Soutenance mémoire
PROCESSING OF JICARO SEEDS IN TWO LOCALITIES IN THE NORTHWEST OF NICARAGUA
Propriétés physico – chimiques de graines de jicaro
La première partie de cette thèse (publier sur rapport-gratuit.com) porte sur la composition physico – chimique de la graine de jicaro. La caractérisation a été réalisée sur trois types différents d’échantillons : la graine entière telle qu’elle peut être trouvée sur le marché, le cotylédon et la coque. Plusieurs techniques d’analyse ont été utilisées dans le processus. Aucun traitement chimique ou thermique n’a été appliqué dans la préparation des échantillons pour préserver l’intégrité de leur composition. Nous avons confirmé que les principaux nutriments de la graine sont les protéines, les lipides et les fibres (33,4%, 33,8% et 23,6%, respectivement). On a montré que la teneur en lipides était comparable à celle d’autres graines d’oléagineux telles que les graines de lin, de graines de coton ou de carthame (McKevith, 1985), et supérieure quant à la teneur en lipides à la graine de soja. Avec ces caractéristiques, on peut considérer la graine de jicaro comme une plante protéo-oléagineuse. La teneur en protéines (43,6% b.s.) dans les cotylédons est comparable à la valeur trouvée dans le soja détrempé (42%). Son profil en acides aminés est également similaire à celui du soja décortiqué, qui est considéré comme une source de protéines essentielles de haute qualité en nutrition humaine. Ces résultats sont conformes aux études antérieures qui ont démontré le bon coefficient d’efficacité protéique (CEP) des graines de jicaro (Bressani, 1963). De plus, l’analyse protéomique a montré que les protéines dominantes sont de faible poids moléculaire, principalement des albumines, qui ont une bonne solubilité. Cette propriété est très pratique pour la fabrication d’un lait végétal, car les protéines peuvent être extraites sans nécessiter des traitements chimiques. Cela se reflète dans la teneur élevée en protéines du lait de jicaro.
Contrairement au soja, la teneur en facteurs antinutritionnels est négligeable : les seules traces trouvées étaient pour les inhibiteurs de la trypsine (<0,1 TIU / mg) et les alpha-galactosides (stachyose, raffinose : 0,14 et <0,1% b.s respectivement). D’autre part, nous avons constaté l’absence d’amidon dans la composition de la graine comme pour le soja, le coton ou la graine de lin, des plantes qui consomment pendant leur maturation toutes leur réserve d’amidon (Saldivar et al., 2011). Ce résultat est aussi compatible avec le faible indice glycémique du lait de jicaro que nous avons observé. Les teneurs en minéraux étaient semblables à celles du soja, sauf le fer qui était beaucoup plus élevé dans les graines de jicaro (159 mg / kg vs 55 mg / kg). Cependant, comparativement aux autres graines oléagineuses, les teneurs en minéraux étaient beaucoup plus élevées (Bernat et al., 2014).
Ce résultat est à rapprocher du fait que le jicaro a un système radiculaire extrêmement profond (jusqu’à 7 m) qui lui permet de survivre à un environnement sec dans des sols relativement pauvres. Un autre résultat intéressant a été le profil protéomique, qui a révélé l’existence de protéines liées à l’embryogenèse, les protéines de choc thermique, ce qui peut expliquer la résistance exceptionnelle du jicaro à l’extrême climat des régions sèches. Malgré tous ces avantages la graine de jicaro est inexploitée en raison des trois faits fondamentaux : le premier est qu’elle demeure une plante encore peu domestiquée et il n’y a pas d’études agronomiques qui encouragent la culture à l’échelle industrielle. Deuxièmement, il n’existe pas de procédé efficace pour séparer les graines des fruits, puisque ce procédé est pratiqué dans la plupart des cas de façon artisanale sans utilisation de machines, ce qui limite sa disponibilité sur le marché. Et troisièmement le manque de technologies pour sa transformation.
La torréfaction afin de faciliter le décorticage
La deuxième partie de cette thèse tente de trouver des réponses à ces limitations. Un procédé innovant de décorticage qui associe la torréfaction et le conditionnement de l’humidité du grain est présenté. Le chalenge dans ce travail a été d’enlever la coque de la graine pour obtenir les cotylédons blancs, puisque la couleur brune des coques donne un aspect foncé au lait obtenu (comme dans la boisson traditionnelle « horchata »). De plus les coques riches en fibres insolubles donnent une sensation sableuse en bouche. La couleur claire et l’homogénéité du produit sont essentielles afin d’élaborer un lait qui puisse être compétitif avec d’autres laits végétaux. De plus, l’élimination de la coque s’est révélée un moyen efficace d’augmenter la teneur en protéines et d’améliorer la digestibilité enzymatique d’autres graines telles que le sésame (Johnson et al., 1979). La torréfaction de graines de jicaro (30 g par lot) a été réalisée dans un torréfacteur électrique Probat BRZ2. On a testé différentes combinaisons de température et de temps de torréfaction (120, 140 et 160 ° C et respectivement 80, 100, 120, 140, 160 et 180 s).
