L’intégration croissante des procédés innovants comme les ultrasons, les champs magnétiques, et les champs électriques pulsés a pour but d’améliorer et de stabiliser le déroulement des procédés de fermentation. Le champ électrique pulsé (CEP) est un procédé athermique généralement utilisé pour l’inactivation des pathogènes (Barbosa-Cánovas et al., 2001) ainsi que pour l’extraction des composés intracellulaires d’intérêt (El Zakhem et al., 2006a; Vorobiev & Lebovka 2006). Dans ce travail de thèse, nous proposons d’évaluer l’activité microbienne des cellules soumises à un traitement électrique modéré. Un intérêt particulier est apporté à des aspects fondamentaux comme la croissance et le métabolisme des cellules. Sur le plan technologique, le but fondamentale est de mettre en place et optimiser des protocoles de stimulation de microorganismes pour intensifier les bioprocédés. La fermentation de microorganismes stimulés par CEP a montré des cinétiques plus rapides que les levures non traitées. La stimulation de l’activité fermentaire s’est révélée grâce au suivi de la masse du milieu, les solutés solubles, l’absorbance, les sucres... L’optimisation des protocoles de stimulation a permis de réveler deux comportements logarithmique et saturé. Il a été montré une dépendance importante de l’énergie spécifique sur certains aspects physiologiques notamment la taille et le nombre de colonies. / The continually increasing integration of innovative technologies such as ultrasound, magnetic fields, and pulsed electric fields aims to improve and stabilize the course of fermentation processes. The pulsed electric field (PEF) is an athermal process generally used for pathogen inactivation (Barbosa-Canovas et al., 2001) and for the extraction of intracellular compounds of interest (El Zakhem et al., 2006a; Vorobiev & Lebovka 2006). In this thesis, we propose to evaluate the microbial activity of cells subjected to a moderate electric treatment. Special consideration is given to key aspects such as growth and cell metabolism. Technologically, the fundamental purpose is to implement and optimize microorganisms’ stimulation protocols to intensify their bioprocesses. The positive impact of PEF pre-treatment on yeast cells was shown by their faster fermentation kinetics compared to the control. This was proven by monitoring the weight of the ferment, the soluble solutes, the UV absorbance, and sugar consumption profiles. Two behaviors of electrostimulation, “logarithmic” and “saturated”, were revealed by optimization of the stimulation protocols. Finally, a relationship between the growth rate, the size of the colonies and the applied specific energy is deduced.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’effet du traitement par champs électriques pulsés (CEP) sur différents procédés de séchage et de friture à partir de produits végétaux (pommes de terre et carottes). Les interactions entre différents modes de séchage et de prétraitement ont été étudiées. L’impact du traitement par CEP et du pré-séchage par l’air chaud ou pré-séchage par le vide sur la cinétique de friture et sur la qualité des produits frits ont été analysés. Le prétraitement par CEP entraîne une électro-perméabilisation des membranes cellulaires, ce qui favorise l’accélération des cinétiques de perte en masse (humidité). Les résultats montrent que le temps de séchage a été réduit significativement dans tous les procédés étudiés (séchage par l’air chaud, séchage par microonde, séchage sous vide). L’avantage du traitement par CEP se manifeste également par une diminution au niveau de la température interne du produit séché. Cette température basse présente un avantage notable dans la préservation des composés sensibles à la chaleur (caroténoïdes…). La couleur des échantillons prétraités par CEP puis séchés, gardent mieux la coloration initiale et présente une déviation réduite en termes de couleur après réhydratation. En ce qui concerne le procédé de friture, l’application du traitement par CEP montrent un avantage en termes de temps de friture mais également en termes de la teneur en huile absorbée. En effet, cette teneur en huile est moins élevée pour le cas des échantillons traités électriquement comparés aux échantillons non traités. La combinaison du CEP et du pré-séchage à l’air chaud (ou du pré-séchage sous vide) montre une réduction importante du temps de friture et également en terme de teneur en huile absorbée. / This research project focuses on the effect of pulsed electric field (PEF) treatment on various drying and frying processes from plant products (potatoes and carrots). Interactions between different drying modes and pretreatment have been studied. The impact of PEF treatment and pre-drying by hot air or pre-drying by vacuum drying on frying kinetics and the quality of fried products were analyzed. PEF pretreatment results in electro-permeabilization of the cell membranes, which favors the acceleration of mass transfer processes. The results showed that the drying time was significantly reduced in all processes (hot air drying, microwave drying, vacuum drying). The advantage of the PEF treatment was also manifested by a decrease of the internal temperature of the product during drying. This lower temperature has a significant advantage in the preservation of heat-sensitive compounds (carotene, etc.). The dried sample pretreated by PEF could better retain the initial product color and had a reduced color deviation after rehydration. In regards to the frying process, the application of the PEF treatment showed not only an advantage in terms of the frying time but also in terms of oil content absorbed. The oil content of PEF treated sample was lower compared to untreated ones. Moreover, the combination of the PEF pretreatment and hot air pre-drying (or vacuum pre-drying) showed a synergistic efficiency on frying time and also in terms of oil content absorbed.

