Multi-scale study of the phenomena of reconstitution of powders from agroressources - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Multi-scale study of the phenomena of reconstitution of powders from agroressources

Étude multiéchelle des phénomènes de reconstitution de poudres issues d'agroressources

Abstract

This thesis work focused on a better understanding of powder reconstitution phenomena and the development of descriptive and predictive models applicable to powder reconstitution. The first objective was to discriminate powders by principal component analysis according to their physicochemical and structural characteristics, as well as their manufacturing process. Then, the second objective was to determine the main factors involved in the reconstitution of powders and their impacts on the wetting and the reconstitutability. Powders were classified according to their reconstitution behavior into four categories: good (fast wetting and short reconstitution), correct (slow wetting and short reconstitution), mediocre (fast wetting and long reconstitution), and poor (slow wetting and long reconstitution). The third objective was to study the impact of surface properties on wettability, a whey protein isolate powder for which wetting is the limiting reconstitution step (correct reconstitution category: slow wetting and short reconstitution) has been selected. Its surface has been modified by coating with different sugars (sucrose, lactose, glucose, fructose, and galactose) to improve its wettability and understand the mechanisms of interaction between water and particle surface. The fourth objective was to develop a semi-empirical model allowing the description of the kinetics of reconstitution followed by laser granulometry. It consisted in representing the evolution of the median particle size during the main stages of reconstitution (from swelling to solubilization) in the form of first-order indicial responses, which made it possible to access kinetic information on each step of the reconstitution. The development of this descriptive modelling method has made it possible to respond to three aims: develop a model that is applicable to powders with varied reconstitution behaviors, describing the entire reconstitution with a single equation, and whose model parameters have a physical meaning linked to the kinetics of the reconstitution steps. The obtained semi-empirical descriptive model made it possible, using statistical methods (Pearson coefficients), to identify the impact of the physicochemical parameters of eight powders (the kinetics obtained for the other powders could not be modeled given their instantaneity or complexity) on the durations and rates of the various stages of reconstitution. Finally, a model aiming at predicting, from the most influential physicochemical properties, the reconstitution time of the powders under the reference conditions used in the experiments carried out during the first part of the PhD work was developed using empirical models of classical form (multilinear regression, monomial model) or improvements to these (models based on normalized values of physicochemical properties, hybrid model combining power and exponential laws). The difficulty of this study resided in the relevant choice of the physicochemical characteristics taken into account for the large panel made up of the thirty-six powders considered.
Ce travail de thèse s'est focalisé sur une meilleure compréhension des phénomènes de reconstitution des poudres et le développement de modèles descriptif et prédiction applicable à la reconstitution des poudres. Le premier objectif la thèse a été de discriminer les poudres par analyse en composantes principales selon leurs caractéristiques physicochimiques et structurales, ainsi que leur procédé de fabrication. Ensuite, le second objectif a été de déterminer les facteurs principaux impliqués dans la reconstitution des poudres et leurs impacts sur l'aptitude à la reconstitution et au mouillage. Les poudres ont ainsi été classées selon leurs aptitudes au mouillage et à la reconstitution en quatre catégories : bonne (mouillage rapide et reconstitution courte), correcte (mouillage lent et reconstitution courte), médiocre (mouillage rapide et reconstitution longue) et mauvaise (mouillage lent et reconstitution longue). Le troisième objectif a été d'étudier l'impact des propriétés de surface sur le mouillage, une poudre d'isolat de protéines solubles pour laquelle le mouillage est l'étape limitante de la reconstitution (catégorie de reconstitution correcte : mouillage lent et reconstitution courte) a été sélectionnée. Sa surface a été modifiée par enrobage avec différents sucres (saccharose, lactose, glucose, fructose et galactose) pour améliorer la mouillabilité de la poudre et comprendre les mécanismes d'interaction entre l'eau et sa surface. Le quatrième objectif a été de développer un modèle semi-empirique permettant la description des cinétiques de reconstitution suivies par granulométrie laser. Il a consisté à représenter l'évolution de la taille médiane de particules lors des principales étapes de la reconstitution (du gonflement à la solubilisation) sous forme de réponses indicielles d'ordre 1, ce qui a permis d'accéder à des informations cinétiques sur chacune des étapes de reconstitution considérées. Le développement de cette méthode de modélisation descriptive a permis de répondre à trois objectifs : disposer d'un modèle qui soit à la fois applicable à des poudres ayant des comportements de reconstitution variés, permettant de décrire l'ensemble de la reconstitution avec une équation unique, et dont les paramètres du modèle ont un sens physique en lien avec les cinétiques des étapes de la reconstitution. Le modèle descriptif semi-empirique obtenu a permis par des méthodes statistiques (coefficients de Pearson) d'identifier l'impact des paramètres physicochimiques de huit poudres (les cinétiques obtenues pour les autres poudres n'ayant pas pu être modélisées au vu de leur instantanéité ou de leur complexité). sur les durées et vitesses des différentes étapes de la reconstitution Pour terminer, un modèle visant à prédire, à partir des propriétés physicochimiques les plus influentes, le temps de reconstitution des poudres dans les conditions de référence utilisées dans les expérimentations menées lors de la première année a été développé en employant des modèles empiriques de forme classique (régression multilinéaire, modèle monôme) ou des améliorations de ceux-ci (modèles basés sur des valeurs normalisées des propriétés physicochimiques, modèle hybride combinant lois puissances et exponentielles). La difficulté de cette étape a résidé dans le choix pertinent des caractéristiques physicochimiques prises en compte pour le large panel constitué des trente-six poudres considérées.
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tel-03880686 , version 1 (01-12-2022)

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  • HAL Id : tel-03880686 , version 1

Cite

Tristan Fournaise. Multi-scale study of the phenomena of reconstitution of powders from agroressources. Food engineering. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0100⟩. ⟨tel-03880686⟩
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