La présente thèse traite, au travers d’une analyse fondamentale et expérimentale, l’effet de texturation par détente instantanée contrôlée (DIC) sur les phénomènes de transfert au cours des processus de séchage, d’extraction mécanique et de comportement rhéologique. Les produits concernés ont été les graines de caroube (gomme et germe) et deux variétés de graines de tournesol (linoléique et oléique). La texturation DIC permet d’agir sur la cinétique de séchage par flux d’air ce qui conduit à une intensification des processus de séchage par flux d’air tout en assurant une bonne préservation de la qualité nutritionnelle du produit fini. L’étude expérimentale a été couplée à une analyse phénoménologique de la cinétique à travers une modélisation de type CWD (coupled Washing/Diffusion). Cette dernière étude conduit à une évaluation de l’impact de la texturation sur la diffusivité effective Deff et l’accessibilité initiale δWs. D’autre part, l’étude expérimentale en vue de l’optimisation de l’opération a été réalisée à travers la méthode des plans d’expériences. La modification des paramètres opératoires fonctionnels de la DIC, à savoir la pression absolue de vapeur d’eau saturée sèche (P), et le temps de traitement thermique (t), ainsi que le nombre des cycles (c) sur l’ensemble des performances de l’opération a été établie sur le comportement rhéologique de la gomme de caroube. Une deuxième partie de la thèse a été consacrée à l’étude fondamentale et expérimentale des procédés d’extraction d’huile de tournesol des deux variétés de graines linoléiques et oléiques. Le traitement thermomécanique par détente instantanée contrôlée (DIC) permet, à travers une modification contrôlée de la structure de la matière première, d’agir sur l’extraction mécanique par presse à froid des huiles de tournesol, ainsi que sur l’extraction par solvant de l’huile à partir du tourteau résiduel. Un complément à cette opération a consisté en l’extraction par solvant (n-hexane) opérée sur l’ensemble des graines de tournesol. La texturation DIC a conduit à une grande augmentation du rendement en huile pour les variétés linoléique et oléique. La préservation de la qualité de l’huile et du tourteau prouve l’adéquation de la DIC avec l’absence pratique de la dégradation chimique. Notre étude a également concerné la définition d’un nouveau procédé de désodorisation. Il s’agit de l’utilisation de l’Autovaporisation Multi-Flash MFA sur le raffinage de l’huile de tournesol. Cette technologie innovante de désodorisation se distingue par son faible niveau de température assurant ainsi une sévérité nettement inférieure à celle des méthodes conventionnelles à haute température. / This thesis deals with a fundamental and experimental analysis of the effect of instant controlled pressure drop (DIC) on the transfer phenomena and rheological behavior, which occurs during the drying process and mechanical and solvent extraction. The products concerned were carob seeds (gum and germ) and two varieties of sunflower seeds (linoleic and oleic). DIC texturing makes it possible to greatly modify the drying kinetics, leading to an effective intensification of the drying processes while maintaining a good preservation of the nutritional quality of the finished product. The experimental study was coupled with a phenomenological kinetic model using the CWD (coupled Washing/Diffusion). This study leads to evaluate the impact of texturing on the effective diffusivity Deff and the initial accessibility δWs. On the other hand, the experimental study for the optimization of the operation was carried out through an adequate experimental design method. The impact of the DIC processing parameters, namely the absolute pressure of saturated dry water vapor (P), and the heat treatment time (t), as well as the number of cycles (c) was established on the rheological behavior of the carob bean gum. A second part of our work was devoted to the theoretical and experimental study of sunflower oil extraction processes of the two types of linoleic and oleic seeds. By acting as a controlled modification of the raw material, (DIC) texturing allowed increasing the yield of sunflower oil by both cold pressing and solvent extraction from the residual cake. DIC texturing has led to a large increase in oil yield for both linoleic and oleic varieties. The preservation of the quality of oil demonstrates that DIC was perfectly adequate with a perfect absence of chemical degradation. Our study also involved the definition of a new deodorization process. This is the use of the Multi-Flash Autovaporization MFA on the refining of sunflower oil. This innovative deodorization technology is characterized by its low temperature level, thus ensuring a much lower severity than conventional high temperature methods.

Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre du projet de l'ANR DEMETHER lancé en 2011. L'objectif du projet était d'élaborer un matériau composite d'origine bio-sourcée pour l'isolation thermique des bâtiments existants. Ces biocomposites sont constitués de broyats de tiges de tournesol liés par une biomatrice à base de chitosane. Mon travail s'est concentré essentiellement sur la caractérisation et la modélisation des propriétés mécaniques des broyats et du biocomposite. La première phase du travail a permis de mettre en évidence l'influence de la zone de prélèvement des échantillons dans la tige ainsi que celle de l'humidité relative sur le module d'Young. Une approche statistique a également permis de prendre en considération le caractère diffus des tiges sur leurs propriétés mécaniques. Par la suite, un travail d'homogénéisation basé sur la morphologie et les caractéristiques des constituants de l'écorce a conduit à une estimation des propriétés élastiques globales de celle-ci. La deuxième phase du travail a permis de caractériser mécaniquement le biocomposite en compression par une méthode de mesures de champs sans contact développée au laboratoire. Le caractère hétérogène des champs de déformation a ainsi été directement relié aux constituants et au taux de chitosane.

L'utilisation de ressources lignocellulosiques renouvelables connaît à l'heure actuelle un indéniable regain d'intérêt pour l'élaboration de matériaux de construction. Partant de ce constat, un premier axe de travail a vu l'élaboration de bétons de végétaux constitués de granulats de végétaux lignocellulosiques et d'un liant pouzzolanique. Les broyats de tige de chanvre et de tournesol ont ainsi été sélectionnés pour leurs similarités et leur disponibilité dans la région Auvergne. En parallèle, un liant pouzzolanique constitué de 80% en masse de sable de ponce volcanique provenant d'une carrière locale, de 20% de chaux aérienne et d'un activateur a été formulé. Les résultats obtenus montrent la similitude des caractéristiques des granulats de chanvre et de tournesol ainsi que des performances mécaniques et thermiques des bétons légers (<500kg.m-3) constitués de ces végétaux. Les matériaux formulés satisfont aux critères fixés dans les règles professionnelles de la construction en chanvre. Dans un deuxième axe de travail, l'analyse bibliographique réalisée a permis d'identifier la qualité d'interface entre les particules végétales et le liant minéral comme un des principaux verrous scientifiques concernant les bétons de végétaux. Les problèmes de prise à cœur de ces matériaux mériteraient en effet d'être reliés avec ceux observés à l'interface liant/bois. Deux voies d'amélioration sont ainsi explorées dans une approche multi-échelles mêlant analyses physico-chimiques et essais mécaniques: le traitement préalable des particules végétales et l'adjuvantation spécifique du liant. La première stratégie a consisté à réaliser sur les granulats végétaux deux types de modifications: un recouvrement à l'huile de lin et un traitement en solution aqueuse de Ca(OH)2. Afin d'analyser à court terme l'interaction entre les particules ainsi modifiées et le liant frais, un dispositif de mesure spécifique dit de la plaque immergée est utilisé. Les résultats montrent une amélioration de l'interphase liant/végétal après le traitement des granulats en solution de Ca(OH)2. De façon surprenante, les performances mécaniques des bétons de végétaux chutent lorsque les granulats sont préalablement traités. Cette approche, en plus d'être contraignante d'un point de vue industriel, ne résout donc pas de façon satisfaisante les problèmes d'interfaces liant/bois. La seconde stratégie mise en place a nécessité l'intégration dans le liant d'un adjuvant rétenteur d'eau de type éther de cellulose dans des proportions variant de 0,5 à 1,5% par rapport à la masse des poudres. Les observations d'échantillons réalisées au MEB et couplées à une analyse EDX soulignent l'aptitude de l'éther de cellulose utilisé à améliorer les interfaces liant/bois. Une explication de l'action de ces molécules polymères sur les interfaces, basée sur la bibliographie et l'analyse du liant, est proposée. Cette approche a permis l'élaboration de bétons de végétaux immédiatement démoulables, à la compactabilité et la cohésion accrue et dont les propriétés mécaniques sont améliorées par rapport aux solutions en usage. Notons que cette amélioration n'est pas effectuée au détriment des propriétés thermiques. L'utilisation dans les bétons de végétaux d'un rétenteur d'eau ouvre dès lors des perspectives de développement : blocs préfabriqués, enduits légers, murs de béton projeté.