Dans le contexte de la bioraffinerie végétale, notamment pour la production du bioéthanol, le prétraitement est une étape incontournable pour réduire la récalcitrance et accroitre la réactivité de la biomasse lignocellulosique vis-à-vis des procédés de conversion enzymatique/biologique. La récalcitrance est principalement due à la présence de la lignine et à la forme cristalline de la cellulose. Le but de tout prétraitement de la biomasse est d’altérer la structure du matériau lignocellulosique pour accroitre l’accessibilité de la cellulose et les hémicelluloses aux enzymes. Les prétraitements conventionnels, comportent généralement des étapes agressives, utilisant des réactifs nocifs, en exposant la matière à des températures et pressions élevées et ce pour de longues durées. Dans ce travail, nous avons développé un procédé original de délignification des résidus de colza, en combinant des prétraitements physiques (ultrasons (US), microondes (MO) et électrotechnologies (CEP, DEHT)) aux prétraitements chimiques conventionnels (organosolv, alcalin). Ce couplage a permis d’améliorer les performances du procédé en terme de rendement d’extraction des phytomélanines (jusqu’à 40 % de gain) dans le cas des pellicules de colza et de rendement de délignification (plus que 2 fois la performance d’un procédé chimique seul) dans le cas des menues pailles de colza tout en réduisant pour la plupart des technologies étudiées la sévérité du procédé global. En termes qualitatifs, la caractérisation des pâtes cellulosiques par microscopie électronique a révélé des modifications au niveau du tissu végétal représentées par l’apparition de pores au niveau des pellicules de colza et une déstructuration des fibres des menues pailles de colza traitées induisant de meilleurs rendements d’hydrolyse enzymatique.Cependant, une perte des sucres de la cellulose et des hémicelluloses a été observée avec les prétraitements physiques. L’analyse structurale des lignines récupérées a confirmé la contamination par ces sucres et a permis d’identifier certains mécanismes d’action tels que la recondensation de la lignine sous l’effet des ultrasons et le clivage des ponts férulates sous l’action des décharges électriques à haute tension. Une étude préliminaire concernant la conception d’adhésifs «verts » éco-sourcés a été menée à partir des fractions de phytomélanines isolées par les procédés étudiés. Enfin, une étude de l'incidence des technologies innovantes en terme de performances technico-économiques a été réalisée pour permettre d'envisager une éventuelle suite à plus grande échelle et il a été conclu que l’étape physique permettait de réduire l’écart entre les coûts et les revenus de l’implantation d’une telle bioraffinerie. / In the context of plant biorefinery, especially for bioethanol production, pretreatment step is important to reduce the recalcitrance of lignocellulosic biomass and to increase the reactivity towards enzymatic / biological conversion processes. Recalcitrance is mainly due to the presence of lignin and crystalline cellulose. The goal of any pretreatment of biomass is to alter the structure of the lignocellulosic material in order to increase the accessibility of cellulose and hemicellulose to the enzymes. Conventional pretreatments include aggressive steps, using harmful reagents and exposing the material to high temperatures and pressures for long periods. In this work, we developed a new process for delignification of rapeseed residues, combining physical pretreatments (ultrasounds (US), microwaves (MW)) and electrotechnologies (PEF, HVED)) to conventional chemical pretreatments (Organosolv, alkaline). This coupling has improved the process in terms of phytomelanin extraction yield (up to 40 % gain) in the case of rapeseed hulls and delignification efficiency (more than 2 times more efficient than the chemical process performed alone) in the case of rapeseed straw while reducing for most studied technologies the severity of the overall process. Characterization through electron microscopy revealed changes in plant tissue represented by the appearance of pores in the treated rapeseed hulls and fiber breakdown of treated rapeseed straw inducing better enzymatic hydrolysis performance. However, loss of sugars from cellulose and hemicellulose was observed with physical pretreatments. Analysis of the recovered lignins allowed us to observe lignin modifications during physical treatments such as recondension reactions in presence of ultrasounds and cleavage of ferulates bridges with high-voltage electrical discharges. Then the formulation of « eco-sourced » adhesives from phytomélanins extracted by the previous studied processes was attempted. Finally, a study of the impact of innovative technologies in terms of technical and economic performances was carried out to consider a scale-up of these technologies. It was concluded that physical step enhanced the profitability of this biorefinery.