La problématique des contaminations croisées (transfert inter-lots de micro-ingrédients : additifs et/ou produits médicamenteux) dans le secteur de l'alimentation animale est entrée, depuis quelques décennies, au cœur des préoccupations de la profession. Ce phénomène se décompose en 2 phases : le dépôt de particules par un lot de fabrication et sa récupération par le/les lot(s) suivant(s). Plusieurs études expérimentales, ont incriminé l'élévateur à godets post-mélangeur dans l'augmentation du niveau de contamination d'une ligne de fabrication. Cet appareil de manutention achemine verticalement des mélanges pulvérulents de diverses matières premières, pouvant contenir, en particulier, des additifs ou des produits médicamenteux. L'objectif de ces travaux est de comprendre dans quelles mesures cet appareil est source de transfert inter-lots, et quels paramètres liés au procédé entrent en jeu. Plusieurs outils ont été mis en place et la réalisation d'un plan d'expériences a permis de mettre en lumière l'impact de certains facteurs sur la contamination croisée :d'une part, le mode de vidange (lié à la vitesse de la sangle) en tête de l'élévateur et l'angle de la bavette de jetée agissent sur la quantité de micro-ingrédient déposée lors du passage d'un lot, et d'autre part, l'espace autour des godets, modifie la capacité du lot suivant à collecter les reliquats.Ces informations définissent une position optimale des paramètres de l'élévateur qui, sur pilote, réduit le niveau de contaminations croisées de 9 à 7 %. Enfin, des observations des champs de vitesses pendant la jetée du produit ont apporté de éléments de compréhension sur mouvements d'air et d'aérosols à l'origine des contaminations.

Dans le contexte de pénurie des ressources, croissance démographique, dégradation de l’environnement, la production d’aliments riches en protéines (en particulier) pour l’homme et les animaux devrait augmenter pour répondre à la demande. De nouvelles ressources sont actuellement explorées : légumineuses, algues, insectes... Ces derniers représentent une source de protéines plus durable comparée aux sources conventionnelles. Bien qu’ils soient consommés par de nombreuses populations en Asie, en Afrique et en Amérique du Sud, ce n’est pas le cas en Europe. Ainsi, pour faciliter leur utilisation dans l’alimentation européenne, les insectes peuvent être transformés en ingrédients afin de les incorporer dans des formulations d’aliments. Cependant, il existe très peu de données sur les méthodes de transformation à l’échelle pilote ou industrielle et sur l’impact du procédé sur la qualité des produits finis. Ce travail avait pour objectifs de mettre au point à l’échelle pilote un procédé de production de farine d’insecte pour l’alimentation, de caractériser cette farine et les autres produits obtenus, de caractériser les propriétés de la fraction protéique soluble et d’étudier l’impact du procédé sur les propriétés de celle-ci. Le Tenebrio molitor, candidat à l’élevage industriel, a été sélectionné pour cette étude. Un procédé thermomécanique de production de farine a été mis au point à l’échelle pilote. Il a permis la production d’une farine d’insecte riche en protéines de 72% (bs) avec 14% (bs) de lipides et 4% (bh) d’eau. Le profil en acides aminés des protéines de cette farine répond aux besoins de la nutrition animale et de l’alimentation humaine avec une bonne efficacité protéique (estimée à 2,5). Le rendement de la production de 20% (bh) (64% bs) est semblable à celui de la production de farine de poisson (20% bh). Parallèlement, l’huile d’insecte, principale coproduit a également été produite. Elle est riche en acides palmitiques, et en acides gras essentiels ω9 et ω6. Elle peut être utilisée en alimentation ou dans d’autres domaines. Bien que le procédé ait un impact sur les propriétés physicochimiques des protéines solubles après la transformation des larves en farine, les fractions protéiques solubles de la farine et des larves ont les mêmes propriétés moussantes et émulsifiantes semblables à celles du lait et de ASB à 4 et 2% respectivement. Les protéines de la farine ou des larves peuvent être également utilisées pour leurs propriétés fonctionnelles. Ce travail contribue à la compréhension des protéines d’insectes et à l’extrapolation industrielle dans une perspective de conception de la bioraffinerie. / In the context of resource scarcity, population growth, environmental degradation, and food supplies dependency, the production of protein-rich feed and food should increase in order to meet the demand. New resources are currently being explored as vegetal, algae, insects... This last one is environmentally friendly and represents a more sustainable protein source as compared to conventional livestock farming. Although insects are consumed by a lot of people in Asia, Africa and South-America, this is not the case in Europe. In order to meet European consumers' preferences, they need to be processed