Quelque soit la zone de culture, l'anacardier (Anacardium occidentale L.) est essentiellement cultivé pour la production de noix de cajou, filière d'une grande importance socio-économique notamment au Brésil. Le jus de cajou est un produit secondaire qui résulte du pressage du pédoncule hypertrophié de la noix appelé pomme de cajou (pseudo-fruit). Le traitement des pommes engendre de grands volumes de déchets solides qui sont soit mis en décharge, soit utilisés pour l'alimentation animale. Dans ce contexte, le travail a pour objectif de proposer et d'évaluer un nouveau procédé permettant d'accroître la valeur ajoutée de ce sous-produit en extrayant les caroténoïdes qu'il contient. Le procédé comporte 3 opérations successives : une extraction par pressage associée à une macération enzymatique, une concentration à froid de l'extrait par microfiltration tangentielle et une purification par diafiltration. La première opération a été optimisée à l'aide de 2 plans d'expériences : un plan de criblage de facteurs de Plackett-Burmam (matrice de Hadamard) pour sélectionner les paramètres opératoires les plus influents suivi d'un plan central composite pour les optimiser. La dose de pectinase utilisée durant la macération et la force appliquée lors du pressage sont les paramètres les plus influents sur le profil caroténoïdique de l'extrait. De fortes doses de pectinase associées à une force de pressage élevée permettent d'obtenir à la fois un extrait plus riche en caroténoïdes et une meilleure densité de flux de perméat en microfiltration. L'utilisation de plusieurs cycles successifs de pressage permet d'augmenter les teneurs en caroténoïdes de l'extrait mais augmente également son pouvoir colmatant en microfiltration. L'étude de la concentration de l'extrait par microfiltration tangentielle a montré qu'il est possible d'atteindre un facteur de réduction volumique (FRV) de 20 en maintenant des densité de flux de perméat supérieures à 100 L.h-1.m-2. Les caroténoïdes sont concentrés à hauteur du FRV choisi (jusqu'à 20 fois). La diafiltration a permis de purifier 5 fois les caroténoïdes par rapport à la matière sèche. Un modèle simple basé sur des bilans matières pour prévoir l'impact du FRV et du diavolume sur la composition de l'extrait a été développé et validé. L'extrait final obtenu présente une teneur en caroténoïdes de 70 mg.kg-1. Parmi les 11 molécules identifiées par HPLC-DAD, les caroténoïdes majoritaires sont les isomères cis et trans de l'auroxanthine, la β-cryptoxanthine et le β-carotène. Les extraits finaux obtenus se présentent sous forme de liquides visqueux de couleur jaune intense, faciles à disperser dans l'eau. Ils possèdent un fort potentiel d'utilisation dans la formulation des aliments comme colorant naturel. / Whatever is the area of plantation, cashew (Anacardium occidentale L.) is grown primarily for the production of nuts, a supply chain that has great socioeconomic importance, especially in Brazil. The cashew juice is a by-product that results from pressing the nut hypertrophied peduncle, known as cashew apple, a juicy pseudo fruit. Peduncle processing generates large volumes of industrial solid waste that are usually discarded or sometimes used as animal feed. In this context, this work aimed to propose and evaluate a new process that provides an added value to this industrial byproduct, extracting carotenoids that were contained therein. The process comprised three successive operations: an extraction by pressing associated to an enzymatic maceration, a cold concentration of the extract by crossflow microfiltration and a purification by diafiltration. The first operation was optimized with the use of two experimental designs: a Plackett-Burmam (Hadamard matrix) plan for factors screening to select the most influential operating parameters, followed by a central composite design for optimization. The dose of pectinase used during maceration and the applied force used during the pressing operation were the most influential parameters on the carotenoid extract profile. High doses of pectinase associated with a high pressing force led to a richer carotenoid extract and enhanced the permeate flux in microfiltration. The use of several successive cycles of compression increased the carotenoid content of the extract but also increased its fouling properties during microfiltration. The extract concentration by crossflow microfiltration study showed that it was possible to reach values of volumetric reduction ratio (VRR) of about 20, maintaining the permeate flux above 100 Lh-1.m-2. The carotenoids were concentrated in the same levels of FRV (up to 20 times). The diafiltration allowed purification of carotenoids 5 times in relation to the dry matter. A simple model, based on a mass balance to predict the impact of VRR and diavolume on the extract composition was developed and validated. The final extract obtained presented a carotenoid content of 70 mg.kg-1. Among the 11 compounds identified by HPLC-DAD, the main carotenoids were cis and trans isomers of auroxanthine, β-cryptoxanthin and β-carotene. The final extracts obtained were in the form of viscous liquids of a yellow intense color, and easily dispersed in water. These concentrates have a strong potential for use in the formulation of foods and beverages as a natural dye.