Les résultats ont montré que la torréfaction optimale a été obtenue à 160 ºC pendant 150 s, avec 90% des graines ouvertes et une perte de luminosité inférieure à 10% (c’est-à-dire L ≥ 72). La conservation de la couleur blanche des cotylédons était une condition clé du procédé pour l’obtention du lait et a été considérée comme une variable d’optimisation, avec le pourcentage de graines ouvertes. Un modèle cinétique de déshydratation et de luminosité a été obtenu et la relation entre la teneur en humidité et le nombre de graines ouvertes a été établie. Avec cette modélisation, un ensemble de contraintes (plus de 90% des graines ouvertes, moins de 10% de perte de luminosité) ont été fixées pour obtenir les meilleures valeurs des paramètres de procédé. La déshydratation soudaine a permis l’ouverture de la coque lorsque l’effet de gonflement (puffing) est apparu. Les ruptures apparaissaient comme des marques sur la surface de la coque. Cet effet a été observé dans d’autres produits soumis à la torréfaction tels que le riz (Chandrasekhar and Chattopadhyay, 1988), l’arachide (Dean et al., 2014) ou l’amarante (Castro-Giráldez et al., 2012). Un autre effet de la torréfaction est la coalescence des corps lipidiques qui ont formé une couche autour de la surface interne de la paroi cellulaire, probablement parce que les protéines (oléosines et caleosine) stabilisant les corps lipidiques ont été dénaturées par la chaleur. En conséquence, l’extractibilité lipidique a été augmentée significativement.
Elaboration d’un lait végétal à partir des graines décortiquées
Une analyse préliminaire a été réalisée pour évaluer la faisabilité de l’élaboration du lait de jicaro provenant entièrement des cotylédons (graines décortiquées) de jicaro. Le trempage, le drainage, le broyage et la filtration ont été les opérations utilisées pour obtenir une émulsion. Ensuite, le lait a été soumis à un traitement d’homogénéisation. La stabilité de la suspension a été évaluée visuellement. La distribution granulométrique a été déterminée par diffusion de la lumière laser. Les mesures rhéologiques ont été effectuées en utilisant un rhéomètre Physica MCR301. Des analyses des lipides, des protéines et des minéraux ont été effectuées sur le lait et les coproduits. Une bonne extractibilité de la protéine a été obtenue dans le milieu aqueux, ce qui est cohérent avec le type de protéines trouvées au cours de l’analyse protéomique des graines de jicaro. Comme sous-produit du filtrage ultérieur, on obtient un tourteau riche en protéines et en huile. Cela pourrait être utilisé dans la production de biscuits ou de collations contribuant à la valeur ajoutée du procédé proposé. L’objectif initial de maintenir toutes les propriétés des graines de jicaro (valeur nutritionnel et arôme agréable) avec une couleur claire a été atteint : plus de 6% de matière grasse et plus de 4% de teneur en protéine avec une couleur similaire à celle des cotylédons non torréfiés.
Différentes conditions de trempage ont été analysées sans impact significatif, à l’exception de la teneur en matières grasses, qui a légèrement diminué avec le temps de trempage et la valeur de la composant de couleur a* : l’eau de trempage est devenue plus verte à mesure que la température et le temps augmentaient. Pour évaluer de potentiels impacts sur la santé du lait de jicaro, nous avons effectué une étude sur la mesure de l’indice glycémique avec des volontaires et une étude métabolomique du metabolome urinaire suite à une intervention nutritionnelle aigue et cours terme avec du lait de jicaro. Nous avons montré que le lait de jicaro a un index glycémique relativement faible, comparé au lait de soja ce qui en fait une bonne alternative dans l’alimentation des personnes diabétiques.
L’analyse métabolomique a montré qu’il n’existe pas de de différence significative entre le métabolome urinaire des sujets sains après 7 jours de consommation du lait de jicaro. Néanmoins, l’étude aigue montre l’excrétion urinaire suite à l’ingestion d’un tri-saccharide. Celui-ci n’a pas été détecté au cours des analyses physico-chimiques classiques car il pourrait s’agir d’un oligosaccharides rares (plantéose), concentrés dans les graines des bignoniacées dont fait partie le jicaro. Il n’y a pas d’information sur la biodisponibilité de ce composé qui n’est pas métabolisé en sucre simple au cours de la digestion ce qui pourrait également expliquer le faible indice glycémique observé. Il existe encore quelques points dans l’élaboration du lait et l’évaluation de sa qualité qui nécessitent une étude plus approfondie. Entre autres, il serait nécessaire de développer un mécanisme de filtration plus performant, d’optimiser la phase d’homogénéisation afin d’obtenir une émulsion plus stable, de confirmer la présence d’un oligosaccharide et réaliser une analyse sensorielle du lait pour déterminer l’acceptation de ce produit.