La verticilliose est causée par des agents pathogènes telluriques du genre Verticillium. Elle est, depuis sa découverte dans les années 50, maladie majeure du tournesol en Argentine où des sources de résistances ont été identifiées. En France, c’est une maladie de plus en plus fréquente, observée chaque année sur de nouvelles zones de production. Elle suscite désormais des efforts dans la recherche de moyens de lutte sur ce territoire. Ce travail s’est concentré sur l’étude des interactions Tournesol - agents causals de la verticilliose à deux niveaux d’observation : celui du système de culture (français vs. argentin) et celui de l’individu. L’objectif est d’apporter des connaissances sur l’agent causal et sur le déterminisme moléculaire dans la résistance à la verticilliose du tournesol afin de développer un modèle de criblage de résistances à grande échelle. L’étude de la maladie dans les systèmes de culture a permis de mettre en évidence l’existence d’une différence significative de la réponse du tournesol à Verticillium entre la France et l’Argentine. L’étude moléculaire des pathogènes vasculaires in planta, échantillonnés dans les 2 systèmes de culture, a permis de confirmer l’implication majeure de V. dahliae dans la verticilliose du tournesol. En conditions contrôlées, une étude comparative de la pathogénicité de plusieurs isolats de V. dahliae (de la tomate, du coton, du sol) sur le tournesol a mis en évidence que seul l’isolat 85S, isolé à partir du tournesol, est capable de le coloniser et de provoquer des symptômes. L’étude du génome de l’isolat 85S révèle que cet isolat n’appartient à aucune branche existante de l’arbre phylogénétique ; il forme un groupe per se, associé aux isolats non défoliant du coton mais infectant la tomate. L’hypothèse de la spécificité de la réponse induite dans l’hypocotyle et les feuilles du tournesol par certains isolats de V. dahliae a été confirmée en étudiant la cinétique de l’expression de 9 gènes associés à la défense, 5 semaines après inoculation. Le tournesol met uniquement en place son système de défense en réponse à l’infection par 85S. La réponse semble induite ; la colonisation n’est pas systémique, la biomasse fongique n’a pas été détectée dans l’hypocotyle et les feuilles de l’hybride asymptomatique. L’ensemble de ces travaux a conduit au développement d’un modèle pour le criblage de résistances à Verticillium chez le tournesol. Celui-ci répond aux contraintes liées à la diversité du pathogène dans les méga-environnements, conséquences de pressions de sélection différentielles. / Verticillium wilt is caused by soil-borne fungi of the genus Verticillium. From its discovery in the 50’s, sunflower Verticillium wilt is a major disease in Argentina where sources of resistances have been identified. Since few years, the disease occurs more frequently in France raising concerns on sources of resistances discoveries regarding its spread to other sunflower French production areas. This work focus on the study of Sunflower- causals agent of Verticillium wilt interaction at 2 levels of observation: at the cultural system (French vs Argentinian) and at the plant individual scale. The aim is to provide identification of the causal agents and knowledge on the molecular determinism of sunflower resistances to implement high-throughput plant phenotyping approach. Disease symptom studies within the cultural systems reveal a significant difference in the phenotypic expression of sunflower against Verticillium pressure according to the location in France or in Argentina. Molecular studies of isolates in planta, from naturally infested field in cultural systems reveal the major implication of V. dahliae in the sunflower Verticillium wilt disease. In controlled conditions, comparative studies of V. dahliae isolates pathogenicity (isolated from cotton, tomato and soil) on sunflower reveal that only 85S, isolated from sunflower is able to colonize and provoke symptoms. Genomic studies of 85S isolates reveal that the isolate did not belong to any branch of the current phylogenetic tree; 85S makes a 'per se' group within the cotton non-defoliating but tomato infecting strains. Specificity of induced responses in sunflower hypocotyl and leaves by only some of V. dahliae isolates have been confirmed through a gene expression kinetic analysis of 9 defenses related genes on 5 weeks post inoculation. Sunflower genotype is responding only to the 85S isolate. Resistance seems to be induced; colonization is not systemic as pathogen biomass has been detected but not quantify in symptomless cultivar. Our study finally leads to the implementation of Verticillium resistances screening model on the sunflower with respect to the constraints related to the pathogen diversity from the different environments, according to differential selection pressure.

