Axe 3 : Effets des procédés sur la qualité des produits végétaux conservés, transformés ou extraits


Cet axe regroupe les domaines suivants :
1) Conservation des fruits et légumes frais et de 4ème gamme
2) Procédés innovants de transformation des fruits et légumes
3) Procédés d’extraction innovants

Responsable : David PAGE (CR INRA, UMR SQPOV)

Enjeux

1) Procédés innovants de conservation des fruits et légumes frais et de 4ème gamme
L’enjeu est non seulement d’améliorer la qualité des produits mais également de réduire les pertes après récolte. Celles-ci sont estimées à 40  % dans le monde. L’enjeu de réduction des pertes est donc un enjeu majeur dans une perspective d’amélioration de la sécurité alimentaire, et cela aussi bien pour les pays développés que pour les pays du Sud.

2) Procédés innovants de transformation des fruits et légumes
–     Le premier enjeu est de fournir des aliments stabilisés d’un point de vue microbiologique afin de garantir aux consommateurs l’accès à des produits sûrs tout au long de l’année et afin de minimiser les opérations de pasteurisation/stérilisation souvent délétères pour des micronutriments fragiles et pour la qualité organoleptique. Trouver des solutions pour stabiliser les produits deviendra d’autant plus indispensable que l’augmentation du coût de l’énergie va diminuer fortement l’attractivité économique de la chaîne du froid.
–     Le deuxième enjeu est d’améliorer la qualité des produits transformés en identifiant des variétés et des itinéraires culturaux fournissant des matières premières plus adaptées à la transformation. Des gains importants de productivité sont attendus : en évaluant la qualité des matières premières au regard des critères technologiques à atteindre, non seulement on peut concevoir des procédés plus efficaces car mieux adaptés, mais, en plus, l’objectivation des critères de qualité de la matière première rend possible sa reconnaissance économique par le biais de corrections du prix d’achat (processus déjà en vigueur dans plusieurs filières).
–     Le troisième enjeu concerne la reconnaissance des produits transformés par les consommateurs pour assurer les apports journaliers recommandés d’éléments nutritionnels. La transformation peut être utilisée comme un levier pour augmenter la biodisponibilité et l’assimilabilité d’un certain nombre de phytomicronutriments, comme les caroténoïdes. La transformation peut donc contribuer à améliorer le niveau nutritionnel de populations consommant peu de fruits et légumes.
–     Faire appel à moins d’ingrédients externes (colorants, arômes, vitamines de synthèses) pour corriger des dérives dues aux procédés, représente un enjeu important pour les fruits et légumes dans un contexte législatif qui tend à réduire, voire à interdire ce type de pratique. Les fruits et légumes sont intrinsèquement des aliments possédant de nombreux atouts nutritionnels et organoleptiques, et, dans ce contexte, disposer de méthodes de transformation innovantes plus respectueuses de leurs propriétés intrinsèques devient hautement stratégique.
–     Garantir la sécurité du consommateur sur le plan chimique (pesticides, composés néoformés, mycotoxines…) représentera un enjeu majeur à moyen terme et devra être pris en compte par TERSYS.

3) Procédés d’extraction innovants
–     Le premier enjeu est économique : il s’agit d’améliorer les rendements d’extraction, en identifiant des méthodes plus efficaces respectant l’intégrité des molécules cibles. Il s’agit aussi de promouvoir des procédés d’extraction innovants moins chers et moins consommateurs d’énergie. Dans les nouvelles unités de production industrielles, 40 à 70 % des investissements en capital sont dédiés aux procédés d’extraction et de séparation, et la consommation énergétique de ces procédés représente environ 50 % de la consommation énergétique du secteur de la chimie.
–     Le second enjeu est environnemental et de sécurité alimentaire. Encore beaucoup de procédés d’extraction font appel à des solvants toxiques, qui, même évaporés, peuvent subsister à l’état de traces. Le contexte législatif rendra leur utilisation de plus en plus difficile et les alternatives à leur utilisation, de ce fait, hautement stratégiques.
–     Le troisième  enjeu répond à la demande grandissante des consommateurs pour des ingrédients d’origine naturelle, les plus proches possibles de leurs formes natives, ce qui place l’extraction en position favorable par rapport aux solutions de synthèse ou d’hémisynthèse.

