et en pectines solubles. Par une approche de type sciences des matériaux, ce travail a pour but de mieux comprendre et modéliser les relations structure-propriétés de ces systèmes à base de végétaux transformés.Pour limiter les facteurs de variabilité liés à la variété, la maturité ou au procédé de transformation des fruits, un lot unique de purée de pommes Golden Delicious a été utilisé pour l’intégralité de ce travail.L’utilisation de traitements mécaniques variables a permis de mettre en avant l’importance des paramètres de structures sur les propriétés rhéologiques des suspensions de particules végétales et de confirmer l’impact de premier ordre de la concentration en particules sur les propriétés rhéologiques. Trois domaines de concentration ont été mis en évidence et modélisés, permettant ainsi de proposer une définition de la fraction volumique pour ces particules végétales molles et très déformables, la fraction volumique des suspensions de particules végétales ne faisant pas encore consensus en littérature. La définition proposée dans ce travail permet, à phase continue équivalente, d’obtenir une courbe maitresse regroupant les différentes distributions de taille de particules sur toutes les gammes de concentration étudiées.Afin de mieux appréhender l’impact de la phase continue sur le comportement rhéologique des suspensions de particules végétales, des particules modèles ont été mises au point à partir du lot de purée réelle et suspendues dans cinq phases aqueuses modèles variant en viscosité, en composition et en force ionique. Les résultats de cette étude permettent de conclure que les propriétés élastiques des suspensions concentrées sont essentiellement gouvernées par les interactions entre les particules, la phase continue ayant un impact négligeable. Le rôle lubrifiant de la phase continue en domaine concentré a pu être mis en évidence par les mesures de seuil d’écoulement et par les mesures de viscosité.Une approche originale combinant particules modèles, microscopie confocale et reconstitution 3D a permis d’accéder aux modifications morphologiques subies par les particules en milieu très concentré, donnant ainsi accès aux ordres de grandeurs de diminution de volume subie par les particules lors de l’encombrement du système.Ce travail a également permis d’aboutir à la proposition d’une loi d’écoulement permettant de modéliser la dépendance de la viscosité à la fraction volumique occupée par les particules végétales, sur une large gamme de concentration. Ce modèle représente une avancée certaine dans la compréhension de ces systèmes, aucun modèle comparable n’avait encore été proposé dans la littérature sur ce type de particules