Le travail est axé sur l'accumulation d'éléments chimiques essentiels et non essentiels avec une attention particulière pour les parties des consommées, en lien avec la qualité sanitaire des produits alimentaires. Le travail de thèse est divisé en deux grandes parties. La première porte sur une expérimentation en plein champ où des plantes de blettes et de tomates ont été cultivées du stade plantules jusqu'à la maturité pendant 5 mois avec des pratiques agricoles conventionnelles ou biologiques. Les plantes ont été récoltées à 6 stades différents de croissance et nous avons déterminé la concentration des organes végétaux pour 27 éléments chimiques. L'objectif était d'étudier la répartition des éléments entre les organes en fonction de l'âge de la plante et des pratiques culturales.La seconde partie de la thèse a été consacrée à la compréhension et à la modélisation de la répartition du cadmium (Cd) chez le tournesol aux stades reproducteurs. Des plantes ont été cultivées du stade plantule jusqu'à la maturité, en solution nutritive avec une faible concentration en Cd cohérente avec les expositions aux champs. Durant la phase reproductive, cinq échantillonnages ont été effectués pour comprendre la répartition du Cd entre les organes ainsi que l'origine du Cd des graines (prélèvement racinaire versus remobilisation à partir d'autres organes). Au stade du bouton floral et pendant le remplissage des graines, le devenir du Cd récemment absorbé par les racines a été suivi et modélisé par traçage isotopique avec du 111Cd. Les rôles de la transpiration et de l'allométrie entre organes ont été plus particulièrement examinés. / This work is focuded on the accumulation of essential and non-essential elements, paying a special attention to the dible part of the plants, in terms of food safety and human health. The thesis work has been divided in two main parts. The first one is related to a field expeiment performed in open-air plots, where Swiss chards and tomato plants were grown from seedlings to maturity in a natural soil during five months, using organic or conventional agricultural practices. Plants were harvested at six different growth satges and the total concentrations of 27 elements were measured in all plants organs. The objective was to study the partitioning of elements between the plant organs, depending on the plant age on the cultivation practice. The second part of the thesis is devoted to the understanding and modelling of the partitioning of cadmium (Cd) in sunflowers at the reproductive stages. Sunflowers wre grown in nutrient solution at low Cd availability consistent with thaht found in the field, from germination toi maturity. During the reproductive period, five samplings were carried out to investigate the partitioning of the total Cd between plant organs and the origin of the Cd allocated to seeds (root uptake vs; remobilization from other plant organs). At the flower bud and grain filling stages, the partitioning of the Cd recently taken up between the different plant organs was followed and modelled by exposing several plants for the three days to a 111Cd enriched nutrient solution. The roles of the transpiration and of the plant allometry were specially investigated.

Le cadmium (Cd) est naturellement présent dans les sols qui sont aussi enrichis par l'activité humaine. Le Cd contamine les produits végétaux alimentaires car il est absorbé par les racines des plantes. Elément toxique pour les organismes vivants, les concentrations dans les produits consommés sont soumises aux règlementations pour l'alimentation humaine et animale. Il est donc nécessaire de comprendre le transfert sol-organe consommé du Cd, spécialement pour le tournesol (Helianthus annuus L.), notre plante modèle, pouvant accumuler plus de Cd que d'autre plantes cultivées. Ce travail a testé l'hypothèse que la quantité de Cd absorbée par le système racinaire du tournesol était liée à l'architecture de ce dernier. Nous avons caractérisé au niveau des racines individuelles une variation longitudinale de l'influx d'absorption du Cd2+ en lien avec le milieu de culture, l'ordre et l'âge des racines. Ces variations ont été attribuées à la dynamique de développement des barrières apoplasmiques (dépôts de cellulose lignine et subérine) qui limitent l'internalisation du Cd2+ dans le cytoplasme cellulaire. Par simulation, il a été montré que ces variations pouvaient théoriquement impacter l'absorption totale de Cd2+ en fonction de l'architecture racinaire en hydroponie mais beaucoup moins sur substrat solide (sable). En outre, une comparaison de 14 cultivars de tournesol cultivé en hydroponie a montré que la variabilité des teneurs en Cd dans les parties aériennes était plutôt liée à des différences d'absorption indépendantes de l'architecture racinaire et à des variations de répartition dans la plante. Les variations longitudinales d'absorption du Cd peuvent alors être considérées comme mineures face à des variations inter-cultivars dont l'origine reste à élucider. Dans une optique de modélisation du prélèvement total en conditions de sol, il serait alors possible de ne considérer qu'un influx moyen de Cd pour la totalité du système racinaire indépendamment de son architecture