Objectifs

Les recherches autour des procédés de conservation des fruits et légumes frais et de quatrième gamme visent une meilleure compréhension de la manière dont certains traitements et les conditions de conservation influencent l’état sanitaire, la durée de vie et les critères de qualité des fruits et légumes frais et de quatrième gamme (texture, couleur, concentration en phytomicronutriments). Les travaux visent également la mise au point de techniques innovantes et éco-responsables, exploitant notamment les effets des rayonnements ultra-violets et visibles.
En ce qui concerne les procédés de transformation des fruits et légumes, les objectifs sont :
–     un meilleur contrôle des procédés existants avec une optimisation renouvelée de la balance bénéfice – risque ;
–     le transfert et la mise au point de technologies innovantes en vue de l’élaboration de procédés moins coûteux en énergie, moins consommateurs d’eau, plus respectueux des qualités nutritionnelles et organoleptiques des fruits et légumes, assurant une parfaite sécurité alimentaire.
La modélisation des impacts de chaque opération unitaire est un objectif identifié, pour, à terme, concevoir les transformations de façon générique et prévoir le devenir des différents phytomicronutriments et les dangers microbiologiques sans devoir répéter l’ensemble des essais technologiques (expérimentation in silico).
En ce qui concerne enfin les procédés d’extraction innovants, les objectifs généraux sont : i) de favoriser le développement de processus d’extraction efficaces et ii) de réduire la consommation énergétique et les quantités de solvants requises par le recours à des technologies innovantes. Il s’agit donc de garantir la qualité des produits finis et le respect de critères environnementaux.

Eléments de programmation scientifique

1) Conservation des fruits et légumes frais et de quatrième gamme
On s’attachera entre autres à étudier les impacts des techniques de production, des systèmes de production, voire des effets terroirs, sur la conservation et la qualité des fruits et légumes frais et de quatrième gamme (collaboration avec l’axe 2). Des études seront aussi menées sur les conditions de conservation, ainsi que sur le potentiel de certains traitements, en particulier de traitements réalisés au début de la phase de conservation, pour réduire la pression des maladies, pour stimuler les défenses naturelles et pour stimuler la production ou réduire la dégradation de phytomicronutriments au cours du processus de conservation. La possibilité d’influencer des critères de qualité attendus aux niveaux transformation ou extraction sera étudiée (lien avec les deux autres composantes de l’axe 3). On cherchera aussi à ne pas simplement caractériser les produits en termes de concentrations en phytomicronutriments mais à aller vers des études d’effets biologiques en lien avec l’axe 3.
Les traitements envisagés portent notamment sur l’exploitation de la lumière UV et visible.  Ils ne seront pas détaillés ici en raison de procédures de demandes de brevet en cours. Les phytotrons de la plateforme de contrôle de l’environnement (projet 3A) seront exploités notamment pour manipuler le spectre lumineux et la photopériode.
Au niveau méthodologique, on fera appel, en complément des outils et approches habituels, aux outils de génomique, à l’analyse des paramètres déduits des courbes d’induction de la fluorescence maximale de la chlorophylle a (outils de la plateforme de contrôle de l’environnement du projet 3A) et aux jeux de données générés par les outils de la plateforme de métabolomique. On cherchera en particulier à établir des corrélations avec les techniques de production et de conservation, et à faire émerger des critères composites et des signatures métaboliques ou associant données issues de l’analyse biochimique et marqueurs issus d’approches de génomique et de l’analyse des paramètres déduits des courbes d’induction de la fluorescence maximale de la chlorophylle a.

