Thèse Stabilisation Thermique des Oxydases pour Prévenir le Rancissement des Farines de Légumineuse Approches Expérimentales et Numériques H/F - 34

Établissement : Institut Agro Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : IATE - Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
Direction de la thèse : Bernard CUQ ORCID 0000000223721252
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

Le développement des aliments à base de légumineuses s'inscrit dans les priorités de France 2030, d'Horizon Europe et des Objectifs de Développement Durable, qui soutiennent la transition vers des systèmes alimentaires plus durables et une végétalisation accrue des régimes alimentaires. Dans ce contexte, les farines de légumineuses représentent une voie stratégique de diversification des ingrédients végétaux. Le marché européen connaît une forte croissance, portée notamment par la farine de pois chiche, riche en protéines, fibres et micronutriments, et adaptée aux formulations sans gluten. Toutefois, la stabilité des farines demeure un verrou technologique majeur. Lors de la mouture, la libération des lipides expose les acides gras insaturés à l'oxydation, générant des composés volatils responsables du rancissement et d'altérations sensorielles. Ces réactions sont catalysées par des enzymes endogènes (lipase, lipoxygénase, peroxydase), dont l'inactivation thermique en milieu faiblement hydraté reste insuffisamment documentée.

La problématique scientifique repose sur la compréhension intégrée des transferts thermiques, de la mobilité de l'eau et des cinétiques d'inactivation enzymatique dans des matrices granulaires hétérogènes. Quatre hypothèses structurent le travail : (i) les modalités d'apport d'énergie conditionnent les gradients thermiques et l'efficacité d'inactivation ; (ii) la teneur en eau et l'activité de l'eau modulent la thermostabilité enzymatique ; (iii) les barèmes thermiques influencent les propriétés physico-chimiques et fonctionnelles des poudres ; (iv) un traitement optimisé peut améliorer la stabilité oxydative des farines sans altérer les qualités d'usage.

L'objectif général est d'étudier l'inactivation thermique d'enzymes endogènes dans des milieux granulaires faiblement hydratés soumis à des traitements multi-énergie (contact, air chaud, vapeur détendue, micro-ondes), afin d'améliorer la stabilité oxydative des farines de légumineuses. Les objectifs spécifiques visent à : (1) modéliser les transferts de chaleur et les gradients thermiques dans différentes structures granulaires ; (2) caractériser les cinétiques d'inactivation enzymatique en fonction de la température et de l'activité de l'eau ; (3) analyser l'effet de la mobilité moléculaire et de la déstructuration de la matrice ; (4) comparer les performances des technologies de chauffage ; (5) évaluer l'impact des traitements sur les propriétés des ingrédients et leur stabilité au stockage.

La thèse adopte une approche intégrée expérimentale et numérique. Le pois chiche, choisi comme matrice modèle en raison de sa teneur lipidique élevée, sera étudié à différentes échelles structurales (grains entiers, concassés, farines). Les transferts thermiques seront simulés par modélisation multiphysique (éléments finis), couplés à des modèles cinétiques d'inactivation enzymatique, notamment pour la peroxydase considérée comme enzyme modèle. Les propriétés physico-chimiques, structurales et techno-fonctionnelles seront caractérisées, et la stabilité oxydative suivie par analyses spectrophotométriques, chromatographiques et sensorielles. Les résultats attendus permettront d'identifier les conditions optimales d'inactivation enzymatique en fonction des profils thermiques et de l'activité de l'eau, et de proposer un outil prédictif couplant transferts thermiques et cinétiques enzymatiques. Les traitements limitant le rancissement tout en préservant les propriétés fonctionnelles seront déterminés.

L'impact scientifique réside dans l'intégration inédite des paramètres thermiques, hydriques et cinétiques en milieux granulaires faiblement hydratés. L'impact technologique concerne l'optimisation de procédés pour stabiliser des ingrédients végétaux secs. À terme, ces travaux contribueront à la valorisation des filières légumineuses, à l'allongement de la durée de vie des farines et au développement d'une alimentation végétale durable.

