Relations Structure/Propriétés de Suspensions de Particules Végétales

Abstract

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