2) Procédés de transformation des fruits et légumes
On cherchera à mieux prédire ou diagnostiquer la composition des matières premières, dans une dimension « quantitative », pour déterminer leur capacité à atteindre des objectifs organoleptiques, nutritionnels ou de rendement d’extraction, mais également dans une dimension « d’hétérogénéité » : le développement des récoltes mécaniques (récolte unique) se traduit par une augmentation de l’hétérogénéité des productions du fait de l’étalement dans le temps des phénomènes de maturation (des fruits à plusieurs stades de maturation sont présents au même moment sur le même arbre). L’objectif ultime est d’identifier des itinéraires agronomiques et des ressources génétiques assurant aux productions dédiées à l’industrie une maturation complète (pour des objectifs quantitatifs) et groupée (pour en réduire l’hétérogénéité). Des collaborations entre l’UR PSH, l’UR GAFL, l’UMR SQPOV et l’UMR Qualisud se développent actuellement dans ce sens (liens entre axes 2 et 3).
On cherchera à mieux comprendre et donc à mieux prédire la réactivité de la matière première, c’est-à-dire  prévoir les résultats d’un procédé de transformation sur une matière première à partir de sa composition primaire ou de la mesure de marqueurs précoces (état d’une molécule, présence de volatils issus d’une dégradation, modification d’une couleur ou d’un spectre UV-visible…). Ici, les apports de la métabolomique mais également des outils de criblage à haut débit (infrarouge) et de la chimiométrie prennent tout leurs sens pour favoriser l’innovation et l’identification de marqueurs sans a priori.
On cherchera à mieux comprendre les stratégies d’adaptation des micro-organismes responsables des non-stabilités des produits transformés, mieux quantifier/prédire l’impact des opérations unitaires sur la décroissance de la flore microbienne des aliments à base de fruits et légumes (notamment par le biais de la modélisation), pour pouvoir proposer de nouvelles stratégies de stabilisation moins impactantes. La modélisation doit permettre de progresser vers un pilotage des procédés au plus près d’un bon équilibre bénéfice/risque.
On cherchera à mieux comprendre les mécanismes de pertes ou de modifications des micronutriments durant les procédés, revisiter les lois physiques inhérentes aux phénomènes afin d’en mieux connaitre les barèmes précis ou les modéliser. La prise en compte de phénomènes souvent négligés comme la diffusion ou l’oxydation permet de réels progrès pour l’amélioration organoleptique et nutritionnelle des fruits et légumes transformés.
On s’attachera à mieux comprendre les interactions des phytomicronutriments avec la matrice à un niveau moléculaire, et la manière dont s’opère la chimie naturelles des réactions de stabilisation ou de protection, ceci afin d’identifier des leviers au niveau des procédés qui peuvent, au besoin, libérer ou au contraire maintenir et protéger les molécules actives.
Enfin, nous visons à mieux comprendre et donc mieux définir la valeur nutritionnelle réelle des produits d’origine végétale, en intégrant les notions de biodisponibilité, d’accessibilité, de stabilité ou de réactivité des micronutriments actifs. L’impact d’un procédé n’est plus jugé uniquement sur des notions quantitatives (diminution des pertes en nutriments), mais également selon sa capacité à rendre les molécules bioactives plus disponibles pour interagir avec l’organisme (accessibilité des molécules variables suivant leurs interactions avec la matrice alimentaire) ou dans des formes chimiques plus réactives (meilleur pouvoir anti-oxydant par exemple). Des liens seront développés avec l’axe 4.