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Table des matières
INTRODUCTION
1.1 CONTRIBUTIONS
1.2 PUBLICATIONS
1.3 ORGANIZATION OF THESIS
STATE OF THE ART
2.1 ORIGIN AND DISTRIBUTION OF JICARO TREE
2.2 BOTANICAL PRESENTATION OF JICARO TREE
2.3 PHYSICOCHEMICAL COMPOSITION
2.3.1 JICARO PULP
2.3.2 SEEDS
2.4 IMPORTANCE OF JICARO TREE IN THE AGRO–SILVOPASTORAL SYSTEMS IN ARID REGIONS.
2.5 JICARO SEEDS OBTAINING PROCESS
2.5.1 PROCESSING OF JICARO SEEDS IN TWO LOCALITIES IN THE NORTHWEST OF NICARAGUA
2.5.2 STAGES
2.5.2.1 Harvesting of the fruits
2.5.2.2 Transportation and storage
2.5.2.3 Extraction of the pulp
2.5.2.4 Flotation
2.5.2.5 Drying
2.5.2.6 Storage
2.5.3 GENERAL VIEW AND COMPARISON
2.6 OLEAGINOUS
2.6.1 OVERVIEW
2.6.2 COMPOSITION
2.6.2.1 Storage reserves
2.6.2.2 Other components
2.6.2.3 Anti-nutritional factors (ANFs)
2.6.3 USES OF OLEAGINOUS
2.7 ROASTING TECHNOLOGY
2.7.1 OVERVIEW
2.7.2 METHODS
2.7.3 TYPES OF ROASTER
2.7.3.1 Batch roaster
2.7.3.2 Continuous roaster
2.7.3.3 Fluidized-bed roaster
2.7.3.4 Microwave roasting
2.7.4 PHYSICOCHEMICAL CHANGES INDUCED BY ROASTING
2.7.4.1 Physical changes
2.7.4.2 Chemical transformations
2.8 DEHULLING (DECORTICATION)
2.8.1 MECHANICAL DEHULLING
2.8.2 CHEMICAL DEHULLING
MATERIALS AND METHODS
3.1 RAW MATERIAL
3.1.1 ORIGIN
3.1.2 SAMPLES
3.2 PHYSICOCHEMICAL ANALYSIS
3.2.1 MOISTURE
3.2.2 CRUDE PROTEIN
3.2.3 CRUDE FAT
3.2.4 ASH
3.2.5 FIBER
3.2.6 SUGARS
3.2.7 MINERAL COMPOSITION
3.2.8 PHYTATE DETERMINATION
3.2.9 PHENOLIC DETERMINATION
3.2.10 TANNINS DETERMINATION
3.2.11 TOCOPHEROLS ANALYSIS
3.2.12 FATTY ACID COMPOSITION
3.2.13 FREE AMINO ACIDS ANALYSIS
3.2.14 TRYPSIN INHIBITOR ACTIVITY
3.3 MICROSCOPIC ANALYSIS
3.3.1 SCANNING ELECTRON MICROSCOPE (SEM)
3.3.2 HISTOLOGICAL ANALYSIS OF DEHULLED JICARO SEEDS
3.3.3 CONFOCAL LASER SCANNING MICROSCOPY
3.4 COLOR MEASUREMENT
3.5 ANALYSES OF VOLATILE COMPOUNDS
3.5.1 HEADSPACE SOLID PHASE MICRO EXTRACTION (HS-SPME)
3.5.2 SOLVENT-ASSISTED FLAVOR EVAPORATION (SAFE)
3.5.3 GAS CHROMATOGRAPHY / MASS SPECTROMETRY (GC/MS) OF SAFE EXTRACTS
3.5.4 OLFACTORY DETECTION PORT (ODP) OF SPME EXTRACTS
3.6 PROTEOMIC ANALYSIS
3.6.1 QUANTIFICATION OF PROTEIN
3.6.2 REVERSE PHASE HPLC ELECTROPHORESIS
3.6.3 ELECTROPHORESIS
3.6.4 MASS SPECTROMETRY
3.7 ROASTING JICARO SEEDS
3.8 DEHULLING JICARO SEEDS
3.9 PROCESS DEVELOPED FOR MAKING JICARO MILK
3.9.1 RAW MATERIALS
3.9.2 HOMOGENIZATION
3.9.3 PHYSICOCHEMICAL ANALYSIS OF THE JICARO MILK
3.9.3.1 Suspension stability
3.9.3.2 Particle size
3.9.3.3 Rheological characterization.
3.9.3.4 Crude protein
3.9.3.5 Crude fat
3.9.3.6 Ash
3.9.3.7 Color
3.9.3.8 Tocopherols
3.9.3.9 Volatile compounds
3.9.3.10 Analysis of milk microscopy
3.10 NUTRITIONAL INTERVENTION STUDY ON THE JICARO MILK
3.10.1 DETERMINATION OF THE GLYCEMIC INDEX (GI)
3.10.2 METABOLOMICS STUDY OF URINE AFTER CONSUMPTION
3.10.2.1 Study design
3.10.2.2 Analysis by mass spectrometry
