Soutenance mémoire
La précipitation par les sels de calcium
Impacts de la consommation du jus de canneberge
Les effets santé du jus de canneberge
La consommation du jus de canneberge permet la prise de composés phénoliques, notamment les anthocyanes et les PACs qui ont de potentiels effets bénéfiques sur la santé humaine, dont la prévention de l’adhésion de certains micro-organismes, la prévention des maladies cardio-vasculaires et la prévention du cancer.Un des principaux effets santé des PACs est la prévention de l’adhésion de certains microorganismes. Cette étape est une étape clé lors du mécanisme d’infection. Ainsi, de cette propriété d’anti-adhésion est reliée la capacité du jus de canneberge à prévenir les infections urinaires, la plaque dentaire et les ulcères gastriques (Vasileiou et al. 2013; Feghali et al. 2012; Burger et al. 2002). Dans le cas de la prévention des infections urinaires, la capacité d’anti-adhésion est due à la présence des PACs de type A. En effet, ces molécules peuvent interagir avec les structures fimbriae des Escherichia coli, structures responsables de l’adhésion des bactéries aux cellules de l’épithélium urinaire. Cet effet n’est pas présent pour les PACs de type B (Howell et al. 2005). En ce qui concerne la plaque dentaire, des extraits contenant des PACs peuvent prévenir l’adhésion de bactéries qui forment les biofilms sur les dents, particulièrement l’adhésion de certains Streptococcus, qui sont des espèces colonisatrices (Feghali et al. 2012; Howell et al. 2012). De plus, il a été démontré que des extraits de canneberge dans lesquels sont présents des PACs pouvaient aider à prévenir l’adhésion d’Helicobacter pylori. Cette bactérie joue un rôle dans la formation des ulcères gastriques puisqu’elle est capable d’adhérer aux cellules de l’épithélium gastrique et de provoquer de l’inflammation (Burger et al. 2000; Shmuely et al. 2004).Les PACs et les anthocyanes ont des potentiels antioxydant et anti-inflammatoire qui leur confèrent une capacité pour la prévention des maladies cardiovasculaires (MCVs) (Howell 2012). En effet, les MCVs sont principalement causées par des mécanismes complexes où interviennent stress oxydatif et inflammation (Minuz et al. 2006; Schulze & Lee 2005). Par exemple, l’athérosclérose peut être déclenchée par l’oxydation du cholestérol circulant sous forme de lipoprotéines de faible densité (LDL). Les composés phénoliques du jus de canneberge peuvent limiter l’oxydation du cholestérol LDL, en plus d’aider à moduler le taux de cholestérol LDL et de cholestérol circulant sous forme de lipoprotéines de haute densité (HDL) (Feghali et al. 2012). Ceci peut se faire entre autres, par une augmentation du cholestérol HDL dans le plasma et une augmentation des récepteurs du cholestérol LDL.
En plus des effets qui ont été présentés précédemment, les PACs et les anthocyanes présents dans le jus de canneberge peuvent avoir un effet pour la prévention du cancer. En effet, ils peuvent inhiber l’activité de l’ornithine décarboxylase, une enzyme impliquée dans la prolifération cellulaire et qui est surproduite en cas de cancer (Bomser et al. 1996). De plus, bien qu’il n’y ait pas de cas documenté avec la canneberge seule, les anthocyanes pourraient aider à limiter l’angiogenèse (Roy et al. 2002). Aussi, les PACs de la canneberge pourraient induire des changements au niveau de l’apoptose des cellules (Kresty et al. 2008). Plusieurs constituants de la canneberge, dont les PACs, ont démontré un potentiel cytotoxique pour des cellules tumorales lors d’essais d’inhibition in vitro. Les PACs semblent avoir un effet assez spécifique contre les cellules cancéreuses, mais nécessitent des concentrations minimales de l’ordre de 10 mol/L (Neto et al. 2006).
Les effets des acides organiques du jus de canneberge
La présence des acides organiques dans le jus de canneberge fait en sorte que le produit a une acidité titrable élevée et un pH assez bas (avoisinant 2,4). Ces caractéristiques entraînent des répercussions au niveau sensoriel, ce qui peut gêner les consommateurs. En effet, le manque de palatabilité du jus de canneberge brut a été une cause d’abandon lors d’études cliniques destinées à étudier les effets santé de ce produit (Jepson et al. 2009). De plus, les acides organiques du jus brut peuvent provoquer des effets secondaires comme des troubles gastro-intestinaux (saignement, diarrhée, vomissement) chez des personnes sensibles lorsque le jus est consommé à long terme. Cette situation a aussi été la cause d’abandon pour des études cliniques (Wing et al. 2008; McMurdo et al. 2005). Ces effets secondaires ne sont pas enregistrés lors d’études pour lesquelles sont utilisés des extraits de composés phénoliques de canneberge, puisque ces extraits ne contiennent pas d’acide.