or transformed into ingredients to become a part of formulation products (i.e. powders). However, very little knowledge regarding processing methods at a pilot or industrial scale, and the composition and impact of process on the properties of insect-based ingredient exists and is available. The aim of this work was to design a process for the production of meal rich in proteins from insect at a pilot scale, to characterize it for feed and food applications, to characterize the properties of its soluble proteins, and to study the impact of the process on these properties. The Tenebrio molitor, candidate for rearing at an industrial scale, was chosen in the frame of this study. A thermo-mechanical process was designed at a pilot scale. It allowed the production of a protein-rich insect meal of 72% (bs) with 14% (bs) of lipids and 4% (bh) of water. The amino acid profile of this meal proteins meets the needs of animal nutrition and human nutrition with good protein efficiency (estimated at 2.5). The production yield of 20% (bh) (64% bs) is similar to that of fishmeal production (20% bh). In parallel, insect oil (co-product) were also produced. It is rich in acid palmitic, and essential fatty acids ω9 and ω6. It can be used in feed, food, cosmetic or bioenergy. Although the process has an impact on the physicochemical properties of soluble proteins after the transformation of larvae into flour, the soluble protein fractions of flour and of larvae have the same foaming and emulsifying properties similar to those of milk and BSA at 4 and 2% respectively. The meal proteins could be used in feed and food for their functional properties. This work contributes to insect protein understanding and the industrial extrapolation in a perspective of biorefinery designing.

La stabilité des communautés naturelles est liée aux propriétés des réseaux trophiques. Des propriétés comme l'omnivorie et le généralisme augmentent les voies possibles de transfert d'énergie et répartissent le stress de la prédation sur plusieurs espèces, se qui stabilisent les communautés, réduit la pression sur les espèces rares et minimisent la perte de biodiversité. Toutefois, la caractérisation de la diète d'organismes cryptiques comme les arthropodes épigés est complexe et requiert l'utilisation d'outils comme les isotopes stables de carbone (δ13C) et d'azote (δ15N). Le ratio isotopique du carbone retrouvé dans un organisme indique les sources d'énergie utilisé par ce dernier tandis que son ratio isotopique d'azote révèle son niveau trophique. De plus, les écarts types des δ13C et δ15N d'une population indiquent respectivement le degré de généralisme et d'omnivorie de cette population. Le présent mémoire présente deux chapitres sous forme d'articles. Dans le premier article, nous avons évalué les effets de divers intensités de coupes forestières en forêt boréale mixte sur le degré de généralisme et d'omnivorie de quatre prédateurs épigés (Pterostichus adstrictus Eschscholtz, Staphylinus pleuralis Leconte, Platynus decentis (Say), Stereocerus haematopus Dejean) 2, 6 et 9 ans après les coupes en mesurant la réponse isotopique (δ13C et δ15N) des populations. Les traitements sylvicoles ont eu lieu sous deux types de couverts (feuillus ct de conifères) et sont : 1) des coupes totales, 2) des coupes partielles (20% de rétention) et 3) des peuplements. Toutes les combinaisons de peuplements et de traitements furent répliquées trois fois et font partie d'une expérience plus grande nommée EMEND, toujours en cours au Nord de l'Alberta. Nos résultats ont révélé peu d'effet des coupes sur le degré de généralisme et d'omnivorie des espèces. Nous avons toutefois détecté une élévation du δ15N de P. adstrictus et S. pleuralis dans les coupes totales. Ces élévations du δ15N pourraient indiquer des changements de diètes vers des proies de niveaux trophiques plus élevés ou encore un état de jeûne dû à un manque de ressources. Puisque les effets sont tout d'abord visibles dans les coupes totales, il est possible que les coupes partielles soient plus aptes à protéger les ressources que les coupes totales. Dans le deuxième article, nous avons testé la relation entre la longueur des coléoptères de trois guildes (herbivores, fungivores et prédateurs) et leur niveau trophique (δ15N). Les coléoptères furent récoltés à l'été 2000 dans les peuplements témoins de feuillus et de conifères d'EMEND. Nous n'avons pas trouvé de relation positive entre la longueur et le niveau trophique des coléoptères, mais ces résultats suggèrent que la taille détermine en grande partie la niche et le type de matière consommée par les espèces. Nos résultats démontrent également que la diète des espèces ne change pas au cours que la succession forestière, ce qui suggère une limite dans la capacité des coléoptères à changer leur type d'alimentation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Isotopes stables, forêt boréale, réseaux trophiques, ornnivorie, coléoptères.

