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Aérial : Parc d’innovation – Rue Laurent Fries – BP 40443 – 67412 ILLKIRCH Cedex – Tel : 03 88 19 15 15 - Fax : 03 88 19 15 20 Site web : www.aerial-crt.com – e.mail : [email protected] logoaerial.j... Centre de Ressources Technologiques Institut Technique Agro-Industriel Applications multi-sectorielles des techniques d’ionisation Etudes et assistance technique pour l’industrie agro-alimentaire Lyophilisation pour les bio-industries A A é é rial rial Colloque Compléments alimentaires Illkirch le 14 octobre 2011 Dalal AOUDÉ- WERNER

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Aérial : Parc d’innovation – Rue Laurent Fries – BP 40443 – 67412 ILLKIRCH Cedex – Tel : 03 88 19 15 15 - Fax : 03 88 19 15 20Site web : www.aerial-crt.com – e.mail : [email protected]

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Centre de Ressources TechnologiquesInstitut Technique Agro-Industriel

Applications multi-sectorielles des techniques d’ionisationEtudes et assistance technique pour l’industrie agro-alimentaireLyophilisation pour les bio-industries

AAéérialrial

Colloque Compléments alimentairesIllkirch le 14 octobre 2011

Dalal AOUDÉ- WERNER

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Applied Research

Technical Assistance

Training

Expert Advice

www.aerial-crt.com

Aérial’s activities

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Radiation processing

Food Processing

Freeze -Drying

www.aerial-crt.com

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1400m2 - Parc d’innovation - Illkirch

A specific equipment :

Pilot Freeze-Dryers

Experimental electron beam irradiation plant

5 Laboratories

� Microbiology (L2 and L3)

� BioChemistry

� Sensory Analysis

�Detection of irradiated food

� Dosimetry

�Experimental Freeze-Drying Laboratory

Our facilities

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Not to confuse irradiation and activation !

� Submit a product of ionizing radiation

� Remove electrons from atoms of matter

� Appearance of highly reactive radicals

Irradiation

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Irradiation dose

Absorbed dose is the mean energy imparted to a

quantity of matter divided by the mass of that matter

i.e. energy per unit mass

Unit: J kg-1

Special name: gray (Gy) 1Gy = 1 J kg-1

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How is irradiation performed ?

Two types of radiation :

� Electromagnetic radiation

� γ Rays

� X Rays

� Corpuscular radiation

� Electron beam

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γγ, electrons, X Rays, electrons, X Rays

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Radiation actions on chemical systems or

biological organisms

IRRADIATION Ionisation

9

Free

radicals

Chemical

ReactionsBiological

Reactions

Direct effect of irradiation

Indirect effect of irradiationH3O++ •OH /•H + •OH /

H2O + •H

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Parameters impacting µo radiosensitivity

Nature and state of the microorganism

�Gram- bacteria are globaly more radio sensitive than the Gram+ bacteria

�Vegetative cells are more radio sensitive than spores

�Bacteria are more radio sensitive in growth ϕ than in stationnary ϕ

10

Media and water availibility

� Deep freezing or deshydratation increases µo radioresistance

� The higher the water activity aw, the higher the radiation sensitivity

�µo radioresistance is lower under oxygen

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102

101

100

10-1

10-2

10-3

La notion de dose reflète la quantité d'énergie absorbée par l'unité de masse du produit traité

La dose s'exprime en Gray (symbole Gy)

1 Gy = 1 joule/kg

Destruction de virus Stérilisation Destruction d'enzymes Réticulation Greffage sur polymères Vulcanisation de caoutchouc

Traitement des eaux et de déchets Pasteurisation Aseptisation

Elimination de parasites dans les produits carnés Désinsectisa- tion

Mutation des végétaux Inhibition de germinationStimulation

de la croissance des végétaux

Suivant les doses appliquées - de 0,001 à 100 kGy - l'ionisation génère des effets extrêmement variés qui vont de la stimulation de croissance à la stérilisation

(kGy)

Applications of radiation processing

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In France (official)