Les méthodes de désacidification des boissons acides
En raison de la démonstration récente des bénéfices santé de la canneberge, la consommation de ce petit fruit a considérablement augmenté au cours des dernières années (MAPAQ 2010). Même si la consommation du jus de canneberge reste un moyen possible pour profiter de ces effets santé, les consommateurs ne sont guère enclins à se tourner vers ce produit en raison de son goût acide et des possibles troubles intestinaux qu’il peut engendrer. Une façon d’augmenter la palatabilité du jus de canneberge brut est d’y ajouter une certaine quantité de sucre ou de le mélanger avec des jus qui ont naturellement un goût plus doux ou des teneurs en sucre naturellement plus élevées, comme les jus de pomme et de raisin. À long terme, cette avenue est difficilement envisageable en raison de la forte augmentation des cas de diabète de type II au sein de la population mondiale. Une voie beaucoup plus intéressante pour rendre le jus de canneberge accessible aux consommateurs est de le désacidifier. Plusieurs méthodes de désacidification sont actuellement disponibles : précipitation par les sels de calcium, résines échangeuses d’ions, électrodialyse. Cette dernière méthode s’inscrit bien dans les tendances actuelles où les procédés respectueux de l’environnement gagnent en popularité.
La précipitation par les sels de calcium
La précipitation par les sels, méthode dont la mise en œuvre est facile, permet de réduire simplement l’acidité des boissons. Un sel de calcium, comme le carbonate de calcium (CaCO3) ou l’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2), est ajouté au produit. Le sel fait précipiter les acides organiques contenus dans la boisson qui peuvent ensuite être retirés par filtration. Une étape de réassemblage avec une certaine quantité de produit brut est souvent nécessaire. Les réactions de précipitation avec l’acide citrique sont les suivantes (Vera et al. 2003) :
2H3Cit + 3CaCO3 Ca3(Cit)2 + 3H2O + 3CO2 (4)
2H3Cit + 3Ca(OH)2 Ca3(Cit)2 + 6H2O (5)
Cette méthode, qui a l’avantage d’être peu dispendieuse, peut cependant avoir des répercussions sur les propriétés organoleptiques du produit désacidifié. De plus, la réaction peut provoquer une hausse du pH, ce qui peut avoir des conséquences sur les équilibres physico-chimiques, la stabilité et la couleur du produit désacidifié. Un certain volume de liquide est perdu dans la réaction de précipitation et la méthode peut poser des problèmes sur le plan législatif puisque l’ajout de substances dans les produits alimentaires n’est pas toujours permis (Beelman & Gallander 1979; Vera et al. 2003).
La précipitation par les sels de calcium a déjà été utilisée pour réduire l’acidité du vin et du jus de fruit de la passion (Beelman & Gallander 1979; Vera Calle el al. 2002; Vera et al. 2003). Pour le vin, le carbonate de calcium permet de réduire la teneur en acide tartrique. Or, ce produit contient aussi de l’acide malique. Pour être en mesure de retirer cet acide, la méthode des doubles sels est à préconiser.
