M. Kristiawan (BIA)

AIC – PROTEX:
A modeling approach to
develop high-protein extruded
snacks, using legume (pulse)
flours
Problème d’application AMMAC : Itinéraire multi-étape
Porteur:
Magdalena Kristiawan (BIA-MC2)
1
AMMAC, 10-11 mars 2016
1
Contexte: Elaboration d’aliments à base de protéagineux (amidonprotéine) par extrusion
Matières Premières: Demande des Protéines Végétales 
STRUCTURE
FINALE
Extrusion-cuisson: Procédé de transformation polyvalent et efficace
Amorphe
dense
XRT-ESRF
Expansion détermine la
structure alvéolaire
+ Phénomènes méconnus lors
Amorphe
cellulaire
d’expansion
Transformation des protéines dans l’extrudeuse
Variables de sortie
T+, P, visco… connues
Logiciel Ludovic ®
2
Modifications structurelles des protéines
au cours d'extrusion
Dénaturation
(adapté de
Mitchell & Areas
1992)
Etat native
Agrégation
Chauffage et
cisaillement
Dissociation:
Phase fondue
Etat déployé
Formation des liaisons covalentes
Refroidissement
et cisaillement
Formation des liaisons noncovalentes & ponts disulfures
Réticulation
A la sortie de
la filière
Transition de la région
amorphe à l'état vitreux
Extrusion donne la naissance à un grand nombre de structures
possibles, en raison de la réactivité des protéines
3
Liaisons formées au cours de la réticulation des protéines
(Liu & Hsieh, 2008
Type d'interaction
Interaction
spécifique
Acides aminés
Agents dénaturants
ou chaotropiques
Covalente
Ponts disulfures
Cystéine/cystine
Agents oxydant ou réducteurs:
Na2SO3, TNT, l'acide
performique, 2mercaptoéthanol
Céréaliers
Non covalente neutre
Liaisons H2
Asparagine, glutamine,
thréonine, sérine, cystéine
Agents forts de liaison H2:Urée
Non covalente neutre
Interactions
hydrophobes
Tyrosine, tryptophane,
phénylalanine, proline,
méthionine, leucine,
isoleucine, valine, alanine,
glycine
Détergents ioniques et non
ioniques:
thiourée, Triton, CHAPS
Non covalente
électrostatique
Acide hydrophile
Basique hydrophile
Acide aspartique, lysine,
arginine, histidine, acide
glutamique
Solutions acides, alcalines ou
salines
Légumineuses
Comportement protéines en extrusion =
f( caractéristiques intrinsèques AA, interactions/autres constituants)
Traitement thermomécanique peut réduire disponibilité des acides aminés
Effets des variables d’extrusion encore méconnus / mal maîtrisés
4
Rappel des objectifs
 Objectifs
 Etudier les mécanismes physiques expliquant l’impact de
l’enrichissement de protéines de légumineuses sur le procédé
d’extrusion de snacks amylacés et leur structure, propriétés
mécaniques et propriétés fonctionnelles
☞(Texture, Nutrition, Mastication)
 Etendre le modèle phénoménologique d’expansion afin de
prédire les structures macro et cellulaire
 Développer des snacks adaptés à la mastication humaine
 Modèles d’aliments: Mousses solides denses et alvéolaires

Farine de pois jaunes décortiqués

Mélanges ‘Amidon de pois ’ et «’Isolat de protéine de pois’
5
Partenaires: INRA (BIA, IATE, CSGA) & Externe
M. Kristiawan (BIA)
A. Boire (BIA): Protéines végétales,
Modélisation d’expansion,
Modélisation mécanique (FEM)
Structure – Dynamique macromolécules
biologiques - Propriétés fonctionnelles
G. Della Valle (BIA): Extrusion,
J. Gueguen (DRE Emeritus, BIA)
Rhéologie, Modélisation d’expansion
Expertise on protéines végétales
S. Guessasma (BIA)
C. Salles & C. Septier (CSGA)
Modélisation mécanique (FEM, DEM):
Structure – Texture
Structure - Mastication
D. Lourdin (BIA)
V. Micard (SupAgro-IATE): Céréaliers
Physico chimie des bio-polymères
& protéiques: Structure – nutrition
JE. Maigret (BIA)
A. Emin (Karlsruhe Institute of
Technology): Conception des aliments
Extrusion & instrumentation
extrudés: Instrumentation, Modélisation
A.L. Réguerre (BIA)
S. Chevallier (ONIRIS-GEPEA)
Microscopie, Analyse des images
Microtomographie rayons X
6
Méthodes et Ressources
Modélisation: Approche multi-échelle
Tomographie RX
(1)
MCBL
(2)
Macro-échelle
Snacks entiers
- Indices d’expansion
- Facteur d’anisotropie
Méso-échelle
Mousses cellulaires
- Porosité
- Finesse
Micro-échelle (Parois cellulaires)
(1) Matériau bio-composite dense
(2) Morphologie du réseau amidonprotéines
- Loi constitutive = f (composition,
morphologie, &
Interface d’amidon-protéine)
7
Méthodes et Ressources
Modélisation phénoménologique d’expansion (BIA, KIT, ONIRIS)
« à partir de l’approche développée par Kristiawan et al., TIFS, 2016 (Projet AIC QualEXp)»
Croissance des bulles
Phase viscoélastique bulles
Pvs
Structure
macro

