Thermal process of fruit juices using microwaves : multiphysics modeling and enzyme inactivation

par Mirian tiaki KANEIWA KUBO

Thèse de doctorat en Génie des Procédés, Environnement, Agroalimentaire

Sous la direction de Lionel Boillereaux.


  • Résumé

    Ce travail vise à étudier l'intérêt du chauffage micro-ondes pour l'inactivation des enzymes dans les jus de fruit, à travers des approches numériques et aussi expérimentales. En premier lieu, une étude sur les propriétés diélectriques des jus de fruits modèles est menée, démontrant leur forte sensibilité à la température, à la fréquence et à la composition du produit. Dans une seconde partie, l'inactivation de la peroxydase est étudiée par chauffage conventionnel et les données sont ajustées par un modèle cinétique du premier ordre. Dans la troisième et principale partie de ce travail, un modèle tridimensionnel, résolu par éléments finis, est proposé pour simuler le chauffage par micro-ondes du jus, en couplant électromagnétisme, transfert de chaleur et écoulement, avec la cinétique d'inactivation de la peroxydase précédemment déterminée. Cette simulation permet de prédire la distribution spatiale de la température, le profil d’écoulement et l'inactivation de la peroxydase. L’accord entre le modèle et les expériences est très satisfaisant, ce qui confirme la pertinence de l’approche. Dans la dernière partie, les réactivations de la peroxydase après chauffage conventionnel et micro-ondes sont évaluées et comparées. Enfin, l’éventuelle existence d’effets non thermiques des microondes est discutée via des expériences additionnelles. En conclusion, ces travaux montrent tout l’intérêt de la simulation numérique comme outil de compréhension du processus multiphysique du chauffage par micro-ondes pour l’inactivation des enzymes, ce qui peut être particulièrement intéressant pour la conception et l’optimisation de traitements micro-ondes.

  • Titre traduit

    Thermal process of fruit juices using microwaves : multiphysics modeling and enzyme inactivation


  • Résumé

    This work aims at studying the use of microwave heating for enzyme inactivation in fruit juices by means of numerical and experimental approaches. In the first part, a study on the dielectric properties of model fruit juices is conducted, evidencing their high dependence on the temperature, frequency and composition of the product. Then in the second part, the inactivation of peroxidase is studied using conventional heating and the data are fitted by a first order kinetic model. In the third and main part of this work, a threedimensional finite element model is developed to simulate the microwave heating of juices, coupling electromagnetics, heat transfer and fluid flow as well as the peroxidase inactivation kinetics previously determined. As a result, spatial temperature distribution, flow pattern and peroxidase inactivation are obtained. The model is experimentally validated and good agreement is observed, confirming the relevance of the approach. Finally, in the last part, the potential peroxidase reactivations after conventional and microwave heating are assessed and compared. Also, the possible existence of non-thermal effects of microwaves is discussed thanks to additional experimentations. In conclusion, this work shows the large interest of computer simulation as a tool for understanding the multiphysics process of microwave heating for enzyme inactivation, which can be particularly interesting for further design of optimized microwave processing.