La microfiltration est un procédé baro-membranaire largement utilisé pour stabiliser et clarifier les jus de fruits ou pour concentrer leur fraction pulpeuse. Toutefois le colmatage membranaire limite la productivité économique du procédé. Même si de nombreuses études ont été menées pour comprendre et limiter le colmatage, aucun véritable outil n'est aujourd'hui disponible pour prévoir la filtrabilité d'un jus de fruits. Le développement de ce type d'outils prévisionnels est pourtant essentiel pour faciliter l'optimisation des conditions de filtration et pour une meilleure maitrise du colmatage membranaire. Dans ce contexte, l'étude a été axée sur l'identification de nouveaux critères de filtrabilité des jus de fruits au travers de la compréhension et de la caractérisation des mécanismes de colmatage qui interviennent.En choisissant le jus d'orange comme modèle, une approche statistique a permis, dans un premier temps, une sélection rapide et pertinente des caractéristiques physico-chimiques des jus de fruits directement corrélées à leur filtrabilité, à savoir la matière sèche totale, l'extrait sec soluble, le pH, la conductivité et la granulométrie. Ensuite, des stratégies expérimentales complémentaires basées sur des filtrations à l'échelle du laboratoire ont été proposées pour identifier les différentes fractions colmatantes en fonction de leur taille ainsi que les mécanismes de colmatage associés. Ces stratégies novatrices ont permis d'étudier le pouvoir colmatant du jus d'orange en prenant en compte toute sa complexité et de proposer par la suite des cartographies de composés colmatants. Ces cartographies s'avèrent particulièrement intéressantes pour anticiper le comportement colmatant des jus de fruits sans avoir recours à des filtrations longues et coûteuses à grande échelle. Les résultats ont montré que le phénomène le plus important qui régit le colmatage membranaire global au cours de la filtration du jus d'orange semble être le colmatage externe par dépôt. Les objectifs de la dernière partie du travail, ont été de considérer plus fortement le caractère complexe et hétérogène des jus de fruits, pouvant les conduire à des changements brutaux de comportement lors de leur filtration. Pour cela des mesures rhéologiques en mode dynamique couplées à une stratégie d'isolement spécifique des différentes fractions colmatantes du jus d'orange ont été menées pour déterminer le comportement viscoélastique de la fraction insoluble du jus d'orange au cours de sa concentration. Les observations ont montré que les énergies des interactions entre les particules insolubles sont des fonctions croissantes de la concentration de la fraction insoluble et dépendent de la taille des particules. De plus, la transition vers un comportement « solide » du jus d'orange semble être favorisée par la présence des fractions particulaire et supra-colloïdale. Ces observations sont cohérentes avec le mécanisme de colmatage prédominant dû à l'accumulation de ces fractions à la surface de la membrane. La confrontation de nouvelles études de filtrabilité à l'échelle du laboratoire avec la performance de la filtration à grande échelle permettra de généraliser les stratégies proposées pour prédire la performance de la filtration de nouveaux jus de fruits. / Microfiltration is a pressure driven process successfully used to clarify and stabilize fruit juices or to concentrate their pulpy fraction. However, membrane fouling remains the critical factor governing the overall economic productivity of this process. Even if, many studies have been made to understand and limit membrane fouling, to date, there stills a lack of predicting tools to evaluate the filterability of fruit juices. However, it is interesting to develop practical and efficient tools for the prediction of fruit juices filterability in order to adapt and optimize filtration conditions to the fouling behavior of the filtered juice. In this respect, this study focused on the identification of new criteria of fruit juices filterability through the comprehension and the characterization of the potential fouling mechanisms.First, orange juice was chosen as test matrix and a statistical approach was used to select simple and relevant physico-chemical characteristics of this juice in relation with its filterability, namely dry matter, TSS, pH, conductivity, and particles size. Later, additional experimental strategies based on filtration tests at lab-scale were developed to identify the relevant size-classes of foulant compounds and related fouling mechanisms. These innovative strategies allowed studying the fouling potential of orange juice with the consideration of its complexity and proposing cartographies of foulant compounds. These cartographies are particularly interesting to anticipate the fouling behavior of fruit juices without any costly filtration operation at large scale. Moreover, results showed that external fouling seems to be the predominant fouling mechanism governing the overall membrane fouling during orange juice filtration. Finally, the aim of the last part of the work was to highlight the role of the complex and heterogeneous nature of fruit juices in their unexpected behavior during their filtration. For this purpose, the viscoelastic behavior of orange juice suspended solids during their concentration was obtained from rheological measurements in dynamic mode coupled with specific isolation of orange juice foulant fractions. Results showed that the energy of the interactions between juice particles increased as the suspended solids concentration increased and depends on the particles size. Furthermore, the solid-like behavior of the juice was enhanced by the presence of supra-colloids and large particles. These observations are in accordance with the predominant fouling mechanism that is due to the accumulation of these fruit fractions on the membrane surface. The confrontation of new filterability studies at laboratory scale with the performance of large-scale filtration will enable to generalize the proposed strategies to predict the performance of filtration of new fruit juices.