Les hypothèses actuelles en science halieutique prédisent un fort recrutement des populations de poissons lorsque les conditions environnementales favorisent la croissance rapide durant les jeunes stades de vie. Les coupes forestières dans les bassins versants provoquent une augmentation de la concentration en éléments nutritifs de l'eau dans les lacs oligotrophes boréaux. Ces changements environnementaux sont susceptibles de modifier les conditions d'alimentation et de croissance des larves et des juvéniles et ultimement, ils risquent d'influencer la survie et le recrutement des populations de poissons. L'objectif de cette étude était de déterminer l'impact des coupes forestières sur l'écologie des jeunes stades de vie chez la perchaude (Perca flavescens) dans les lacs du bouclier boréal laurentien. Pour atteindre cet objectif, des perchaudes de l'année ont été capturées durant trois années consécutives (2003, 2004 et 2005), dans trois lacs dont le bassin versant a subi des coupes forestières après la première année d'échantillonnage et dans trois lacs non perturbés. Les caractéristiques de croissance individuelle ont été mesurées chez ces perchaudes à l'aide de l'analyse de la microstructure de l'otolithe. Les coupes forestières ont provoqué une augmentation des taux de croissance durant les stades larvaire et juvénile en 2005, qui était accompagnée d'une augmentation de la biomasse algale. Nous avons vérifié l'influence trophique des modifications environnementales en pratiquant l'analyse des contenus stomacaux des perchaudes en 2005. Ces analyses ont montré que les perchaudes à croissance rapide avaient une diète différente, basée sur les proies du genre Daphnia. Nous avons aussi mesuré une plus grande abondance de Daphnia spp. et des concentrations de carbone organique dissous plus élevées dans les lacs perturbés en 2005. Les résultats suggèrent que les jeunes perchaudes ont bénéficié d'une plus grande abondance de proies qui, couplée à une meilleure détection, a mené à une croissance rapide. L'influence des conditions environnementales favorables sur la croissance rapide des perchaudes des lacs perturbés a été confirmée en écartant la possibilité que la croissance rapide ait été créée par une survie sélective à la croissance ou par un potentiel pour la croissance rapide déjà présent à l'éclosion. Les analyses de survie sélective à la croissance ont montré que la croissance rapide n'était pas toujours sélectionnée; elles ont plutôt montré que la direction de la sélection était variable d'une population à l'autre. Enfin, les implications des conditions environnementales et de la sélection pour la croissance rapide ou lente ont été discutées dans une perspective de prédiction du recrutement des populations de perchaudes. Nos résultats suggèrent que les conditions environnementales favorisant la croissance sont en grande partie responsables de la force du recrutement, mais que la direction et l'intensité de la survie sélective à la croissance peuvent en ajuster le niveau du recrutement. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Perchaude, Jeunes stades de vie, Croissance, Succès d'alimentation, Survie sélective à la croissance, Recrutement, Coupes forestières, Carbone organique dissous, Forces écologiques ascendantes, Microstructure de l'otolithe.

