Analyse des composés organiques volatils et

application à la traçabilité des aliments.

Cas particulier du chocolat. Thèse de Diplôme d’État de Docteur en Pharmacie

Présentée le 14/06/07 par Christophe SENN

devant le jury composé deM Pabst, Président du jury

M Marchioni, Directeur de thèseMme Werner, Membre extérieur

Plan

1. Composés organiques volatils

a. Définitions

b. Importance

2. Techniques d’analyses

a. Appareils à lecture directe

i. Spectroscopie IR et DOAS

ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

iii. SIFT-MS et PTR-MS

b. Techniques avec piégeage

i. SPME

ii. Head Space dynamique

c. Tout en un : le nez électronique

d. Comparaison des techniques

3. Cas particulier du chocolat

a. Répartition géographique

b. Fabrication et composés volatils du chocolat

c. Méthode d’analyse

d. Statistiques

i. Analyse des composante principales

ii. Classification ascendante hiérarchique

iii. Analyse factorielle discriminante

4. Conclusion

1.a. Composés organiques volatils•Définition scientifiqueComposés constitués de C et H, pouvant être partiellement ou totalement substitué par les halogènes, O, S, P ou N, dont la pression de vapeur est supérieure ou égale 0,01 kPa à T=293,15 K

•Définition selon UEComposé organique ayant, dans des conditions normales, une pression de vapeur telle qu’il peut s’évaporer.

Directive 2004/42/CE (peintures et vernis): composé organique avec PE ≤250°C à Patm = 101.3 kPa. Directive 94/63/EC (stockage et distribution du pétrole): tout composé gazeux qui s’évapore du pétrole.

•Classement UKIndustrie des enduits étiquetage selon teneur en COV:

Minime - 0% à 0.29%Faible - 0.3% à 7.99%Moyen - 8% à 24.99%Elevé - 25% à 50%Très élevé - plus de 50%

•Classement selon US CFRTout composé carboné qui participe à des réactions photochimiques atmosphériques (sauf CO, CO2, carbonates, HCOOH, carbures métalliques et listés).

1.b. Importance : émissions atmosphériques

http://www.emissions-poitou-charentes.org/covnm.htm

Émissions de Composés Organiques Volatils Non Méthaniques (COVNM) pour l'année 2000 en Poitou Charentes

16 920 15 %Transports routiers

16 691 15 %Industries

9 988 9 %Résidentiel

2 756 2 %Distribution de l´énergie

1 017 1 %Agricole

33

294

528

<0.03 %Autres transports

0.25 % Tertiaire

0.5 %Traitement des déchets

110 898 tonnes

62 671

TOTAL

57 %Biotique

Biotique

Autres sources

AgricultureDistribution énergie

RésidentielIndustries

Transports routiers

1.b. Importance : molécules d’intérêt

Analyse des COV déjà utilisée dans….

→ Industrie chimique : détection des fuites

→ Industrie pharmaceutique : solvants résiduels

→ Industrie cosmétique, parfumerie, aliments: analyse des arômes

1.b. Importance : molécules d’intérêt

Composition

Commerce équitable

Sigles de qualité

Contrôles réglementaires

Spécifications Choix MP

COV

Origine

Plan

1. Composés organiques volatils

a. Définitions

b. Importance

2. Techniques d’analyses

a. Appareils à lecture directe

i. Spectroscopie IR et DOAS

ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

iii. SIFT-MS et PTR-MS

b. Techniques avec piégeage

i. SPME

ii. Head Space dynamique

c. Tout en un : le nez électronique

d. Comparaison des techniques

3. Cas particulier du chocolat

a. Répartition géographique

b. Fabrication et composés volatils du chocolat

c. Méthode d’analyse

d. Statistiques

i. Analyse des composante principales

ii. Classification ascendante hiérarchique

iii. Analyse factorielle discriminante

4. Conclusion

2.a.i. Spectroscopie IR et DOAS

Absorption de rayonnements

rapidesensible

Interférencesgamme limitée1 COV /analyse

2.a.ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

Lampe UV

COV

Chambre d’ionisation

Anode

Cathode

-+

+

-COV

++

- -

Analyseur

rapidesensible

Interférencesgamme limitée1 COV /analyse

2.a.iii. Selected Ion Flow Tube et Proton Transfer Reaction – Mass Spectrometry (SIFT-MS et PTR-MS)

QuadrupoleRésonateur micro-onde

H2O H3O

He

+

COV

Spectro de

masse

Tube

H2O

rapidesensible

Très cher1 COV /analyse

Plan

1. Composés organiques volatils

a. Définitions

b. Importance

2. Techniques d’analyses

a. Appareils à lecture directe

i. Spectroscopie IR et DOAS

ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

iii. SIFT-MS et PTR-MS

b. Techniques avec piégeage

i. SPME

ii. Head Space dynamique

c. Tout en un : le nez électronique

d. Comparaison des techniques

3. Cas particulier du chocolat

a. Répartition géographique

b. Fabrication et composés volatils du chocolat

c. Méthode d’analyse

d. Statistiques

i. Analyse des composante principales

ii. Classification ascendante hiérarchique

iii. Analyse factorielle discriminante

4. Conclusion

2.b.i. Solid Phase MicroExtraction (SPME)