Hibiscus sabdariffa L. est une plante vivace herbacée localisée dans les zones tropicales et subtropicales des deux hémisphères. Au Sénégal, où elle a été introduite au 19ème siècle, H. sabdariffa, encore appelé bissap ou roselle, est cultivé sur l'ensemble du territoire et exploité principalement pour ses calices. Une boisson désaltérante est traditionnellement élaborée à partir des calices séchés par extraction à l'eau. La caractérisation physico-chimique et biochimique des calices nous a tout d'abord permis de mieux évaluer le potentiel de ce produit. Ainsi, les calices contiennent entre 767 et 1480 mg.100g -1 d'anthocyanes et entre 1347 et 3736 mg.100g-1 de polyphénols totaux. Ils présentent un pouvoir antioxydant voisin de 260 µmolTrolox.g-1. L'acide malique y est l'acide organique majoritaire avec une teneur pouvant atteindre 2,3 g.100g-1. De part ces caractéristiques, l'extrait aqueux de calices d'H. sabdariffa constitue une excellente source d'anthocyanes. Le travail s'est ensuite focalisé sur le procédé d'obtention de cet extrait. L'étude de l'extraction solide-liquide a été réalisée à partir de calices séchés et d'eau à des températures comprises entre 25 et 90 °C. Un rendement d'extraction en anthocyanes maximum de 88 % a été obtenu à 25 °C avec un ratio calice/eau de 1/25. La réduction de la taille des particules et l'augmentation de la température diminuent le temps d'extraction mais n'affectent pas le rendement d'extraction. Un modèle d'extraction solide-liquide incluant les cinétiques de dégradation thermique des anthocyanes a été proposé puis validé. La microfiltration tangentielle sur membrane céramique de diamètre moyen de pores 0,2 µm a permis de produire un extrait stérilisé à froid, stable pendant 90 j à 20 °C. Nous avons montré à ce niveau que la pression transmembranaire optimisée à un facteur de réduct ion volumique (FRV) égal à 1 n'est plus optimale lorsque le FRV augmente. Pour concentrer les anthocyanes présents dans l'extrait, l'ultrafiltration sur une membrane de seuil de coupure de 5 kDa peut être utilisée malgré une rétention incomplète (95-97 %). Par contre, la nanofiltration offre une rétention totale des anthocyanes. Le procédé, mis en uvre dans des conditions semi-industrielles, a permis d'augmenter la teneur en extrait sec soluble (ESS) de 40 à 250 g.kg-1 à 35 °C, à une pression transmembranaire comprise entre 20 et 30 bar avec un flux moyen de 15 kg.h-1.m-2. L'évaporation osmotique, testée sur un pilote équipé d'une membrane en polypropylène de 10 m2, a permis de concentrer l'extrait anthocyanique jusqu'à 620 g d'ESS.kg-1. Cet extrait concentré conserve toutes les qualités physico-chimiques, biochimiques, nutritionnelles et aromatiques de l'extrait initial. Le flux évaporatoire est directement corrélé à la teneur en extrait sec solub le du produit à concentrer. Enfin, divers couplages d'opérations unitaires ont été comparés pour obtenir un extrait concentré à partir de calices d'H. sabdariffa. Le procédé qui associe une extraction à froid, une pré-concentration par nanofiltration et une concentration par évaporation osmotique est la meilleure voie tant en terme de coûts d'investissement et de fonctionnement que de qualité de l'extrait. / Hibiscus sabdariffa L. is a herbaceous plant, cultivated largely in tropical and subtropical areas of both hemispheres. In Senegal, where it was introduced in the 19th century, H. sabdariffa L. also called bissap or roselle is grown throughout the territory and operated primarily for its calyx. A refreshing drink is traditionally made from dried calyx by water extraction. The physical-chemical and biochemical characterization of the calyx allowed us to assess better the potential of this product. Thus, the calyx contained between 767 and 1480 mg.100g-1 of anthocyanins and between 1347 and 3736 mg.100g-1 of total polyphenols. They have an antioxidant capacity closed to 260 μmolTrolox.g-1. Malic acid is the major organic acid with content up to 2.3 g.100g-1. Because of these characteristics, the aqueous extract of H. sabdariffa calyx is an excellent source of anthocyanins. The work was then focused on the process for obtaining this extract. The study of solid-liquid extraction was performed from dried calyx with water at temperature range from 25 and 90 ° C. A maximum extraction yield of anthocyanin of 88 % was obtained at 25 ° C with a solid-to-solvent ratio of 1/25. Reducing the particle size and increasing the temperature decreased the extraction time but do not affect the extraction efficiency. A model of solid-liquid extraction which included the thermal anthocyanins degradation kinetics has been proposed and validated. Crossflow microfiltration with tubular ceramic 0.2 pore size membrane has