La problématique des contaminations croisées (transfert inter-lots de micro-ingrédients : additifs et/ou produits médicamenteux) dans le secteur de l'alimentation animale est entrée, depuis quelques décennies, au cœur des préoccupations de la profession. Ce phénomène se décompose en 2 phases : le dépôt de particules par un lot de fabrication et sa récupération par le/les lot(s) suivant(s). Plusieurs études expérimentales, ont incriminé l’élévateur à godets post-mélangeur dans l’augmentation du niveau de contamination d’une ligne de fabrication. Cet appareil de manutention achemine verticalement des mélanges pulvérulents de diverses matières premières, pouvant contenir, en particulier, des additifs ou des produits médicamenteux. L’objectif de ces travaux est de comprendre dans quelles mesures cet appareil est source de transfert inter-lots, et quels paramètres liés au procédé entrent en jeu. Plusieurs outils ont été mis en place et la réalisation d'un plan d’expériences a permis de mettre en lumière l’impact de certains facteurs sur la contamination croisée :d’une part, le mode de vidange (lié à la vitesse de la sangle) en tête de l’élévateur et l’angle de la bavette de jetée agissent sur la quantité de micro-ingrédient déposée lors du passage d’un lot, et d’autre part, l’espace autour des godets, modifie la capacité du lot suivant à collecter les reliquats.Ces informations définissent une position optimale des paramètres de l’élévateur qui, sur pilote, réduit le niveau de contaminations croisées de 9 à 7 %. Enfin, des observations des champs de vitesses pendant la jetée du produit ont apporté de éléments de compréhension sur mouvements d'air et d'aérosols à l'origine des contaminations. / Carry-over of additives and/or medicated products is a common issue in feed industry and, by extension in most of powder handling industries. Currently carry-over rate of a production line can be accurately defined but the causes are not identified yet. It can be broken into 2 phases : firstly, particle deposit during one batch processing and then, their collecting during the following batches. Experimental studies, carried out on industrial sites or on test benches, charged the bucket elevator situated just after the mixer to be responsible for a significant increase of cross contamination rate of industrial feed production lines. Therefore this work focuses on this handling device. It transfers mixing of several raw materials in powdery forms, which may contain micro-ingredients, especially additives or medicated products. The aim of this study is to understand how process operations affect cross contamination rates during bucket elevator handling. A test bench of this handling device, a reference product and laboratory methods have been setup. Moreover, an experimental fractional factorial design highlights the effects of several process parameters : on one hand the discharge phase on elevator head (linked to belt velocity) and the discharge spout angle act on microingredients deposit mass. On the other hand, spacing between buckets and the leg’s inner surface influences micro-ingredients collected mass. Furthermore, ideal position of process parameters has been defined. By this way, cross contamination rate on the test bench has been decreased from 9 to 7 percent. Finally, velocity fields observations during the discharge phase leads to better understanding of how these process parameters influence cross contamination rate.