SensibleFacileFidèle (automatique)

Fidèle (manuel)Nombreux paramètresSéparation + analyse

Q

2.b.ii. Head Space dynamique

HeHe

Piège

GC

SensibleFidèle

Paramètres nombreuxSéparation + analyse

Plan

1. Composés organiques volatils

a. Définitions

b. Importance

2. Techniques d’analyses

a. Appareils à lecture directe

i. Spectroscopie IR et DOAS

ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

iii. SIFT-MS et PTR-MS

b. Techniques avec piégeage

i. SPME

ii. Head Space dynamique

c. Tout en un : le nez électronique

d. Comparaison des techniques

3. Cas particulier du chocolat

a. Répartition géographique

b. Fabrication et composés volatils du chocolat

c. Méthode d’analyse

d. Statistiques

i. Analyse des composante principales

ii. Classification ascendante hiérarchique

iii. Analyse factorielle discriminante

4. Conclusion

2.c. Tout en un : le nez électronique

Head Space

Séparation Détection

Capteurs chimiques

Prélèvement Analyse

1 appareil

2.c. Analogie nez humain - nez électronique

COVIdentification ou apprentissage

Prélèvement

Appendice nasal

Head Space

Séparation

Récepteurs

Transduction

Neurones du bulbe olfactif

Capteurs chimiques

Compilation

Logiciel d’interprétation

Comparaison

Mémoire

Base de données

Rapide SensibleFidèle

CherBDD à constituer

2.d. Comparaison des techniques

+++++OuiOui Nez électronique

++++++OuiOui SIFT-MS, PTR-MS

++++OuiOui Capteurs à ionisation de flamme

++++OuiOui Capteurs à photoionisation

++++OuiOui Capteurs infrarouges

+++NonOui Headspace dynamique

++++NonOui SPME

++++NonOui Adsorption active, désorption thermique

+++Non Oui Headspace statique

+++Non Oui Entraînement à la vapeur d’eau

---Non Extraction liquide/liquide

---Non Adsorption passive, plaques d’acier

---NonSacs plastiques, récipients inox

---NonSpectroscopie DOAS

---NonTubes à lecture directe

Coût Rapidité In processAlimentaireTechnique

Plan

1. Composés organiques volatils

a. Définitions

b. Importance

2. Techniques d’analyses

a. Appareils à lecture directe

i. Spectroscopie IR et DOAS

ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

iii. SIFT-MS et PTR-MS

b. Techniques avec piégeage

i. SPME

ii. Head Space dynamique

c. Tout en un : le nez électronique

d. Comparaison des techniques

3. Cas particulier du chocolat

a. Répartition géographique

b. Fabrication et composés volatils du chocolat

c. Méthode d’analyse

d. Statistiques

i. Analyse des composante principales

ii. Classification ascendante hiérarchique

iii. Analyse factorielle discriminante

4. Conclusion

3.a. Répartition des cultures de cacaoyer

http://www.icco.org/default.aspx

Madagascar Criollo

Ghana Côte d’Ivoire Forastero

Equateur Nacional

Venezuela Forastero Criollo

JamaïqueRep DomTrinidadForastero Trinitario

Fèves de cacao (89% amande, 10% coque, 1% germe) fermentées et séchées (400g)

Nettoyage Corps étrangers

Torréfaction

Concassage Coques (50g)

Cacao en grain (amande) = nibs (330g)

Broyage

Pâte de cacao = Liqueur de cacao (330g)

Malaxage Pression

Broyage fin Filtration Tourteaux

Conchage à sec Beurre de cacao Poudre de cacao

Broyage

Conchage liquide

Tempérage

Moulage

Conditionnement

Tablette de chocolat (6 X 70g)

Sucre broyé (140g)Poudre de lait

Lécithine

3.b. Fabrication et composés volatils du chocolat

Pertes

COV prisonniersou peu volatils

Plan

1. Composés organiques volatils

a. Définitions

b. Importance

2. Techniques d’analyses

a. Appareils à lecture directe

i. Spectroscopie IR et DOAS

ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

iii. SIFT-MS et PTR-MS

b. Techniques avec piégeage

i. SPME

ii. Head Space dynamique

c. Tout en un : le nez électronique

d. Comparaison des techniques

3. Cas particulier du chocolat

a. Répartition géographique

b. Fabrication et composés volatils du chocolat

c. Méthode d’analyse

d. Statistiques

i. Analyse des composante principales

ii. Classification ascendante hiérarchique

iii. Analyse factorielle discriminante

4. Conclusion

3.c. Méthode d’analyse

Entraînement à la vapeur d’eau

Extraction liquide/liquide

Chromatographie en phase gazeuseDétection par ionisation de flamme

Préparation de l’échantillon

Traitement des données

Analyses statistiques

10 minutes

37 minutes

2,5 minutes

62 minutes

~ 30 minutes

30 g de chocolat rapé(+ 125 µl d’étalon interne)

