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La modélisation s'attaque à l'agroalimentaire

Michel Le Toullec

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- Des outils informatiques permettent de prédire les mécanismes les plus complexes au sein de la production agroalimentaire. L'enjeu est d'améliorer les procédés et les formulations.

Êtes-vous adepte des équations d'Oswin, de Chung-Pfost, ou de Smith, ou préférez-vous les modèles GAB ou BET ? Quoi qu'il en soit, vous serez sans doute surtout satisfait de savoir que ce langage de mathématicien peut vous aider concrètement à améliorer votre production agroalimentaire. La modélisation aide en effet à comprendre les mécanismes impliqués dans votre procédé, comme les transferts de matières ou de chaleur. Elle donne aussi les moyens de prédire des cinétiques d'évolution : comportement de micro-organismes, agglomération de particules dans les équipements...

Modéliser l'inactivation des micro-organismes

L'un des thèmes les plus spécifiques de la modélisation en agroalimentaire concerne les micro-organismes. Mon produit présente-t-il un fort potentiel de développement bactérien ? Quelle est l'influence de la température ou de la nature de mon produit sur l'évolution de la contamination ? Quelles incidences les conditions de stockage ont-elles sur le développement de bactéries pathogènes ? Les questions ne manquent pas. La modélisation sait y répondre. C'est le cas avec Sym'Prévius, un logiciel expert de simulation en microbiologie prévisionnelle développé par l'Inra. Disponible depuis début 2005 pour les industriels de l'agroalimentaire, ce système associe une base de données et un logiciel de simulation (voir encadré ci-dessous).

À l'Inra de Theix, des recherches en modélisation visent la prédiction de la croissance et de l'inactivation des micro-organismes en surface d'aliments solides, comme les viandes et les fromages. « Nous avons développé puis combiné un modèle de transfert d'eau et un modèle microbien afin de prédire la croissance de Listeria innocua durant le stockage et le séchage lent de produits à base de viande », explique Alain Kondjoyan, chargé de recherche à l'Inra. Les travaux de ces chercheurs se sont étendus au cas de Salmonella typhimurium, dont l'inactivation à la surface de produits à base de viande a été modélisée. Cette équipe a également participé au programme européen BugDeath sur la prédiction de la destruction des micro-organismes lors des traitements thermiques des aliments.

Modéliser les transferts de matières est une autre problématique des plus complexes en agroalimentaire. L'enjeu est de prédire ces transferts au sein de l'aliment mais également à travers son emballage. « Nous avons développé un outil informatique pour faciliter la conception de nouveaux systèmes alimentaires », explique Elizabeth Roca, du laboratoire Ingénierie des agropolymères et technologies émergentes de l'université de Montpellier II. Ce logiciel, Transferomatic, concerne les aliments "composites" constitués de deux phases de propriétés distinctes, et les produits dits vivants, c'est-à-dire présentant une activité respiratoire significative. L'outil simule les transferts de molécules d'eau, de gaz (oxygène, azote, CO2), de solutés (acide ascorbique, biocides) ou de composés d'arômes entre les compartiments des aliments composites et à travers les emballages. Réalisé avec le logiciel MatLab, Transferomatic propose une liste de produits alimentaires, de matériaux d'emballage et d'absorbeurs de gaz.

Prévoir l'impact des procédés

À l'École nationale supérieure de biologie appliquée à la nutrition et à l'alimentation (Ensbana, à Dijon), Rémi Saurel travaille, quant à lui, sur la modélisation des transferts de solutés. Ses recherches concernent notamment la libération contrôlée de substances actives. « Nous étudions la diffusion d'un peptide, la nisine, dans deux cas de figure. D'une part la nisine "libre" en tant qu'antimicrobien naturel, d'autre part la nisine incorporée dans un film à base de cellulose pour la réalisation de bioemballages actifs. » Ces travaux pourraient se généraliser à la libération d'arômes, d'édulcorants, de vitamines, d'antioxydants, de probiotiques...

