Sugar reduction in extruded cereal based products : impact of water content on the structure and molecular dynamics in such material

par Supuksorn Masavang

Thèse de doctorat en Biotechnologies agro-alimentaires

Sous la direction de Dominique Champion et de Gaëlle Roudaut.

Le président du jury était Thomas Karbowiak.

Le jury était composé de Peter Lillford, Edgar Chavez Montes.

Les rapporteurs étaient Pavinee Chinachoti, Job B Unnink.

  • Titre traduit

    Réduction du sucre dans les produits extrudes à base de céréales : impacts de la quantité d'eau sur la structure et la dynamique moléculaire sur ces produits


  • Résumé

    Les systèmes à base de biopolymères à faible teneur en humidité sont couramment rencontrés dans les aliments. Bien entendu, il est primordial de comprendre les bases physiques de leur qualité: texture, performances dans le temps ou en fonction de leur composition. Le vieillissement physique des systèmes composites rend les changements survenant dans le stockage des produits comestibles difficiles à prévoir. Les objectifs de ce travail étaient d'évaluer l'incidence de la présence de saccharose et de la teneur en eau de fabrication sur les propriétés physico-chimiques du produit fini. La stabilité physique de ces matériaux a été contrôlée grâce à une étude à différentes échelles moléculaires. Ensuite, les relations entre les données multi-échelles ont été examinées. L'effet du saccharose (0 à 20%) et de l'eau d'alimentation (10 et 15%) sur les mélanges d'extrusion a été étudié à l'aide d'un extrudeur double vis conduit dans les mêmes conditions. Les propriétés physiques et microstructurales des produits extrudés expansés ont été examinées sous diverses conditions d'humidité relative. La réduction des teneurs en sucre et en eau d’alimentation a fait augmenter la pression et l’énergie mécanique spécifique, ce qui a réduit la dégradation de l’amidon et augmenté la viscosité dans l’extrudeur en particulier à la teneur en eau la plus élevée. L'augmentation de la pression dans l’extrudeur a entraîné une expansion plus importante des extrudés. Par contre, la technique d'imagerie neutronique montré que le saccharose réduisait la taille des pores, et donc augmentait la densité apparente et ce qui était particulièrement évident en utilisant. Cette technique a été appliquée pour la première fois sur des produits extrudés. Les images de tomographie 2D ont indiqué des différences structurelles internes entre les extrudés à différentes teneurs en saccharose et stockés à humidité relative différente. Toutefois, l'analyse d'images 3D a montré que l'impact de ces facteurs sur la distribution de la taille des pores et le taux de porosité n'était pas significatif. En fin d'extrusion, les échantillons étaient à l'état amorphe à la suite de la gélatinisation de l'amidon et de la fonte du sucre. Leursrs propriétés thermiques ont été analysées par analyse enthalpique différentielle (AED) et les températures e transition vitreuse ont été étudiées. Les thermogrammess d’AED ont été minutieusement étudiés via une déconvolution de la dérivée première de la variation d’enthalpie. Cette approche a mis en évidence que les systèmes composites étudiés présentaient des phases multiples avec des transitions vitreuses distinctes. Ces dernières sont associées à une phase riche en polymère (amidon principalement) et / ou à une phase riche en plastifiant (sucre) dont le comportement dépendait de la teneur en eau de l'échantillon. Les isothermes de sorption ont montré qu’aux faibles Aw et pour une valeur donnée, a la teneur en eau des extrudés diminuait avec l’augmentation des teneurs en saccharose et que l'effet inverse était observé aux aw élevées. L’étude de la cinétique apparente de lala diffusion de l'eau a mis en évidence deux sites de sorption différents. Le premier est caractérisé par une cinétique quasi constante qui pourrait correspondre à un phénomène d'adsorption à la surface. Le second site présente d’abord un ralentissement initial de la cinétique de sorption, tandis qu’une forte augmentation est constatée lorsque la teneur en eau était plus élevée. Ce comportement peut être lié à un effondrement de la structure. Une étude par RMN à cyclage de champ rapide à basse fréquence a montré que les temps de relaxation dépendaient de la teneur en saccharose et en eau. Une carte de stabilité a été tracée pour modéliser les évolutions rhéologiques des matrices avec la teneur en eau en lien avec les transitions de phases des matériaux (...).


  • Résumé

    Low-moisture biopolymer-based systems are commonly encountered in food. Obviously, understanding the physical basis of their quality: e.g texture, or performance over time or as a function of their composition is of primary importance. The objectives of this work were to evaluate how the presence of sucrose and water content affects physico-chemical properties. The physical stability of these materials were monitored through an insight at different molecular scales. Then the relations between the multi-scale studies were investigated. The effect of sucrose (0–20%) and feed water (10 and 15%) on extrusion blends was studied using a twin screw extruder under the same processing settings. The physical and microstructural properties of extruded products were examined at various RH. Reducing both sugar levels and feed water increased die pressure and specific mechanical energy, as a consequence, it reduced starch degradation and increased in viscosity. The effect was more pronounced with increasing feed water content. The increased die pressure resulted in higher expansion of the porous extrudates. Sucrose was shown to increase the bulk density and reduce the pore size, this was particularly evident by using neutron imaging technique. This technique was applied for the first time in extrudate. 2D tomography images indicated internal structural differences between extrudates containing different sucrose content and stored at low and high % RH, while 3D image analysis showed impact of these factors on pore size distribution and % porosity were not significant. The extruded samples were in the amorphous state as a result of starch gelatinization and sugar melting. Their thermal properties were analyzed with DSC and their Tg were studied. The DSC thermograms were thoroughly studied through a Gaussian deconvolution of the first derivative of their heat low. This approach evidenced a multiple phase behavior with different glass transitions in composite systems. They were associated with either a polymer-rich phase and/or a plasticizer-rich phase which behavior depended on the sample water content. Physical aging accompanied with an increase in rigidity at low aw, resulted in an increased bulk density and more pronounced with increasing sucrose content. Sorption isotherms showed the water content of extrudates decreased when product contains high sucrose at low aw range and the inverse effect was observed at high aw. Apparent kinetics of water diffusion showed two different sorption sites, the first kinetics was almost constant and could be adsorption phenomena at the surface. The second one reflected first an initial slowing in dynamics whereas a sharp increase was found at higher water content. Addition of sucrose or water decreased both Tgs in extrudates. Young's modulus showed water acts as anti-plasticizer at low aw, while it shows a plasticizing effect at high aw. A stability map can explain the brittle-ductile transition occurred below Tg. Fast field cycling NMR study at low frequency highlighted that T1 depended on sucrose and water content. T1 and T2 measured using Low field NMR decrease as a function of water content, while the impact pf sucrose were not significant. T2 showing a minimum probably indicating the exchange of protons of water and macromolecules in composite system. The impact of sucrose content was not significant for T1 and for T2 at low water content. FFC NMR showed T1 results consistent with the LF NMR measurement.In conclusion, physicochemical studies of the influence of water and sucrose content on glassy materials showed that the material properties can be investigated at different levels from the macro- to the microscopic scale and these results clearly presented the need for complementary techniques to probe the dynamics in the glassy state of heterogeneous food systems that could be facilitated to manage the stability during storage of this type of dry products.


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  • Sous le titre : Sugar reduction in extruded cereal based products : impact of water content on the structure and molecular dynamics in such material
  • Détails : 1 vol. (xx-202 p.)
  • Annexes : Références bibliographiques en fin de chapitres
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