Les résines échangeuses d’ions
Les résines échangeuses d’ions permettent l’adsorption réversible d’ions. Elles sont constituées d’une matrice polymérique à laquelle sont fixés, par des liaisons covalentes, des groupements fonctionnels chargés. Ces groupes chargés sont neutralisés par un contre-ion. Lorsque la boisson à traiter est mise en contact avec la résine, les ions de la solution s’adsorbent à la résine et celle-ci relâche son contre-ion (pour lequel la résine a moins d’affinité que pour l’ion qui a été fixé) (Berk. 2009). Pour une résine échangeuse de cations (R), la réaction est la suivante :RNa + K+(solution) ↔ RK + Na+(solution) (6)
Les résines échangeuses d’ions peuvent être régénérées pour permettre leur réutilisation. Dans ce cas, les ions qui ont été fixés sont élués et remplacés par le contre-ion. Les ions récupérés sont difficilement valorisables et la régénération entraîne la production d’un grand volume d’effluents (Vera et al. 2003). Cette technique est efficace et bien maîtrisée, mais peut entraîner des modifications organoleptiques du produit, puisque le contre-ion de la résine se trouve dans le produit final.Les résines échangeuses d’anions ont été utilisées pour désacidifier des jus de fruits, comme du jus de citron, du jus d’orange et du jus de fruit de la passion. La réaction est la suivante :
ROH + Cit-(solution) ↔ RCit + OH-(solution) (7)
Dans le cas du jus d’orange, des taux de désacidification de l’ordre de 57 à 87 % peuvent être atteints (Couture & Rouseff 1992) et cette technique permet aussi de diminuer l’amertume du jus désacidifié (Berk 2009). Pour le jus de fruit de la passion, les auteurs déploraient les modifications quant à la composition du jus obtenu, les piètres qualités organoleptiques du produit fini, de même que la quantité d’effluents produits (Vera Calle et al. 2002).
L’électrodialyse
Généralités sur l’électrodialyse
L’électrodialyse est une technique de séparation électromembranaire pour laquelle les espèces ioniques migrent au travers de membranes permsélectives d’une solution à une autre, sous l’influence d’un champ électrique. Les différents ions peuvent ainsi être transportés en fonction de leur charge (Bazinet & Castaigne 2011). L’ÉD, une méthode combinant dialyse et électrolyse, peut être utilisée pour séparer, purifier ou concentrer des molécules selon les applications visées (Bazinet 2005).L’électrodialyse présente de nombreux avantages, autant pour la qualité du produit obtenu que pour ses faibles impacts environnementaux. En effet, cette technique utilise l’électricité comme force motrice, une énergie verte, du moins au Québec et ne nécessite aucun solvant. De plus, l’électricité nécessaire au procédé ne sert qu’au transport d’une solution à l’autre des espèces chargées; leur nature chimique reste donc intègre (Bazinet & Castaigne 2011).
Un module d’électrodialyse, aussi nommé électrodialyseur, est composé de membranes, judicieusement choisies en fonction de l’application visée, qui sont séparées par des cadres. Ceux-ci supportent les membranes et aident à promouvoir la turbulence. Aux extrémités du module se trouvent une anode et une cathode, reliées à un générateur de courant, qui permettent de créer la différence de potentiel électrique nécessaire au procédé. Dans sa forme la plus simple, l’électrodialyseur permet la circulation de trois solutions (Figure 5) : la solution à traiter, une solution de récupération dans laquelle migrent les ions et une solution aux électrodes (électrolyte), responsables du transfert du courant. Ces différentes solutions sont reliées chacune à un réservoir et peuvent circuler grâce à des pompes.Plusieurs paramètres peuvent jouer un rôle dans l’efficacité énergétique du procédé, notamment la densité du courant électrique, la surface totale des membranes, l’épaisseur des cadres séparateurs, la conductivité électrique du produit à traiter et les caractéristiques des membranes, dont leur résistance. Pour des cellules d’électrodialyse de taille laboratoire, l’efficacité de courant varie entre 80-90 %, alors qu’elle est plutôt de l’ordre de 60 % pour les électrodialyseurs de taille industrielle (Bazinet & Castaigne 2011). Les différences peuvent être dues à des pertes de charges, notamment dans les tuyaux. Trois équations sont d’ailleurs nécessaires pour calculer l’efficacité de courant (EC) :
Q est le nombre de charges transportées (C), n le nombre de moles (mol), I l’intensité du courant (A), t la durée du traitement (s), F la constante de Faraday et éq la différence d’équivalent de masse transporté (éq).
Les membranes utilisées en électrodialyse
Trois différents types de membranes peuvent être utilisés dans un module d’électrodialyse. Selon les applications visées, les différentes membranes peuvent être utilisées seules ou en combinaison.