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’effet du traitement par champs électriques pulsés (CEP) sur l’amélioration de la congélation des tissus végétaux. Pour l’ensemble de notre étude, nous avons démontré que l’effet des champs électriques pulsés est complexe. Le prétraitement entraîne une électroperméabilisation des membranes. Les analyses calorimétriques ont mis en évidence que l’électroperméabilisation conduit à une augmentation de la teneur en eau liée. Les transferts de matière entre les milieux intra et extracellulaires sont intensifiés. Cela conduit à une modification dynamique de la composition des deux compartiments au cours de la congélation. En effet, les essais réalisés sur le cryo-pressage assisté par CEP démontrent que les températures de fusion sont plus basses et que le jus récupéré est beaucoup plus concentré. Il a été constaté que le temps de congélation d’un échantillon soumis préalablement à un prétraitement par champs électriques pulsés est sensiblement plus court que celui d’un échantillon sans prétraitement. D’autre part, l’électroperméabilisation facilite les transferts de matière avec le milieu extérieur. Le prétraitement par CEP accélère notamment l’imprégnation des tissus végétaux par des cryoprotectants, l’évaporation de l’eau libre et la sublimation de l’eau congelée. Finalement, le prétraitement par champs électriques pulsés induit des modifications de la structure des échantillons, de leur composition et influence favorablement les transferts couplés de masse et d’énergie. / This work is focused on the study of the effects of pulsed electric fields (PEF) on the improvement of plant tissues freezing. These studies have demonstrated that the effects of the PEF are rather complex. The PEF treatment results in membrane electro-permeabilization. Calorimetric analyses showed that the electro-permeabilization leads to an increase in bound water content. It also results in acceleration of mass transfer processes between intra- and extracellular parts of a tissue. The dynamic modification of the composition of these two parts during the freezing was observed. Experimental tests using the PEF-assisted cryo-pressing demonstrated that the melting temperatures were lower and that the extracted juice was much more concentrated as compared to untreated tissues. Moreover, the PEF-treatment allowed significant decreasing of freezing time. Furthermore, the electro-permeabilization facilitates the mass transfer with the external medium. The PEF treatment accelerates the impregnation of plant tissues by cryoprotectants, evaporation of free water and sublimation of frozen water. Finally, the treatment by PEF induces changes in the structure of the samples, their composition and positively influences both the mass and energy transfers.

Ce travail de thèse concerne l’utilisation des électrotechnologies pour une valorisation optimisée de la betterave à sucre conformément au concept de bioraffinerie. Les électro-technologies appliquées sont les champs électriques pulsés (CEP) et les décharges électriques de haute tension (DEHT). L’étude s’attache d’une part à l’optimisation d’un procédé alternatif pour l’extraction du sucre par pressage alcalin à froid assisté par CEP. D’autre part, elle propose des nouvelles voies pour la valorisation de deux coproduits de l’industrie betteravière qui sont les radicelles et la pulpe de betterave. Dans la première partie, le traitement électrique par CEP couplé au chaulage permet une meilleure désintégration du tissu betteravier. Il permet d’accélérer les cinétiques du pressage, d’améliorer le rendement ainsi que la qualité du jus et d’alléger la procédure de purification en aval de l’extraction. Une étude paramétrique d’optimisation a permis d’identifier le meilleur itinéraire d’application de ce nouveau procédé d’extraction. Les cossettes fraîches de betterave sont prétraitées par CEP à 600 V/cm pour 10 ms (Q = 2,7 Wh/kg). Les cossettes électroporées sont ensuite pressées à froid pour extraire 75 % du jus. Les cossettes pressées subissent un pressage alcalin avec 10 % du lait de chaux. Afin d’extraire le sucre résiduel dans le gâteau de pressage obtenu, deux étapes de pressage supplémentaires avec une étape intermédiaire d’hydratation sont nécessaires. Ce procédé optimisé permet de bien épuiser les cossettes en sucre (perte en sucre de 0,23 % et matière sèche de pulpes de 39 %) pendant une courte durée d’extraction (30 min) avec un faible soutirage (108 %) par rapport au procédé de diffusion. Il permet ainsi des économies significatives de matière et d’énergie surtout pour les étapes d’extraction du jus et de séchage de pulpes. Par