La fermentation en milieu solide (FMS) est un procédé biotechnologique particulièrement bien adapté au traitement de la biomasse végétale. Cette technologie, extrapolable à l’échelle industrielle, peut répondre aux besoins actuels du marché de l’alimentation animale en développant des produits fermentés visant à améliorer les qualités des matières premières d’un point de vue nutritionnel et fonctionnel. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse développent ces aspects à partir du tourteau de colza issu du procédé de trituration des graines.Un premier criblage a mis en évidence le potentiel de certaines souches fongiques en prenant en compte les performances de croissance et leur capacité à enrichir le tourteau en protéines totales et digestibles. Des teneurs comparables à celles du tourteau de soja, principale source de protéine en nutrition animale, ont d’ailleurs été atteintes. Une activité biologique d’intérêt a ensuite été démontrée in vitro sur cellules immunitaires. Cette voie, inexplorée jusqu’à présent à partir de culture en milieu solide, confère une valeur ajoutée au produit fermenté via un apport en composés immunomodulateurs naturels d’origine fongique comme les β-glucanes. Ces derniers suscitent un intérêt croissant car ils représentent une alternative à l’utilisation des antibiotiques comme facteur de croissance. L’étude consacrée à la phase d’optimisation du procédé FMS a permis d’accroître les performances de croissance de la souche A. sojae et de définir une stratégie visant à maintenir les conditions optimales de croissance en réacteur pré-pilote à couche profonde. Des complications liées à la granulométrie très fine du tourteau de colza et à la qualité microbiologique qui évolue en cours de fermentation dans des conditions non stériles ont pu être identifiées mais le procédé mis en place a alors permis de les maîtriser en partie. / Solid state fermentation (SSF) is a biotechnological process particularly well adapted to the treatment of vegetable biomass. This technology adjustable to industrial scale, is adapted to current challenges in animal nutrition by developing fermented products in order to improve the quality of raw materials from a nutritional and functional point of view. The work presented in this thesis considers these issues using rapeseed meal from the oil crushing industry.A first screening study highlighted several fungal strains based on their growth performance and protein enrichment (total and digestible) of the substrate. Levels similar to those of soybean meal, the main protein source in animal nutrition, have also been reached. An interesting biological activity was then reported in vitro on immune cells. To date, this way has never been investigated concerning solid state culture. The presence of fungal immunomodulatory compounds as β-glucan confers added value to the fermented product. Recently, there has been growing interest in natural immunomodulators as they represent an alternative to the use of antibiotics for growth promotion in food animal production. SSF process optimization improved the growth performance of the strain A. sojae and helped to determine the best strategy to maintain optimum growth conditions at larger scale in the deep-bed pre-pilot reactor. Complications related to the fine particle size of the rapeseed meal and the changes in microbiological quality during fermentation under non-sterile conditions were also identified and partially controlled by the process.

Résumé Une demande croissante sans cesse de produits alimentaires à base d’animaux influence la productivité des systèmes mondiaux de production alimentaire, et des mesures indispensables pour freiner la dégradation de l’environnement promettent des effets similaires. Si les scénarios de demande future peuvent être satisfaits de manière durable, cela dépend notamment de la possibilité de réduire de manière significative l'impact de l'aquaculture et de l'élevage sur l'environnement. Des recherches récentes suggèrent que l'utilisation d'aliments à base d'insectes (IBF) pourrait apporter une contribution significative à cet égard, et des arguments valables sont avancés pour soutenir cette hypothèse. Les larves de mouches, comme celles des mouches domestiques (Musca domestica) ou des mouches soldat noir (Hermetia illucens), sont en mesure de puiser des nutriments dans un large éventail de ressources organiques, y compris celles impropres à la consommation humaine. Cela crée la possibilité de convertir (et de réduire considérablement) les déchets organiques de faible valeur, tels que le fumier ou le sang animal, en protéines de haute qualité et en énergie alimentaire, qui se sont avérés appropriés pour nourrir différents poissons d'aquaculture et du bétail monogastrique.Bien que le concept IBF promet d’importants avantages et ait démontré sa faisabilité technique, il n’existe encore aucun système établi permettant de tester les avantages supposés en