Le développement des aliments à base de légumineuses s'inscrit dans les priorités stratégiques de France 2030, d'Horizon Europe et dans les objectifs de développement durable, qui encouragent la végétalisation de l'alimentation et la transition vers des systèmes de production et de consommation plus durables. Dans ce cadre, les farines de légumineuses constituent une voie pertinente de diversification, car elles peuvent être utilisées comme ingrédients dans les formulations alimentaires [2]. Le marché européen des farines de légumineuses, estimé à 4,1 milliards USD en 2024 et projeté à 11,3 milliards USD d'ici 2033, est en forte expansion avec un taux de croissance annuel moyen de 11,8%. La farine de pois chiche occupe une place importante, environ 27,5 % du marché européen [3], et bénéficie d'une demande croissante grâce à ses atouts agronomiques et nutritionnels. Elle est riche en protéines, fibres et micronutriments essentiels, et est sans gluten-free. La farine de pois chiche offre un grand potentiel d'intégration dans les produits alimentaires [4].

Les graines de pois chiche sont riches en lipides (5-7%). Lors de l'étape de mouture, une part importante des lipides est libérée [5]. Les acides gras insaturés libérés sont particulièrement sensibles aux réactions d'oxydation, conduisant à la formation de composés volatils (odeurs de haricot, d'herbe fraîche ou de terre) responsables des altérations sensorielles associées au rancissement. Les mécanismes réactionnels du rancissement oxydatif et hydrolytique sont catalysés par des enzymes endogènes : (i) la lipase hydrolyse les triacylglycérols en acides gras libres, ciblant particulièrement les acides gras insaturés présents dans le péricarpe et la couche d'aleurone ; (ii) la lipoxygénase (LOX) oxyde les acides gras polyinsaturés, notamment linoléique, linolénique et oléique, formant des hydroperoxydes qui génèrent des radicaux libres et altèrent la couleur, la saveur et les propriétés organoleptiques ; (iii) la peroxydase (POD) participe au brunissement enzymatique et favorise la formation d'espèces réactives qui accentuent l'oxydation lipidique. Ces réactions se produisent au cours du stockage des graines et des farines et constituent un facteur limitant de la qualité perçue par le consommateur [6, 7].

Les traitements thermiques, tels que le blanchiment à l'eau ou à la vapeur sur produits hydratés, permettent de réduire efficacement l'activité des enzymes endogènes. Les POD comptent parmi les enzymes les plus thermorésistantes des végétaux. Cependant, pour la production de poudres ou d'ingrédients secs, le blanchiment en milieu hydraté est très énergivore à cause des étapes d'hydratation et de séchage. Des traitements à faible teneur en eau (<35 %), utilisant des technologies « single step » comme le chauffage par micro-ondes, se sont montrés efficaces pour dénaturer les enzymes comme la LOX et la POD [8]. Les procédés thermiques conventionnels, tels que le chauffage par contact sur une plaque chaude ou par air chaud ou vapeur détendue, reposent sur des transferts de chaleur par conduction ou par convection, à l'origine de gradients thermiques marqués au sein du milieu granulaire et dans les particules. À l'inverse, le chauffage par micro ondes induit un chauffage volumique par absorption sélective de l'énergie électromagnétique, permettant une inactivation enzymatique plus rapide et plus homogène, et une meilleure efficacité énergétique. Le chauffage par micro ondes constitue une approche prometteuse, offrant des vitesses de chauffages plus élevées, des temps de traitement plus courts et des gradients thermiques inversés par rapport aux procédés conventionnels [9]. Ces différentes technologies, présentent des avantages et limites pour stabiliser les produits. Si l'effet de traitements thermiques à sec sur la réduction de l'activité enzymatique est documenté pour les céréales [10, 11], peu d'études concernent les légumineuses.