1 dR
p
 vs
R dt
hm
de vapeur
hm
R
1)
VEI »
Anisotropie d’expansion
r fondue
rmousse
2)
SEI 
Surfacemousse
Surface filière
AF = 1
Isotrope
Amidons de mais
= α. (ηm/η0)n
VEI & SEI
Kristiawan et al. 2016
10
Anisotropie AF = f(Finesse cellulaire F)
æ 250 ö æ 1 ö
ç
÷ +ç
÷
è MWT ø è MCSø
F=
2
2
2
MCS = Taille
moyenne de cellule
MWT = Epaisseur
moyenne de parois
8
= f(formulation
& procédé)
2) Scale down de structure macro à celle cellulaire
MC 0.245, 165°C
VEI
α , n = f(Eau%, T°C, Energie SME kWh/t, ηE Pa.s)
ηm &ηE = viscosité de cisaillement &
de élongationelle de fondu
Amylose 0.7
Amylose 0.47
Amylose 0.23
Amylose 0
6
4
2
TomoRX
0
0
F > 1  Fine
F < 1  Grossière
VEI
SEI 3 / 2
AF < 1
Radial
MODELE GENERAL D’EXPANSION
1)
3) AF 
AF > 1
Longitudinal
200
400
600
800
Viscosité de cisaillement(Pa.s)
8
Méthodes et Ressources
Modélisation mécanique: structure <=> texture (BIA)
Calcul des propriétés mécaniques par « Méthode des Eléments Finis »
Composite
Amidon
Interface
MCBL
Micro-échelle
« à partir de l’approche développée par Guessasma et al., TIFS, 2011 »
Protéine
Amidon / Zeine
Mousse
Cellulaire
XRT-ESRF
Meso-échelle
Maillage
Simulation
d'essais
mécaniques
Module élastique =
f(composition,
rigidité d’interface, …)
Sortie
/ Entrée
Homogénéisation
Module élastique=
f(densité relative)
Raffinage du modèle
Gibson-Ashby
9
Méthodes et Ressources
Modélisation phénoménologique
‘Structure’
• Macrostructure
• Microstructure
• Supramoléculaire
<=>
‘Nutrition’
• Solubilité des protéines
(Interaction protéine-protéine)
(% des liaisons covalentes &
non-covalentes crées par
extrusion)
• Digestibilité in-vitro
o Amidon (BIA-CSGA)
o Protéine (‘en option’)
« à partir de l’approche développée pour ANR-PASTALEG »
IATE
10
Méthodes et Ressources
Molars
arrangement
(upper & lower jaw)
Etudes de Mastication in vitro (CSGA)
Molars of
lower jaw
« à partir de l’approche développée par Salles et al., J.Food Eng., 2007 »
Degré de
Fragmentation
f=
• Force etVitesse
de compression &
de cisaillement
• Débit continu de la salive
• Nombre de cycle de
mastication
• Quantité d’aliment
Saliva inlet
Upper jaw (fixe)
Mobile tongue
Teeth
Mobile lower
jaw
Modélisation phénoménologique:
Structure (Fragments) <=> Salive <=> Libération nutriments
11
Applications et Perspectives
Domaines potentiels d’application
 Extrusion en milieu sec (teneur en eau < 35% b.h.) pour
fabrication:
• Aliments innovants équilibrés en « amidon-protéine », avec
digestibilité et forme modulés
• Aliments amylacés riche en protéine pour Aquaculture et
Animaux de compagnie
Perspectives
• Conception des aliments extrudés en utilisant l'approche de
l'ingénierie inverse
☞ Couplage entre « modèles d’aliments » et
« modèle mécanique 1D d’extrusion »
12
13
AMMAC, 10-11 mars 2016
13