Les membranes échangeuses d’ions
Les membranes échangeuses d’ions (MÉIs), aussi nommées membranes monopolaires, ont été les premières membranes à être utilisées dans les systèmes d’ÉD. Ces membranes ne sont perméables qu’à un seul type d’ion, soit les cations pour les membranes échangeuses de cations (MÉCs) ou les anions pour les membranes échangeuses d’anions (MÉAs). Dans les deux cas, elles sont faites d’un squelette macromoléculaire inerte (matrice) auquel sont fixés des groupements ioniques, généralement 3-4 méq/g ou plus (Baker 2004). La nature de ces groupements ioniques fixes constitue la principale différence entre les MÉCs et les MÉAs. En effet, pour les MÉCs, les groupements utilisés ont une charge négative et les principaux sont les groupements sulfoniques (-SO3-), carboxyliques (-COO-), arsoniques (-AsO32-) ou phosphoriques (-PO32-) (Bazinet & Castaigne 2011). Les groupements des MÉA ont plutôt une charge positive et les plus fréquemment rencontrés sont les groupements alkyl ammonium (-NR3+, -NHR2+, -NH2R+), phosphnium (-PR3+) et sulfonium (-SR2+) (Bazinet & Castaigne 2011).
En solution aqueuse, les groupements ioniques sont neutralisés par des charges opposées mobiles nommées contre-ions. Lorsqu’un courant électrique est appliqué, les contre-ions peuvent migrer d’un groupement à l’autre sur la matrice et ainsi traverser la membrane. Par contre, les charges mobiles de même signe que les groupements ioniques fixes (co-ions) sont rejetées de la membrane. La permsélectivité de MÉIs est donc le résultat d’un phénomène de répulsion électrostatique nommé exclusion de Donnan. Ainsi, pour une MÉAs, les cations (co-ions) sont exclus de la membrane, ce qui permet aux anions (contre-ions) seuls de migrer d’un groupement fonctionnel à l’autre au travers de la membrane sous l’influence d’un champ électrique.
Les MÉIs peuvent être classées en deux grandes catégories : les membranes homogènes et les membranes hétérogènes. Pour les membranes hétérogènes, les charges ne sont pas nécessairement réparties uniformément au sein de la matrice inerte comme c’est le cas pour les membranes homogènes. Ainsi, la membrane peut présenter des zones très chargées et d’autres qui le sont moins. Ces différences entre les deux types de membranes sont dues à leur différent mode de fabrication : les membranes hétérogènes sont faites par dispersion de particules échangeuses d’ions dans une matrice de polymère extrudée pour créer un film, alors que les membranes homogènes peuvent être obtenues par copolycondensation ou copolymérisation de monomères (Yaroslavtsev & Nikonenko 2009). Les membranes homogènes semblent avoir de meilleures propriétés pour le transport des ions que les membranes hétérogènes (Gohil et al. 2004).Les MÉIs ont l’avantage d’avoir une haute permsélectivité, une haute perméabilité sous l’effet d’une force motrice, de bonnes stabilités chimique et physique et une bonne durabilité. Ces propriétés font en sorte que ces membranes sont utilisées dans de nombreuses applications dont le dessalement de l’eau de mer, la déminéralisation de produits alimentaires tels que le lactosérum, etc. (Nagarale et al. 2006; Gernigon et al. 2011).
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Revue de littérature
1.1 La canneberge
1.1.1 Informations générales
1.1.2 La composition de la canneberge
1.2 Le jus de canneberge
1.2.1 La fabrication du jus de canneberge
1.2.2 La composition du jus de canneberge
1.2.3 Impacts de la consommation du jus de canneberge
1.3 Les méthodes de désacidification des boissons acides
1.3.1 La précipitation par les sels de calcium
1.3.2 Les résines échangeuses d’ions
1.3.3 L’électrodialyse
Chapitre 2 : But, hypothèse et objectifs
Chapitre 3 : Drastic Reduction in Energy Consumption and Improvement of Ecoefficiency of Cranberry Juice Deacidification by Electrodialysis with Bipolar Membranes at Semi-industrial Scale: Reuse of the Recovery Solution
Résumé
Abstract
3.1 Introduction
3.2 Material and methods
3.2.1 Cranberry juice
3.2.2 Electrodialysis cell
3.2.3 Protocol
3.2.4 Analyses
3.3 Results and discussion
3.3.1 pH and conductivity
3.3.2 Titratable acidity
3.3.3 Anthocyanin, PACs and total polyphenol contents
3.3.4 Calcium, potassium, magnesium, chlorine, sodium and phosphorus concentrations
3.3.5 Organic acids content
3.3.6 Relative energy consumption
3.3.7 Current efficiency
3.3.8 Feedback on long-term deacidification protocol
3.4 Conclusion
Chapitre 4 : Discussion générale, conclusion et perspectives
4.1 Discussion générale et conclusion
4.2 Perspectives
Bibliographie
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