3) Procédés d’extraction
Pour améliorer l’identification de matières premières alliant « faible coût » et « richesse en molécules d’intérêts » (la valorisation de coproduits industriels prend ici tout son sens), on cherchera à :
–    Définir des conditions de prétraitement de l’échantillon et des techniques d’extraction alliant rendement et protection des molécules cibles. Des leviers de progrès sont identifiés qui valorisent l’interaction entre les équipes « Qualité et procédés » et GREEN de l’UMR SQPOV ;
–    Comprendre et rationnaliser l’extraction par différents solvants en se basant sur la modélisation de la solubilité des molécules cibles en fonction de leurs propriétés chimiques, et ainsi proposer plus efficacement des itinéraires d’extraction innovants, utilisant des solvants alternatifs aux plus toxiques ;
–    Définir des itinéraires plus efficaces et innovants, notamment en valorisant le savoir-faire de l’équipe GREEN, en pointe sur l’utilisation de protocoles d’extraction rapides, doux et écologiques mettant en jeu les ultrasons et les micro-ondes.

Les plus-values de TERSYS

Celles-ci apparaissent à différents niveaux :
Une recherche avancée sur les modèles écophysiologiques de l’élaboration de la qualité des fruits frais (développés dans l’axe 2). Les sorties de ces modèles (rendement, mais aussi loi d’accumulations de nutriments et micronutriments) constituent les entrées des modèles de transformation, et devraient permettre, à terme de piloter plus finement les productions destinées à l’industrie. Miser sur l’interaction entre les axes 2 et 3 est une originalité dans le paysage de la recherche française et européenne.
La proximité des recherches en extraction et en transformation (équipes GREEN et « Qualité et procédés » de l’UMR SQPOV). La transformation peut permettre des prétraitements permettant l’amélioration du rendement d’extraction et de la qualité des opérations d’extraction. Inversement les produits naturels extraits peuvent pallier les défauts ou améliorer la qualité des produits altérés par la transformation.
La plateforme de métabolomique. Celle-ci, dans la mesure où elle permet le criblage systématique et non ciblé de marqueurs biochimiques, apportera un avantage considérable pour la recherche de marqueurs précoces liés à la composition ou à la réactivité des matières premières, de même que pour la recherche et l’identification de nutriments bioactifs et des formes chimiques les plus réactives ou pour la recherche de marqueurs liés au développement de flores pathogènes ou d’altération.
L’arrivée des équipes de Qualisud qui permet de renforcer nos recherches sur les procédés de transformation. L’intégration de Qualisud, bien qu’initiée sur des aspects de physiologie végétales (axe 2), devrait progressivement également renforcer l’axe 2b.
La proximité avec le LAPEC et  l’UMR NORT qui apportent des modèles pertinents et originaux d’étude in vitro de la valeur santé des produits végétaux (interaction axe 3/axe 4).

Mots-clés
Arômes, écoextraction, colorants naturels, cosmétique, fruits et légumes, ingrédients naturels d’origine végétale, nutraceutiques, parfums, pharmacologie, phytomicronutriments, quatrième gamme, sécurité alimentaire, sécurité microbiologique, transformation

Membres de l’axe 3
UMR SQPOV (les trois équipes : Qualité et Procédés, Microbiologie et sécurité alimentaire, Chimie des Antioxydants et Green), UMR Qualisud (conservation et transformation), UMR IMBE (Equipe Ingénierie de la restauration des patrimoines naturel et culturel), UR PSH

Quelques partenaires économiques et de développement en dehors de l’axe 3
Conservation : Ctifl avec en particulier un projet très avancé d’UMT dans le domaine de la conservation des fruits et légumes frais avec l’UMR Qualisud et l’UR PSH, Claranor (société spécialisée dans la lumière pulsée), TERRALIA…
Transformation : CTCPA (notamment dans le cadre de l’Unité Mixte Technologique « Micronutriments des produits végétaux transformés »), SONITO (interprofession de la tomate de conservation)…
Extraction : nombreux entreprises partenaires de l’équipe GREEN dans le cadre de la thématique de l’éco-extraction, notamment à travers de deux projets FUI (Salinalgue et Natarome). Implication forte des pôles PASS, TERRALIA et TRIMATEC. Société Erubescence pour le développement des colorants naturels avec l’équipe Ingénierie de la restauration des patrimoines naturel et culturel de l’IMBE

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