Ces traitements thermiques peuvent être appliqués sur les graines entière et limiter les réactions d'altération lors des opérations de mouture, ou sur les farines générées. L'application de traitements thermiques sur des matrices granulaires (graines entière ou farine) représente un défi pour la maîtrise de la température et l'homogénéité de sa distribution, et plus particulièrement dans des matrices cellulaires hétérogènes. Le recours à des approches de modélisation numérique des transferts de chaleur permet partiellement de compenser les difficultés des approches expérimentales. L'utilisation de méthodes telles que les différences finies, les éléments finis, les volumes finis ou les éléments discrets est largement décrite dans la littérature pour des modèles prédictifs des transferts de chaleur, de masse et de quantité de mouvement au sein de milieux granulaires de différentes tailles [12].

Un autre enjeu réside dans la maîtrise des barèmes de traitement pour l'inactivation thermique des enzymes dans des matrices à faible mobilité moléculaire. En effet dans ces conditions, les enzymes présentent une stabilité à la chaleur nettement supérieure à celle des mêmes enzymes hydratées. Cet effet marqué de l'eau sur la stabilité thermique des enzymes s'explique par son rôle dans les interactions non covalentes qui maintiennent la conformation catalytiquement active des protéines [13]. La compréhension des cinétiques d'inactivation thermique des enzymes dans des matrices à faible mobilité moléculaire demeure encore insuffisamment documentée. En particulier, peu d'études établissent des relations quantitatives entre l'inactivation enzymatique de lipase, LOX et POD, l'activité de l'eau et la structure granulaire des matrices alimentaires.

Dans ce contexte, la modélisation mathématique de l'inactivation enzymatique constitue un outil essentiel pour prédire l'activité résiduelle à partir des profils température-temps et des paramètres cinétiques, permettant d'évaluer l'effet de différents traitements thermiques sans multiplier les essais expérimentaux. La POD, enzyme végétale thermorésistante, est couramment utilisée comme indicateur de l'efficacité des traitements thermiques et sera retenue comme enzyme modèle. Bien que l'inactivation thermique soit théoriquement décrite par une cinétique du premier ordre, celle de la POD présente fréquemment un comportement biphasique ( 80-90 °C), attribué à la présence d'isoenzymes de stabilités thermiques différentes. Lorsque la relation d'Arrhenius devient non linéaire, un modèle cinétique plus élaboré doit être appliqué [14]. La détermination des paramètres spécifiques aux fractions thermolabiles et thermorésistantes est donc essentielle pour décrire correctement la cinétique d'inactivation de la POD, en intégrant également l'effet de l'activité de l'eau. À notre connaissance, peu de données sont rapportées dans la littérature concernant l'intégration conjointe de ces paramètres dans la modélisation de l'inactivation de la POD en milieux granulaires faiblement hydratés.

L'objectif général de la thèse est d'étudier les réactions d'inactivation thermique d'enzymes endogènes dans un milieu granulaire faiblement hydraté induites par des traitements thermiques multi-énergie pour améliorer la stabilité oxydative de graines de légumineuses - Contribution de la mobilité moléculaire sous différentes conditions d'hydratation.

L'objectif de la thèse se décline à 5 objectifs spécifiques interdisciplinaires :

1. Décrire la génération des gradients de température dans un milieu granulaire soumis à différents traitements thermiques multi-énergie (chauffage par contact, par air, par vapeur, et/ou par rayonnement micro-ondes). Utiliser des outils de modélisation et de simulation numérique pour décrire les impacts des caractéristiques du milieu granulaire (graines végétales entière ; graines concassées ; farines) sur les transferts de chaleur (par conduction, par convection et par rayonnement).