x3 +1

1 nuit(Séparation des phases)

x3 +1

J1

J2

Fraction de 100 ml

1 ml d’extrait à l’isooctane

Chromatogrammes

Temps de rétention et aire des pics normalisés

Graphiques

3.c. Entraînement à la vapeur d’eau

3.c. Chromatogrammes

Trinidad

Venezuela

Ghana

Madagascar

0

100

200

µVolts

0

100

200

µVolts

0

100

200

µVolts

0

100

200

µVolts

15 20 25 30 35 40 45 Minutes15 20 25 30 35 40 45 MinutesMinutes

(3)

ABCED G

F

H

IJ K

L

OP UT

SRQM N

V

Z4W

XZ

Z3

Z1YZ2

ABCED G

F

H

I

JK

L

OP U

T

SR

Q

M NV

Z4

WX

Z

Z3

Z1Y1

Z2

ABCED

G

F

H

I

J K

L

OP U

T

S

RQ

M N

V Z4

W XZ

Z3

Z1Y1

Z2

ABCED G

F

H

I

JK

L

OP U

T

S

RQ

M N V

Z4

W

XZ2

Z3

Z1

Y1

Z2ei1

ei2

ei1

ei1

ei1

ei2

ei2

ei2

(2)

(1)

(4)

Plan

1. Composés organiques volatils

a. Définitions

b. Importance

2. Techniques d’analyses

a. Appareils à lecture directe

i. Spectroscopie IR et DOAS

ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

iii. SIFT-MS et PTR-MS

b. Techniques avec piégeage

i. SPME

ii. Head Space dynamique

c. Tout en un : le nez électronique

d. Comparaison des techniques

3. Cas particulier du chocolat

a. Répartition géographique

b. Fabrication et composés volatils du chocolat

c. Méthode d’analyse

d. Statistiques

i. Analyse des composante principales

ii. Classification ascendante hiérarchique

iii. Analyse factorielle discriminante

4. Conclusion

3.d.i. Analyse des composantes principales

Venezuela, Equateur, Madagascar, Côte d'Ivoire, Ghana, Republique Dominicaine, Jamaïque Trinidad

3.d.ii. Classification ascendante hiérarchique

3.d.ii. Classification ascendante hiérarchique

Venezuela Forastero Criollo

Madagascar Criollo

Equateur Nacional

Afrique Forastero

Caraïbes Trinitario Forastero

VenezuelaVenezuelaVenezuelaVenezuelaVenezuelaSt DomingueVenezuelaVenezuelaSt DomingueVenezuelaVenezuelaTrinidad

MadagascarEquateurVenezuelaMadagascarTrinidadGhanaMadagascarEquateurMadagascarMadagascarTrinidadGhanaMadagascarGhanaMadagascarMadagascarTrinidadGhana

VenezuelaMadagascarCôte d’IvoireMadagascarMadagascarJamaïqueGhanaCôte d’IvoireMadagascarMadagascarMadagascarMadagascarJamaïqueCôte d’IvoireCôte d’IvoireMadagascarMadagascarMadagascarMadagascarJamaïqueCôte d’Ivoire361286106Effectif Classe 7Classe 6Classe 5Classe 4Classe 3Classe 2Classe 1Classe

3.d.iii. Analyse factorielle discriminante par zone

3.d.iii. Analyse factorielle discriminante par pays

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1. Composés organiques volatils

a. Définitions

b. Importance

2. Techniques d’analyses

a. Appareils à lecture directe

i. Spectroscopie IR et DOAS

ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme

iii. SIFT-MS et PTR-MS

b. Techniques avec piégeage

i. SPME

ii. Head Space dynamique

c. Tout en un : le nez électronique

d. Comparaison des techniques

3. Cas particulier du chocolat

a. Répartition géographique

b. Fabrication et composés volatils du chocolat

c. Méthode d’analyse

d. Statistiques

i. Analyse des composante principales

ii. Classification ascendante hiérarchique

iii. Analyse factorielle discriminante

4. Conclusion

4. Conclusion

• Nombreuses techniques. A choisir selon ses besoins.• Nez électronique très satisfaisant, en développement.

• Méthode utilisée simple, robuste• Bons résultats : séparation selon origine

Objectif atteint ……mais

• Agrandir la base de données Origine d’un chocolat inconnu

• Améliorations possibles Identification des composés

Merci de votre attention