rapport au procédé conventionnel, le gain énergétique s’élève à 91,96 × 106 kWh pour une usine traitant 10 000 t/j de betteraves pendant une campagne de 110 jours. De plus, le procédé proposé permet de simplifier la procédure de purification et de réduire de 50 à 60 % la quantité de chaux utilisée. Dans la deuxième partie de cette étude, deux procédés de transformation ont été proposés et optimisés à l’échelle laboratoire pour la valorisation des radicelles et de la pulpe de betterave à sucre. Les radicelles ont été utilisées pour produire du bioéthanol. Le jus brut de radicelles a été extrait par pressage à froid assisté par CEP. La production du bioéthanol a été achevée par fermentation alcoolique. Le prétraitement par CEP (450 V/cm, 10 ms) a permis d’accélérer la cinétique de pressage, d’augmenter le rendement en solutés (79,85 % vs. 16,8 %) et d’obtenir un jus plus concentré (10 % vs. 5,2 %). Le procédé optimisé permet de produire environ 41,75 L de bioéthanol par tonne de radicelles lorsque l’on applique un prétraitement par CEP contre seulement 8,2 L de bioéthanol sans prétraitement électrique confirmant ainsi le potentiel de ce nouveau schéma de valorisation. La pulpe de betterave déshydratée ayant une matière sèche de 92,8 % a été utilisée pour l’extraction de pectines. L’étude réalisée a montré que l’application d’un prétraitement par DEHT permet d’intensifier l’extraction des pectines. Le gain relatif de rendement en pectines est de 25,3 % pour une énergie consommée de 76,2 kJ/kg. Le schéma de bioraffinage proposé pourra aider au maintien de la filière betteravière en France après la suppression de système de quotas sucriers dans l’Union européen qui entrera en vigueur le 1er octobre 2017. / This work discusses the use of electrotechnologies for an optimized valorization of sugar beet according to the concept of biorefinery. The applied electrotechnologies are pulsed electric fields (PEF) and high-voltage electrical discharges (HVED). The study firstly aims at optimizing an alternative method for sugar extraction by PEF assisted cold alkaline pressing. On the other hand, it proposes new ways for valorizing two by-products of sugar beet industry, which are sugar beet tails and pulps. In the first part, PEF treatment combined with liming leads to a better disintegration of beet tissue. It permits accelerating of pressing kinetics, improvement of juice yield and quality, and reduction of subsequent purification procedure. A parametric optimization study identified the best application itinerary of the proposed extraction process. Fresh sugar beet cossettes are pretreated by PEF at 600 V/cm for 10 ms (Q = 2.7 Wh/kg). The electroporated cossettes are then pressed to extract 75% of intracellular juice. Compressed cossettes are subjected to an alkaline pressing with 10% lime milk. In order to extract the residual sucrose in the obtained press-cake, two additional steps of pressing with an intermediate hydration are required. This optimized process allows well exhausting the sugar cossettes (sugar loss of 0.23% and pulp dry matter of 39%) for a short extraction (30 min) and with low draft (108%) compared to diffusion method. Thus, it allows substantial saving in materials and energy especially for juice extraction and pulp drying. Compared to the conventional method, the energy saving amounted to 91.96 × 106 kWh for a sugar beet factory treating 10 000 tons per day for a campaign of 110 days. In addition, the proposed method simplifies the purification procedure of raw juice and reduces the used amount of lime from 50 to 60%. In the second part of this study, two processing methods were proposed and optimized at lab-scale for valorization of sugar beet tails and pulps. Sugar beet tails were used to produce bioethanol. Raw juice of beet tails was extracted by PEF assisted cold pressing. Bioethanol production was then done by alcoholic fermentation. Pretreatment of beet tails with PEF (450 V/cm, 10 ms) permits accelerating the pressing kinetics, increasing the yield of solutes (79.85% vs. 16.8%), and leads to a more concentrated juice (10% vs. 5.2%). The optimized process permits the production of about 41.75 L of bioethanol per ton of beet tails when PEF pretreatment is applied against only 8.2 L of bioethanol without PEF confirming the potential of this new valorization scheme. Dried beet pulp having a dry matter of 92.8% was used for pectin recovery. The present study showed that the application of HVED pretreatment leads to intensify pectin extraction. The relative gain of pectin yield is 25.3% with an energy consumption of 76.2 kJ/kg. The proposed biorefinery scheme could protect the sugar beet industry in France after the suppression of the sugar quota system in the European Union, which will take effect on 1st October 2017.

