Stability of vegetable microconstituents at intermediate temperatures : fate of vitamins and other micro-components in products based on fruits and vegetables

par Anna-Lena Herbig

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Catherine Renard et de Michael Rychlik.

Le président du jury était Olivier Dangles.

Le jury était composé de Michael Rychlik, Olivier Dangles, Philippe Schmitt-Kopplin, Eric Marchioni.

Les rapporteurs étaient Philippe Schmitt-Kopplin, Eric Marchioni.

  • Titre traduit

    Stabilite des microconstituants végétaux aux températures intermediaires : devenir des vitamines et autres micoconstituants dans les produits a base de fruits et légumes


  • Résumé

    Dans le cadre du projet européen « Optimized Products for Elderly Populations (OPTIFEL) » (ou « produits optimisés pour des gens âgés »), des produits alimentaires sont conçus pour les besoins particuliers des personnes âgées. Puisque cette population est souvent mal-nourrie, l’objectif du projet consistait à produire des aliments riches en nutriments et appétants. Ce but a été mis en œuvre en enrichissant des produits à base de fruits et légumes avec des protéines, des minéraux et vitamines, dont la vitamine C et les folates. Cependant, les deux dernières vitamines sont connues pour être fragiles et pour être rapidement perdues lors du chauffage. Pour atteindre le but de la supplémentation, c’est-à-dire augmenter l’absorption des nutriments, l’étude de leur stabilité est d’une grande importance. Ce travail, en particulier, a été dédié à l’étude de la stabilité de la vitamine C et des folates lors du réchauffage des aliments. Le réchauffage des aliments nécessite de respecter une température minimum de 60°C afin d’éviter la croissance des bactéries sporulées. Une deuxième contrainte, qui se démarque des méthodes de cuisson, est la durée du maintien en température. Selon que le réchauffage se déroule à la maison ou dans un système de restauration collective en liaison chaude, le temps de réchauffage est de courte durée ou peut atteindre quelques heures. La pomme et la carotte ont été choisies en tant qu’exemple d’un fruit et un légume pour le projet OPTIFEL et aussi pour le travail présent. La pomme et la carotte sont des produits qui sont appréciés à travers l’Europe et contiennent des quantités naturelles négligeables en vitamine C et folates. La stabilité de la vitamine C a fait objet de nombreuses études dans la littérature. Cependant, les facteurs qui impactent sa stabilité ont été principalement examinés en solution modèle et leur importance respective dans un vrai aliment manque d’études. Bien que la disponibilité de l’oxygène ait un impact primordial, et qu’il soit connu que l’oxygène est soluble jusqu’à 100°C, sa disponibilité dans le milieu alimentaire est très mal connue pendant le chauffage à des températures intermédiaires. L’acide folique est un vitamère synthétique, qui est habituellement utilisé pour la supplémentation mais qui a l’inconvénient de pouvoir masquer un déficit en vitamine B12. C’est pourquoi le vitamère naturellement abondant, l’acide 5-méthyltétrahydrofolate, a été proposé comme alternative pour l’enrichissement. Son inconvénient majeur, outre le prix, est qu’il est fragile et se dégrade rapidement en l’absence de réducteurs. L’objectif de cette thèse de doctorat consistait à comprendre la stabilité de la vitamine C et de l’acide 5-méthyltétrafolique à des températures intermédiaires. Une attention particulière a été portée à la stabilité dans des matrices alimentaires et à la disponibilité de l’oxygène. Dans un premier temps, la stabilité de la vitamine C et de l’acide 5-méthyltétrahydrofolique a été étudiée à une échelle laboratoire. Ensuite, l’impact des différentes méthodes de réchauffage a été examiné. Le travail a été divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre a été consacré à l’étude de la stabilité de la vitamine C. Dans le deuxième chapitre, la disponibilité de l’oxygène a été étudiée. La troisième étude a été dédiée à la stabilité de l’acide 5-méthyltétrahydrofolique. Et dans le quatrième chapitre, trois méthodes de réchauffage ont été comparées.


  • Résumé

    The European project « Optimized Products for Elderly Populations (OPTIFEL) » was launched to ameliorate elderlies’ nutritional status. Since this population often suffers from malnutrition, it was envisaged to conceive food products based on fruit and vegetables, with a dense nutritive value. Therefore, products were enriched with important nutrients, among vitamin C and folates. To comply with the intention of supplementations consisting in an increased intake of nutrients, the study of their stability, especially of easy degradable molecules, is of utmost importance. The present work in particular, was dedicated to the stability of vitamin C and 5-methyltetrahydrofolate when food is warmed-up that is heated at an intermediate temperature range (60-80°C). It turned out that the deterioration pace of vitamin C is principally influenced by the filling volume of recipients on a lab-scale. A negligible effect was found for the food matrix meaning that products based on apples and carrots can interchangeably be used for fortifications. Concentration adaptions are easy to control as the degradation loss per time in the concentration range 2-5 mmol/kg, is independent of the initial concentration. Increasing temperature in the range 60-80°C, does not have an impact in a real food matrix either. The latter indicates that another factor, probably oxygen, becomes limiting as enhancing the supply of energy does not increase degradation rates anymore. Thus, by heating products at 80°C, the microbial safety margin can be increased while the nutritional value is kept as if heated at 60°C. From literature it is known that degradation at this temperature range only proceeds via the aerobic degradation pathway. It has been shown in the present work that in food products, the oxygen availability decreases down to anaerobic conditions, also near the surface, during heat treatments at 80°C while oxygen in model solutions stays abundant. Hence, the headspace gains in importance during long warm holding of real food products and dynamics of oxygen and ascorbic acid might determine degradation paces. However, oxygen is not alone responsible for the degradation initiation since ascorbic acid in ultrapure water does not degrade at 80°C during 8 h, even if oxygen is abundant during the whole length of time. An additional trigger, as Fe3+ ions or maybe also other constituents in food matrices, must be present. An interaction between oxygen and the trigger might result in the generation of reactive oxygen species that finally deteriorate the vitamin. For complete stabilization of 5-methyltetrahydrofolate, the amount of ascorbic acid is crucial in contrast to the food matrix that is used for supplementation. The protective effect of ascorbic acid is however time-limited even if it remains in excess. The duration of complete stability can be prolonged by increasing the initial ascorbic acid concentration. Heat treatments under real conditions that is when food products are warmed-up by a microwave, an Actifry ® device or held warm by a water bath, lead to minor to negligible vitamin losses. These are good news for the project since the vitamin amount that is added, is preserved during warming-up of products and must not be controlled. The results indicate the complexity of vitamin degradation since the stability depends crucially on the experimental set-up. It can be concluded that predictive modeling should be performed under real conditions. Vitamin C and 5-methyltetrahydrofolate, which are generally referred to be very susceptible to oxygen and heat, are fairly stable under reheating conditions in real food products.


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