Structure/Properties Relationships of Soft Plant Cells Suspensions

Les purées de fruits et légumes sont considérées dans ce travail comme des suspensions concentrées de particules végétales déformables suspendues dans une phase aqueuse non-Newtonienne, riche en sucre et en pectines solubles. Par une approche de type sciences des matériaux, ce travail a pour but de mieux comprendre et modéliser les relations structure-propriétés de ces systèmes à base de végétaux transformés.Pour limiter les facteurs de variabilité liés à la variété, la maturité ou au procédé de transformation des fruits, un lot unique de purée de pommes Golden Delicious a été utilisé pour l’intégralité de ce travail.L’utilisation de traitements mécaniques variables a permis de mettre en avant l’importance des paramètres de structures sur les propriétés rhéologiques des suspensions de particules végétales et de confirmer l’impact de premier ordre de la concentration en particules sur les propriétés rhéologiques. Trois domaines de concentration ont été mis en évidence et modélisés, permettant ainsi de proposer une définition de la fraction volumique pour ces particules végétales molles et très déformables, la fraction volumique des suspensions de particules végétales ne faisant pas encore consensus en littérature. La définition proposée dans ce travail permet, à phase continue équivalente, d’obtenir une courbe maitresse regroupant les différentes distributions de taille de particules sur toutes les gammes de concentration étudiées.Afin de mieux appréhender l’impact de la phase continue sur le comportement rhéologique des suspensions de particules végétales, des particules modèles ont été mises au point à partir du lot de purée réelle et suspendues dans cinq phases aqueuses modèles variant en viscosité, en composition et en force ionique. Les résultats de cette étude permettent de conclure que les propriétés élastiques des suspensions concentrées sont essentiellement gouvernées par les interactions entre les particules, la phase continue ayant un impact négligeable. Le rôle lubrifiant de la phase continue en domaine concentré a pu être mis en évidence par les mesures de seuil d’écoulement et par les mesures de viscosité.Une approche originale combinant particules modèles, microscopie confocale et reconstitution 3D a permis d’accéder aux modifications morphologiques subies par les particules en milieu très concentré, donnant ainsi accès aux ordres de grandeurs de diminution de volume subie par les particules lors de l’encombrement du système.Ce travail a également permis d’aboutir à la proposition d’une loi d’écoulement permettant de modéliser la dépendance de la viscosité à la fraction volumique occupée par les particules végétales, sur une large gamme de concentration. Ce modèle représente une avancée certaine dans la compréhension de ces systèmes, aucun modèle comparable n’avait encore été proposé dans la littérature sur ce type de particules.In this work, fruit and vegetable purees are considered as concentrated suspensions of soft, deformable plant particles, suspended in a non-Newtonian aqueous phase, containing sugar and soluble pectins. Using a materials science approach, this work aims in better understanding and modelling the structure/properties relationships of plant based processed systems.A single batch of Golden Delicious apple puree was used in this work to avoid variability related to variety, maturity or processing method.Mechanical treatments were used to highlight the impact of structural parameters on the rheological behaviour of plant particles suspensions. It confirms the first order impact of particle concentration on rheological properties. Three concentration domains have been identified and modelled, allowing to provide a definition of the volume fraction for these soft and highly deformable plant particles. The volume fraction of plant particle suspensions is not forming consensus yet in literature. The definition proposed in this work allows to built a master curve bringing together the different particle size distributions, all over the concentrations studied.To understand the impact of the continuous phase on the rheological behaviour of plant particle suspensions, model particles have been developed from the original batch of apple puree. Model particles were suspended in five controlled aqueous phases varying in viscosity, composition, and ionic strength. This study shows that elastic properties of concentrated suspensions are essentially governed by the interactions between the particles, continuous phase having a negligible impact. The lubricating role of the continuous phase in the concentrated domain has been highlighted by yield stress and viscosity measurements.An original approach combining model particles, confocal microscopy and 3D reconstruction gives us access to morphological changes experienced by particles in very concentrated medium. The volume decrease experienced by the particles was evaluated. In this work, a model describing the dependence of the viscosity to the volume fraction of soft plant particles was proposed. This model represents a clear progress in the understanding of these systems. No comparable model has ever been proposed in the literature to describe this kind of plant particles

Impact of continuous phase and particle content on rheological behaviour of apple cells suspensions

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Impact of continuous phase and particle content on rheological behaviour of apple cells suspensions

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Effect of structural parameters on rheological behaviour of reconstructed puree

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Effect of structural parameters on rheological behaviour of apple cells dispersions: A comparison of real systems and model systems.

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Soft plant cells suspensions: How does structural parameters and continuous phase impact rheological behaviour?

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Influence of particle size and concentration on rheological behaviour of reconstituted apple purees

International audienceThis work investigates the impact of structural parameters on the rheological behaviour of apple purees. Reconstructed apple purees from 0 g/100 g up to 2.32 g/100 g of insoluble solids content and varying in particle size were prepared. Three different particle size distributions were obtained by mechanical treatment only, to modify both size and morphology of the particles without modifying the intrinsic rigidity of the cell walls. Rheological measurements showed that the insoluble solids content have a first order effect on the rheological behaviour of the suspensions: three concentrations domains were observed in both dynamic and flow measurements. A model is proposed for each domain. The existence of a weak network between particles is clearly shown over a critical concentration of insoluble solids (cell walls) depending on particle size distribution (semi-diluted domain). In a concentrated domain, particles are on close packing conditions and their apparent volume begin to shrink. Particle size and shape also play an important role on the rheological behaviour of reconstructed apple puree. Due to their irregular shape, cell clusters clog the medium at lower concentration compared to individual cells

Soft plant cells suspensions: How does structural parameters and continuous phase impact rheological behaviour?

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