4,383 t of irradiated food Products in 2003

3,004 t of irradiated food Products in 2006

2,139 t of irradiated food Products in 2007

12

Food submitted to irradiation

In EU (official)

17,164 t of irradiated food Products in 2003

15,058 t of irradiated food Products in 2006

8,154 t of irradiated food Products in 2007

Source : journal officiel de l’Union Européenne

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�European legislation L66/16 (1999)L66/16 (1999)

�� Control of labeling

� Respect for freedom of consumer choice

Detection of irradiated food

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20021996

EN 1784 (HCV)

EN 1785 (2-ACB)

EN 1786 (RPE os)

EN 1787 (RPE cellulose)

EN 1788 (TL silicates)

EN 13708 (RPE sucre)

EN 13751 (PSL)

EN 13783 (DEFT-APC)

EN 13784 (comète)

Detection of irradiated Food

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� EN 1788:2001, Foodstuffs - Thermoluminescence detection of irradiated food

from which silicate materials can be isolated

� EN 13751:2002, Detection of irradiated food by pulsed photostimulated

Luminescence-Screening method

Physical MethodsThermoluminescence & Photostimulated Luminescence

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� Basis: release by heating (TL) or pulsed infra-red light (PSL) of trapped energy

in dry crystalline materials.

� Suitable materials: silicate minerals and soils; absorbed or sands

� Equipment: TL or PSL

Physical MethodsThermoluminescence & Photostimulated Luminescence

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Physical Methods - TLuminescence

Measurement of the energy released

Translation in signal

Irradiation

Excieted

Metastable

Fundamental

(1) irradiation →minerals electrons absorb a part of

energy, and are placed in excited state,

(2) emission of a photon → electrons are

maintained during a long-term in a metastable state,

(3) TL (heating) → the metastable electron is

replaced in an excited state,

(4) return at the fundamental state →release of

energy in the form of luminous photons.

State

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Physical Methods – TLAnalytical protocol

Mineral silicates Extraction

TL measurement

� Thermoluminescence measurement →Glow1

� Irradiation at 1kGy

� Thermoluminescence measurement → Glow 2

� Extraction of minerals silicates :

(sample+water+ ultra-sound treatment)

� Separation by centrifugation

� Purification by density (Add sodium

polytungstate )

� Drying of minerals silicate

70°C

6°C/S

400°C

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Luminescence 1

Standardization curve

Luminescence 1

Physical Methods – TL

ratio of luminescence (T°interval / 150°C - 250°C •R < 0,1 : Non irradiated

•R > 0,1 : Irradiated

Luminescence 2 Luminescence 2

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Physical Methods – PSL Luminescence

Same basis as the TL, except that the release of trapped energy is

done by optical stimulation (pulsed infra-red light)

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Physical Methods-

Electron Spin Resonance (ESR)

� EN 1786:1996 Foodstuffs - Detection of irradiated food containing bone -

Method by ESR spectroscopy

� EN 1787: 2000 Foodstuffs - Detection of irradiated food containing cellulose by

ESR spectroscopy

� EN 13708: 2000 Foodstuffs - Detection of irradiated food containing sugar by

ESR spectroscopy

Dry part of food (cellulose, hydroxyapatite, crystalline sugar ...)

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Physical Methods - ESR

Basis: Free radical or paramagmetic species trapped in dry, rigid matrices.

Suitable materials: bone; shell, seeds,…

Equipment: ESR

Specifications: A unique, stable signal after irradiation with reasonable dose

dependence

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� Manual excision of the dry or hard part of food� Additional drying (acetone, diethyl ether, vacuum oven ...)� Recording

Physical Methods – ESRAnalytical Protocole

Remouve flesh Take the central part of bone

Remouve marrow Put into acetone Dry in oven 3h at 50°C

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Physical Methods – ESR

Bones

Signal of non irradiated bone Signal of irradiated bone at 1kGy

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Pistachio shells, control

Pistachio shells, irradiated at 4kGy Strawberry achenes, irradiated at 3.5 kGy

Strawberry achenes, control

Physical Methods - ESRCellulose : Fruit achenes, Pip fruit, ……

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Poivron non irradié Poivron irradié à 1 kGy