2. Étudier l'impact de la température de traitement sur la cinétique d'inactivation des enzymes endogènes (lipase, lipoxygénase, peroxydase) dans un milieu granulaire faiblement hydratée avec des particules constituées d'une matrice cellulaire. Utiliser des outils de modélisation et de simulation numérique pour décrire la cinétique d'inactivation et l'estimation de l'activité enzymatique résiduelle de la POD en fonction du profil température-temps et de l'Aw.

3. Étudier l'influence de la teneur en eau du milieu granulaire sur la cinétique d'inactivation thermique des enzymes endogènes des graines végétales, en lien avec la mobilité moléculaire au sein d'un matrice hétérogène cellulaire (tégument, germe, cotylédon) plus ou moins déstructurée par les opérations de broyage (graines entières ; graines concassées ; farines).

4. Tester les performances de différentes technologies de traitement thermique (chauffage par contact, par air, par vapeur détendue et/ou par rayonnement micro-ondes) de milieux granulaires, sur l'inactivation thermique des enzymes endogènes.

5. Étudier l'impact des traitements thermiques des graines végétales (plus ou moins déstructurées) sur les caractéristiques physico-chimiques des constituants (amidon, protéines, lipides et fibres), des particules et des poudres (granulométrie, densité, écoulement, couleur) et sur les propriétés techno-fonctionnelles des poudres générées au cours du stockage (phénomènes de rancissement) en lien avec les applications envisagées en tant qu'ingrédient végétal pour des aliments.

Cette thèse pluridisciplinaire repose sur une approche intégrée, combinant expérimentation et modélisation numérique, afin d'articuler les procédés, les propriétés des produits et les mécanismes réactionnels. Le pois chiche sera utilisé comme matrice modèle en raison de sa teneur élevée en lipides, favorable à l'étude des mécanismes d'oxydation et de rancissement. La thèse de doctorat s'inscrit dans la continuité du projet européen Crop-Cat : Upscaling minor crops with institutional catering (2025-2028), dont le WP3 est coordonné par l'UMR IATE et vise à développer des technologies de pré-traitement « lowtech » pour améliorer les conditions de stockage de farines issu de cultures mineures.

APPROCHES EXPERIMENTALES :
Procédé :
- Développement de protocoles expérimentaux adaptés pour l'opération d'hydratation contrôlée du milieu granulaire, par ajout limité d'eau afin de minimiser les pertes en solides solubles, suivi d'une étape de mélange et de repos permettant la redistribution, la diffusion et l'adsorption de l'eau au sein de la matrice. Développement de protocoles adaptés pour l'étape de fractionnement visant à obtenir des milieux granulaires homogènes en taille et en structure, par des opérations successives de broyage et de tri par tamisage.

- Les traitements thermiques seront effectués à l'aide d'un pilote micro-ondes en cavité (Sairem®, Lyon, France), d'une enceinte climatique SC-40/350 (CTS®, Allemagne) et d'une plaque chauffante. La température sera suivie en continu à l'aide de capteurs et sondes thermiques. Une étude paramétrique sera réalisée selon une approche de type plan d'expériences. Les facteurs étudiés incluront la technologie de chauffage (contact, air chaud, vapeur détendue, micro-ondes), la température, la durée, la vitesse de chauffage, la granulométrie et la teneur en eau. Les réponses mesurées comprendront le taux d'inactivation enzymatique (lipase, LOX, POD), l'activité résiduelle et la valeur de peroxydase (PV).

Propriétés des produits :

- La teneur et les caractéristiques des constituants des graines seront déterminées : protéines (Kjeldahl), lipides (Folch modifié), amidon (AACC 76.13, kit Megazyme), cendres (NF ISO 2171) et fibres (laboratoire externe), et leur structure (protéines, amidon, eau) analysée par FTIR. Les caractéristiques des particules et des poudres incluent la couleur, la taille des particules (granulométrie laser), la dureté des graines (Particle Size Index, PSI) et la surface spécifique (pycnomètre). À l'échelle microscopique, la morphologie des tissus, cellules et particules sera analysée par microscopie électronique à balayage (MEB). Les propriétés techno-fonctionnelles des farines générées seront évaluées par des méthodes standard pour les capacités émulsifiantes, gélifiantes et moussantes, l'hydratation et le comportement rhéologique (farinographe thermorégulé), ainsi que la viscosité à chaud (Rapid Visco Analyzer, RVA).