Un autre pan de recherche porte sur la modélisation des procédés agroalimentaires. L'un des spécialistes européens du domaine est la société néerlandaise Nizo Food Research. L'entreprise commercialise, par exemple, le système Premic (Predictive models ready for industrial control) pour prédire les propriétés du produit (stabilité, valeur nutritionnelle, texture) ainsi que les coûts du procédé. Un autre modèle, Chermo, est capable de prédire plusieurs paramètres gustatifs d'un fromage en fonction des variations du procédé et des conditions de stockage. Nizo travaille également sur la prédiction de l'adhérence, de la croissance et du relargage de micro-organismes dans les équipements de production. Autre sujet en cours : la prédiction de l'agglomération de particules de poudres dans les équipements de séchage par atomisation. Ce travail, effectué dans le cadre du projet européen Edecad, a débouché sur l'outil Design Tool, en cours d'évaluation à l'échelle industrielle.

La modélisation du procédé séchage est aussi un sujet étudié à l'École nationale supérieure des industries agricoles et alimentaires (Ensia, à Massy). « Nous travaillons, par exemple, sur le lien entre le séchage et la qualité du produit alimentaire », explique Francis Courtois, responsable du département génie industriel alimentaire. Il s'agit non seulement de modéliser la perte d'eau et l'élévation de la température, ce qui est classique, mais aussi la texture, la fissuration, le temps de cuisson ou encore la couleur des produits traités. Ces travaux sont réalisés sur deux aliments : le riz étuvé et les dattes. À propos du riz, l'Ensia cherche aussi à utiliser un modèle de séchage pour estimer en temps réel l'humidité du grain au cours du séchage sur la base des seules mesures de température d'air d'entrée et de sortie.

Enfin, l'Ensia participe au projet Actia "Etna" sur la modélisation de l'impact des procédés sur la qualité nutritionnelle des aliments. Ce programme, qui vient tout juste de s'achever, porte sur quatre modèles : les frites, la viande hachée, le jambon cuit et la compote de pommes. Il s'agit d'étudier et de modéliser l'impact de chaque opération unitaire sur des marqueurs nutritionnels tels que la vitamine C ou les polyphénols. Dans le cas du modèle "frites", par exemple, les chercheurs ont déterminé avec l'industriel McCain l'évolution de la teneur an acide gras polyinsaturés en fonction de la durée de friture...

LE LOGICIEL PRÉDIT LE COMPORTEMENT DES BACTÉRIES

- Mis au point à l'Inra, le système Sym'Prévius est un outil d'aide à la prévision de l'évolution des populations microbiennes dans les aliments. Cet outil associe une base de données et un logiciel de simulation. 44 souches de quatre espèces de bactéries pathogènes (Bacillus cereus, Salmonella, Listeria monocytogenes et Escherichia coli) ont été étudiées. Ces souches ont été isolées de produits alimentaires d'origine végétale, carnée, laitière ou de la mer.

Depuis l'été 2005, de nouvelles possibilités sont offertes. Au programme : la détermination des quatre facteurs (température, pH, aw, acide organique) à partir desquels le développement bactérien est totalement inhibé ; l'optimisation des barèmes de pasteurisation/stérilisation ; le calcul de l'efficacité d'un traitement thermique sur la réduction microbienne... (voir : www.symprevius.org)

LA GORGE ARTIFICIELLE MIME LE RELARGAGE DES ARÔMES

- C'est une véritable gorge artificielle. Un outil qui pourrait réduire sérieusement les coûts et temps de développement d'un produit. Il a été conçu par le producteur hollandais d'arômes Quest International sur la base de modèles mathématiques de son compatriote Nizo Food Research.

Pour les produits liquides Cet instrument est constitué de tubes de verre reliés entre eux par des tuyaux et équipé d'un spectromètre de masse pour déterminer la nature et la quantité de molécules volatiles. Il mime exactement le processus de déglutition et permet de prédire comme jamais auparavant le relargage des arômes au cours de la consommation d'un produit liquide ou d'une boisson. « Ce dispositif prend, par exemple, en compte les interactions entre les arômes et d'autres constituants de l'aliment comme les protéines ou les sucres », assure Alexandra Boelrijk, responsable du projet chez Nizo.

POUR LES PRODUITS COMME POUR LES PROCESS

Les travaux récents permettent aujourd'hui de modéliser... - Les transferts de matières au sein d'aliments "composites" - L'impact de procédés sur des marqueurs nutritionnels - L'adhérence des micro-organismes sur les équipements - Le comportement microbien vis-à-vis du produit - La diffusion des arômes lors de la consommation - Les transferts de matières entre l'aliment et l'emballage

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