Ce travail a pour objectif de tester des solutions viables et durables pour la phytoremédiation de sols contaminés en éléments traces. Il inclut à la fois des données sur l'évaluation initiale et résiduelle des risques (biomonitoring) et sur des solutions de phytomanagement à long terme utilisant des plantes et microorganismes associés, en particulier la phytoextraction aidée couplant l’épuisement du pool labile de contaminants du sol, la production de matière première végétale et la restauration de services écosystémiques. La phytotoxicité du Cu, le rôle améliorant des amendements organiques et minéraux et la tolérance des plantes ont été examinés utilisant des essais biologiques ainsi qu’une technique de dilution du sol. L'utilité d’une lignée de mutant de tournesol (Helianthus annuus) et d’une lignée parental de tabac (Nicotiana tabacum) pour le biomonitoring de sols contaminés en Cu a été investiguée. Les paramètres biochimiques qui sont en relation avec le statut antioxidant des plantes et leurs réponses moléculaires à l’excès de Cu ont en général montré une plus grande sensibilité que les traits morphologiques. Le tabac est plus tolérant au Cu que le tournesol. Des bactéries endophytes issues de différentes sources, notamment des graines d’une population métallicole d’une graminée (Agrostis capillaris) peuvent stimuler la croissance du tournesol et du tabac aux expositions en Cu modérément en excès. Pour ces plantes annuelles, accumulatrices secondaires du Cu et à phénotype d’exclusion, l'augmentation de la capacité de phytoextraction de Cu par les parties aériennes s’effectue principalement par l’accroissement de la biomasse aérienne, plutôt que par celui de sa concentration en Cu. Par conséquent, une attention a été prêtée aux pratiques agricoles dans les essais en parcelles sur site. Plusieurs options d’amélioration ont été examinées in situ: l'application d’amendements du sol, l'utilisation de lignées de mutants et de variants somaclonaux, la rotation de cultures et des cultivars, la bioaugmentation, la fertilisation, l’irrigation, etc. Deux lignées de mutants et des cultivars commerciaux de tournesol ainsi qu’une lignée parentale de tabac ont montré un fort potentiel pour la phytoextraction du Cu, accompagné d’une production significative de graines et/ou autre biomasse valorisable. Les solutions de restauration écologique basées sur la phytoextraction, utilisant des plantes annuelles accumulatrices secondaires de Cu permettraient (1) la décontamination progressive des sols contaminés en Cu au cours des rotations culturales, (2) un retour financier lié à la valorisation de la biomasse végétale, et (3) la restauration de services écosystémiques. / This work aimed at assessing sustainable phytoremediation options for trace element-contaminated soils. It includes both the assessment of initial and residual risks (biomonitoring) and long-term sustainable decontamination options using plants and associated microbes, especially aided phytoextraction with the secondary purposes of producing plant-based feedstock and restoring ecosystem services. Copper phytotoxicity, the improving role of soil conditioners, and plant tolerance were tested using a bioassay as well as a fading technique. The usefulness of a mutant line of sunflower (Helianthus annuus) and a motherline of tobacco (Nicotiana tabacum) for the biomonitoring of Cu-contaminated soils was investigated. Biochemical parameters in relation to antioxidant status of plants and molecular responses to Cu excess generally showed a greater sensitivity than morphologic ones. Tobacco has a higher Cu tolerance than sunflower. Endophytic bacteria from various sources, notably from the seeds of metallicolous populations of grasses (Agrostis capillaris) can promote the growth of sunflower and tobacco exposed to Cu excess. For annual Cu-secondary accumulator plants with an excluder phenotype, increase in shoot Cu removal occurred primarily through increase in shoot biomass, rather than in shoot Cu concentration. Therefore, attention in field trials was paid to agricultural practices. Various improving options were tested in situ: application of soil amendments, the use of mutant lines and somaclonal variation, cultivars and crop rotation, bioaugmentation, fertilization, irrigation, etc. Two mutant lines and some commercial cultivars of sunflower as well as the motherline of tobacco showed a high potential for Cu phytoextraction as well as for plant-based feedstock. Ecological restoration options for Cu-contaminated soils based on phytoextraction using annual Cu-secondary accumulator plants with a high shoot biomass would (1) result in the progressive decontamination of Cu-contaminated soils during crop rotations, (2) provide a financial return through biomass valorization, and (3) promote ecosystem services.