- Caractérisation de la mobilité moléculaire des matrices végétales dans des conditions de faible hydratation. Détermination de la teneur en eau (NF ISO 24557:2009) et de l'activité de l'eau (aw). Détermination de la teneur en eau non congelable et la température de transition vitreuse (Tg) par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). L'eau d'hydratation interfaciale sera analysée par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). La discrimination entre eau liée, faiblement liée et libre sera réalisée par RMN à bas champ (¹H, temps de relaxation T).

Mécanismes réactionnels :

- Détermination de l'activité résiduelle, du taux d'inactivation des enzymes (lipase, LOX, POD) et de l'indice de peroxydation (PV) par méthodes spectrophotométriques.

- La stabilité oxydative sera évaluée par vieillissement en conditions réelles et accéléré (température et humidité contrôlées). L'évolution de l'oxydation lipidique primaire et secondaire sera suivie par analyses sensorielles (couleur, odeur), peroxydase value (PV), indice p-anisidine, TBARS, et SPME-GC-MS. Le dosage des acides gras libres (FFA) sera réalisé par chromatographie en phase gazeuse (GC-FID).

APPROCHES NUMERIQUES :

- Modélisation de la génération des gradients de température dans un milieu granulaire sera réalisée à l'aide de COMSOL® Multiphysics par la méthode des éléments finis (FEM), en 2D ou 3D, à l'échelle objet. La distribution de la taille de maille sera optimisée pour assurer un compromis entre précision et temps de calcul. Les hypothèses et conditions du modèle seront clairement définies. Les transferts thermiques seront décrits par les équations de Fourier et de Navier-Stokes couplées à l'équation de conservation d'énergie en régime transitoire. Le chauffage par micro-ondes sera simulé via les équations de Maxwell dans le module électromagnétique pour représenter le champ électrique et la dissipation volumique dans les matériaux diélectriques. La géométrie des objets granulaires, ainsi que les conditions aux limites (flux de chaleur, convection à l'air ou à la vapeur), seront explicitement intégrées. Les propriétés thermophysiques et diélectriques seront extraites de la base COMSOL ou de la littérature, et les paramètres manquants pourront être estimés à partir de données expérimentales via une optimisation sous MATLAB. Une étude de sensibilité des paramètres sera menée pour évaluer la robustesse du modèle.

- La modélisation de la cinétique d'inactivation et l'estimation de l'activité enzymatique résiduelle en fonction du profil température-temps et de l'activité de l'eau (Aw) seront développées uniquement pour l'enzyme peroxydase (POD). La POD, enzyme thermorésistante, est couramment utilisée comme indicateur de l'efficacité des traitements thermiques [15]. L'inactivation sera d'abord décrite par un modèle cinétique du premier ordre. En cas de comportement non linéaire de la relation d'Arrhenius, un modèle biphasique sera appliqué selon Ling et Lund (1978), décomposant la courbe en fractions thermolabile et thermostable afin d'estimer les paramètres cinétiques spécifiques à chaque fraction [16].

- Le modèle thermique sera couplé à un modèle cinétique de prédiction de l'inactivation enzymatique en fonction des gradients de température. La validation du modèle sera réalisée par confrontation avec des mesures expérimentales de température et d'inactivation enzymatique. Les résultats fourniront des cartes de distribution de température et des profils thermiques au sein de la matrice granulaire, permettant de corréler les conditions de chauffage et teneur en eau de matrice avec l'inactivation enzymatique. La simulation numérique de différents scénarios permettra de prédire les conditions de traitement optimales.