3.10.2.3 Data processing
RESULTS
4.1 PHYSICOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF JICARO SEEDS (CRESCENTIA ALATA H.B.K.): A NOVEL PROTEIN AND OLEAGINOUS SEED
4.1.1 INTRODUCTION
4.1.2 MATERIALS AND METHODS
4.1.2.1 Raw materials
4.1.2.2 Chemical analysis
4.1.2.3 2.3. Soluble sugars
4.1.2.4 Fiber content
4.1.2.5 Mineral composition
4.1.2.6 Phytate determination
4.1.2.7 Total phenolic content
4.1.2.8 Tannin determination
4.1.2.9 Tocopherol analysis
4.1.2.10 Fatty acid composition
4.1.2.11 Amino acid composition
4.1.2.12 Proteomic profiling
4.1.2.13 Trypsin inhibitor
4.1.3 RESULTS AND DISCUSSION
4.1.3.1 Seed structure
4.1.3.2 Main chemical composition
4.1.3.3 Fatty acid composition
4.1.3.4 Amino acid and protein compositions
4.1.3.5 Proteomic analysis of jicaro cotyledon
4.1.4 CONCLUSIONS
4.2 KEY ODOR AND PHYSICOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF RAW AND ROASTED JICARO SEEDS (CRESCENTIA ALATA K.H.B.)
4.2.1 INTRODUCTION
4.2.2 MATERIALS AND METHODS
4.2.2.1 Raw materials
4.2.2.2 Roasting process
4.2.2.3 Jicaro samples for analysis
4.2.2.4 Bulk density
4.2.2.5 Chemical analyses
4.2.2.6 Confocal laser scanning microscopy
4.2.2.7 Extraction of volatile compounds
4.2.2.8 Analyses of volatile compounds
4.2.2.9 Quantification and semi quantification of volatile compounds
4.2.2.10 Statistical analysis
4.2.3 RESULTS AND DISCUSSION
4.2.3.1 Effect of roasting on physicochemical properties of jicaro seeds
4.2.3.2 Identification and quantification of volatile compounds
4.2.3.3 Determination of key aroma compounds by frequency of detection in olfactometry
4.2.4 CONCLUSION
4.3 INNOVATIVE PROCESS COMBINING ROASTING AND DEHULLING FOR THE VALORIZATION OF JICARO SEEDS (CRESCENTIA ALATA K.H.B)
4.3.1 INTRODUCTION
4.3.2 MATERIALS AND METHODS
4.3.2.1 Raw materials
4.3.2.2 Roasting and opening of jicaro seeds
4.3.2.3 Physicochemical analysis
4.3.2.4 Kinetic modeling
4.3.2.5 Mechanical dehulling of the roasted seeds
4.3.3 RESULTS AND DISCUSSION
4.3.4 CONCLUSION
4.4 PRELIMINARY STUDY ON THE ELABORATION OF A VEGETAL MILK FROM DEHULLED JICARO SEEDS
4.4.1 INTRODUCTION
4.4.2 PROCESS FOR MAKING VEGETAL MILKS
4.4.3 RESULTS AND DISCUSSION
4.4.3.1 Process flowsheet of jicaro milk
4.4.3.2 Effect of soaking temperature and soaking time
4.4.3.3 Effect of the presence of the seed coat in jicaro milk color
4.4.3.4 Rheological and particle size measurements of jicaro milk
4.4.3.5 Physicochemical composition of jicaro milk
4.4.3.6 Confocal laser scanning microscopy of jicaro milk
4.4.3.7 Suspension stability of jicaro milk
4.4.3.8 Clinical study with human volunteers
4.4.4 CONCLUSION
GENERAL DISCUSSION
5.1 PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF JICARO SEEDS
CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES
6.1 PERSPECTIVES
REFERENCES
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