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Dried mango control

Dried mango irradiated at 3 kGy

Dried fig control

Dried fig irradiated at 3 kGy

Physical Methods – ESR

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Raisin sec non irradié Raisin sec irradié à 1 kGy

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A B

�� Dried fruitDried fruit

�� ChocolatChocolat

0,33 0,335 0,34 0,345 0,35 0,355Tesla

Physical Methods - ESR

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Chemical Methods

EN 1784:1996 Foodstuffs - Detection of irradiated food containing

fat - Gas chromatography of hydrocarbons

EN 1785:1996 Foodstuffs - Detection of irradiated food containing

fat - Gas chromatographic analysis of 2-alkylcyclobutanones

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� Suitable materials: lipids and fatty acids

� Suitable foods: product containing lipids

� Equipment: fat extraction technology, fluorisil chromatography, GC or GC-MS

� Advantages: common equipment for food laboratories.

� Disadvantages: requires knowledge of unirradiated lipid composition.

Chemical Methods

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Triglycéride

H2C

HC O C O R1

R2COOH2C

O CO n-2-CH3(CH2)

Chemical Methods

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Triglycéride

3

H2CO

HC O

C

C O

CH2

CH

R1

R2COOH2C

O CHCH(CH2)n-5

2

2 ( CH3CH2

)n-5CH2CH2CH3

( ) CH3CH2 n-5CH2 CH

Irradiation

2-Alkylcyclobutanone

( CH3

CH2)n-5

CHO CH2C

CH2

(c) (a)

(b)

(c)

(a)

(b)

C, m

-2C, m+1

-1C, m

Chemical Methods

C

H2CO

HC O

C

O R1

R2COOH2C

O

H

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Irradiated Cheese

C14:1 C15:0

Palmitique : C16:0

10 20 30 40 Min.

15 20 Min.

C16:1

C17:0Stéarique : C18:0

C16:2 C17:1Oléique : C18:1

M. Bergaentzlé et al., 1994, Food Chem., 51, 177-182

Analysis of volatils hydrocarbons- CG

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Alkylcyclobutanones

O

2-DCB (n=10) : 2-Décyl-cyclobutanone (myristique/ C14:0)

2-dDCB (n=12) : 2-Dodécyl-cyclobutanone (palmitique/C16:0)

2-tDeCB (n=14) : 2-(tétradéc-5'-ényl)-cyclobutanone (oléique/C18:1)

2-tDCB (n=14) : 2-Tétradécyl-cyclobutanone (stéarique/C18:0)

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2

10 20 30 40 min

-tDeCB

2-dDeCB

Milk powder irradiated at 5 kGy

Analysis of 2-alkyl-cyclobutanones_ CG/MS

M. Bergaentzlé et al., 1994, Food Chem., 51, 177-182

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EN 13784 : 2001 DNA Comet Assay of irradiated food stuffs-screening method

Biological Methods - DNA Alterations

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EN 1788:2001 - Detection of irradiated food using Direct Epifluorescent

Filter technique/Aerobic plate count (DEFT/APC)-Screening method

Biological Methods-DEFT/APC

Basis: relative changes in microflora due to differential sensitivity of µo detected by Differential Epifluorescent Filter Technique (DEFT) and Aerobic Plate Count (APC).

Suitable materials: bacteria etc.

Suitable foods: foods with a natural microflora

Equipment: simple microbiological lab equipment + fluorescent microscope

Advantages: Simple

Disadvantages: changes not radiation specific; need knowledge of microflora.

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� 2007 : 6436 samples submitted to detection test 3.14% non conform (lack of labeling, products not authorized to be irradiated)

� 2003 : 5000 samples submitted to detection test 2.1% (lack

of labeling)

� Main method used : TL

� Main products tested : food supplement, spices, dehydrated products

CONTROL OF IRRADIATED FOOD IN EU

Source : journal officiel de l’Union Européenne