termes de durabilité. Dans cette thèse, nous avons essayé de surmonter cette lacune par la modélisation de tels systèmes. Notre objectif central était d'identifier les aspects influençant le potentiel d'application des IBF dans différents contextes géographiques et de définir des voies d'optimisation pour une mise en œuvre durable. En nous basant sur des données expérimentales recueillies lors d'essais d'élevage menés en Europe (Espagne et Slovaquie) et en Afrique de l'Ouest (Ghana et Mali), nous avons formulé la conception d'un ensemble de versions de systèmes améliorés élevant M. domestica et H. illucens sur différents substrats organiques de faible valeur. Les modèles de production génériques ont servi comme base d’une analyse du cycle de vie ex ante, dans laquelle nous avons exploré les performances des systèmes à l’aide d’analyse du cycle de vie environnementale (ACV) et de l’analyse des coûts du cycle de vie (ACCV).Les ACVs et ACCVs ont montré que les performances environnementales et économiques des IBF sont largement fonction de l’efficacité de conversion des systèmes, de l’organisation du processus de production (c’est-à-dire de l’apport de main-d’œuvre et d’équipements technologiques) et du contexte géographique. La combinaison de ces facteurs a fourni des avantages pour les configurations simplistes utilisées dans la production de M. domestica en Afrique occidentale tropicale dans des conditions de ponte naturelle (c'est-à-dire d'inoculation de substrat par le biais de mouches présentes à l'état naturel). L'inoculation artificielle (c'est-à-dire l'inoculation du substrat par le biais de larves nourries provenant d'une colonie d'adultes en captivité), utilisée dans la production de H. illucens en Afrique de l'Ouest et de M. domestica dans le sud de l'Espagne, a favorisé une efficacité de conversion élevée, mais a augmenté les impacts environnementaux et les coûts, parce que le système complexe et l'organisation de processus à forte intensité de main-d'œuvre ont considérablement accru les intrants de main-d'œuvre et d'infrastructures de production.Une comparaison avec des aliments conventionnels riches en protéines a mis en évidence des inconvénients environnementaux et économiques pour les modèles de production actuels des IBF, notamment en ce qui concerne les aliments végétaux (par exemple, le tourteau de soja). Les disparités entre les alimentations IBF et conventionnelles reflètent l’utilisation des capacités sub-optimaux des systèmes (effet d’économie d’échelle insuffisant), ainsi que la perte d’énergie et de biomasse le long de la chaîne trophique (producteurs autotrophes vs consommateurs hétérotrophes). Les résultats soulèvent des doutes légitimes sur les avantages en termes de durabilité d’une mise en œuvre d'insectes dans les chaînes de valeur agricoles actuelles. Le succès commercial dépend en grande partie du niveau de salaire spécifique au contexte, des prix des substrats d'élevage et de la manière dont les marchés évaluent les multiples fonctions que les insectes sont capables de fournir. S'agissant de la performance environnementale, nos résultats nous amènent à conclure que la production d'IBF ne présente aucun avantage par rapport aux aliments conventionnels.L’évaluation de systèmes de production encore hypothétiques impliquait une bonne quantité d’hypothèses et d’approximations. Étant donné ces multiples sources d'incertitude et compte tenu du fait que seul un nombre limité de conceptions de systèmes possibles sont prises en compte, les déclarations sur le potentiel d'application d'IBF n'ont aucune validité universelle et doivent être interprétées avec prudence. Cependant, nos résultats contribuent à une meilleure compréhension des facteurs influant sur le potentiel d’application des systèmes de production d’insectes et constituent un point de référence précieux pour les discussions scientifiques et les activités de recherche et développement futures visant à mettre en place des modes de production alimentaire durables.Bien que nos recherches n’apportent aucun soutien aux avantages environnementaux ou économiques supposés de l’utilisation d’insectes dans l’alimentation animale, il est possible que leur utilisation comme aliment destiné à la consommation humaine directe (c’est-à-dire comme substitut possible aux produits à base de poisson et de viande) constitue une solution durable aux problèmes actuels et futurs. Nous recommandons donc aux recherches futures de se concentrer sur les techniques permettant d'exploiter les insectes comme nourriture. / Doctorat en Sciences / There are a few details that I could not specify in the available input fields. I would like to ask you kindly to add the following information: (1) Prof. Erik Mathijs (KUL) is my second co-supervisor; (2) Next to the Jury members listed, there are Prof. Matthias Finkbeiner (TU Berlin) and Prof. Theo Niewold (KU Leuven), which I could not enter manually. / info:eu-repo/semantics/nonPublished