produced a cold sterilized extract, stable during 90 days at 20 °C. We have shown here that the transmembrane pressure optimized at a volume reduction ratio (VRR) equal to 1 is no longer optimum when the VRR is increasing. To concentrate the anthocyanins present in the extract, the ultrafiltration membrane with a cutoff of 5 kDa can be used despite incomplete retention (95-97%). By cons, nanofiltration offers a tot al retention of anthocyanins. The method, implemented in semi-industrial conditions, has increased the content of total soluble solids (TSS) from 40 to 250 g.kg-1 at 35 °C at a transmembrane pressure between 20 and 30 bar with an average flow of 15 kg.h-1.m-2. The osmotic evaporation, tested on a pilot equipped with a polypropylene membrane of 10 m2, has concentrated anthocyanin extract up to 620 g TSS. kg-1. This concentrated extract retains all the physical-chemical, biochemical, nutritional and aromatic quality of the original extract. The evaporation flux is directly correlated with the total soluble solids content of the product to concentrate. Finally, various couplings of unit operations were compared to obtain a concentrated extract from H. sabdariffa calyx. The process which combines a cold extraction, a pre-concentration by nanofiltration and concentration by osmotic evaporation is the best way both in terms of investment costs and operating and quality of the ext ract.

La clarification des vins par procédés membranaires en particulier la microfiltration tangentielle a toujours été limitée par le colmatage, générant des flux de perméation faibles incompatibles avec la rentabilité économique. La compréhension, la maîtrise, ainsi que l'anticipation des phénomènes de colmatage font l'objet de ce travail. Dans un premier temps, la contribution individuelle puis en mélange des composés du vin (tannins, pectines, mannoprotéines et levures) au colmatage d'une membrane céramique multicanaux a été évaluée. Une approche fondamentale a permis de proposer des mécanismes de colmatage : la présence des pectines induit les flux de perméation les plus faibles en formant un gel à la surface de la membrane tandis que les levures semblent au contraire avoir un effet protecteur dans le cas d'un vin brut. Parce qu'il représente le flux au-delà duquel un colmatage irréversible apparaît à la surface de la membrane, le flux critique pour l'irréversibilité est un paramètre clef pour contrôler le colmatage. Dans le cas de la filtration de vin, aucun flux critique n'a pu être déterminé ce qui a conduit à définir un critère identifiant une zone de travail où le degré de colmatage reste acceptable. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la filtration dynamique (RVF) pour une éventuelle application dans le secteur vinicole. Cette technique est testée en présence de deux membranes organiques différentes: PES (hydrophile) et PTFE (hydrophobe). Les observations ont permis de mettre en évidence l'efficacité du système contre le colmatage des membranes PES induite par l'action de l'agitateur. Le colmatage des membranes PTFE est énormément affecté par les interactions molécules/membrane rendant la filtration dynamique inefficace pour lutter contre le colmatage de ces membranes. / Wine clarification by membrane processes mainly cross-flow microfiltration has been limited by membrane fouling generating low permeate fluxes with economic efficiency. Understanding, controlling and anticipation of fouling are the main goals of this work. In a first time, the individual contribution of wine compounds (tannins, pectins, mannoproteins and yeasts) to a multichannel ceramic membrane fouling was evaluated. The fouling mechanisms were analyzed using a fundamental approach. The presence of pectins induce the lowest fluxes by a gel-type formation at the membrane surface while yeasts presence tends to reduce fouling in the case of crude wine (case of mixed components). Because it represents the flux beyond which irreversible fouling appears on the membrane surface, the critical flux for irreversibility is a key parameter to control fouling. No critical flux for irreversibility could be measured, hence a criterion that identifies a range of operating conditions where the degree of fouling remains acceptable was proposed. The last part of this work was devoted to the study of dynamic filtration (RVF) for further application in wine sector. This technique was tested with two different membranes: hydrophilic PES and hydrophobic PTFE. Results have allowed to demonstrate the efficiency of the system to reduce fouling in the case of PES membrane. Fouling of PTFE membrane is greatly influenced by molecules / membrane interaction making dynamic filtration ineffective in reducing of membrane fouling.