Ce travail de doctorat traite l’optimisation des méthodes d’extraction des composés phénoliques à partir des sous-produits de la viticulture et de la viniculture, à savoir les sarments de vigne et les marcs de raisins. Plusieurs technologies innovantes sont appliquées et comparées : l’extraction accélérée par solvant (EAS), les décharges électriques de haute-tension (DEHT), les ultrasons (US) et les champs électriques pulsés (CEP). Les extractions solide-liquide faites sur les sarments ont montré que, parmi les solvants étudiés, l’eau est le moins efficace. L’ajout de la β-cyclodextrine dans l’eau améliore le procédé d’extraction mais est moins efficace que les mélanges hydroéthanoliques. L’extraction en milieu alcalin donne le meilleur rendement en composés phénoliques. L’intensification de l’extraction des composés phénoliques des sarments est possible grâce aux nouvelles technologies d’extraction. L’efficacité des méthodes testées est la moindre avec les US, moyenne avec les CEP pour atteindre le meilleur rendement phénolique avec les DEHT. La filtrabilité de ces extraits est d’autant plus lente que leur composition est complexe. L’ultrafiltration membranaire permet une très bonne purification et concentration des composés phénoliques. L’étude des mécanismes d’action des DEHT a permis d’identifier les phénomènes favorisant l’extraction des composés phénoliques à partir des sarments. Un effet mécanique des DEHT, capable de fragmenter les sarments, est en majorité responsable de cette amélioration. Le procédé énergivore du broyage pourra alors être omis. Un effet électrique contribuant également à l’intensification du procédé d’extraction est démontré. La formation de peroxyde d’hydrogène durant le traitement par DEHT est quantifiée mais ne semble pas altérer les composés phénoliques qui sont des molécules à capacité antiradicalaire élevée. Quant aux études portées sur les marcs de raisins, la variation simultanée de plusieurs paramètres opératoires a permis l’optimisation de l’extraction aqueuse et hydroéthanolique des composés phénoliques en ayant recours à la méthodologie de surface de réponse (MSR). Le passage d’un milieu aqueux à un milieu hydroéthanolique a permis d’améliorer nettement le procédé d’extraction solide-liquide des composés phénoliques et l’utilisation de l’EAS a permis l’augmentation du rendement en composés phénoliques jusqu’à trois fois par rapport à l’optimum obtenu en milieu hydroéthanolique. / This study deals with the optimization of the extraction methods of phenolic compounds from viticulture and viniculture by-products, namely vine shoots and grape pomace. Several innovative technologies were tested and compared: high voltage electrical discharges (HVED), accelerated solvent extraction (ASE), ultrasounds (US) and pulsed electric fields (PEF). The solid-liquid extraction conducted on vine shoots showed that, amongst the studied solvents, water is the least effective. The addition of the β-cyclodextrin to water improves the extraction process but remains less effective than that with hydroethanolic mixtures. The extraction in alkaline medium gives the highest phenolic compound extraction yields. The intensification of phenolic compound extraction from vine shoots was possible thanks to new extraction technologies. The effectiveness of the tested methods was the least with US, followed by PEF to accomplish the highest phenolic yield with HVED. The filterability of the extracts was slower when their composition was complex, and the membrane technology allowed a good purification and concentration of phenolic compounds. The reason behind the high effectiveness of HVED was investigated. The action mechanisms of HVED were studied in details. A mechanical effect of HVED provoked vine shoots fragmentation and particle size reduction. This was the main phenomenon responsible for the intensification of the extraction process. It also suggested that a grinding pretreatment would not be necessary prior to HVED, which considerably diminishes the energy input of the overall process. The presence of a non-mechanical effect and its contribution in the efficiency of HVED were also shown. The formation of hydrogen peroxide during the treatment was observed. However it did not seem to alter vine shoot phenolic compounds since these demonstrated a high radical scavenging capacity. As for the studies conducted on grape pomace, the simultaneous variation of several operating parameters allowed the aqueous and hydroethanolic optimization of phenolic compound extraction from these byproducts by response surface methodology (RSM). The passage from an aqueous to a hydroethanolic medium clearly improved the solid-liquid extraction of phenolic compounds from grape pomace. The use of ASE further increased the phenolic compound yield up to three times as compared to the optimum obtained with a hydroethanolic solvent.