Measurement and prediction of lipid reactivity during heating of edible oils at high temperatures

If lipids contribute to nutritional and sensorial properties of many foodstuf, they are particularly sensitive to oxidation reactions. The main mechanisms involved in the oxidation of unsaturated fatty acids are already well-known. However, it is almost impossible to predict the progress of oxidative reactions and often necessary to develop new studies of oxidative stability for each new food product / processing. The aim of this study is to develop a mechanistic model coupled to oxygen transfer in order to predict the evolution of oxidation reactions in a bulk lipid system and in defined and controlled experimental conditions (temperature, oxygenation, fatty acids' composition, antioxidants' composition). Thus, a reaction scheme detailing all the reactions involved in the oxidation phenomenon was proposed and a stoichio-kinetic model was built on the basis of conservation equations and kinetic parameters available in literature. The reactivity of unsaturated fatty acids contained in three usual edible oils (rapeseed, sunflower, high oleic sunflower), previously stripped of their natural antioxidants, was studied between 80 and 180 °C, following several oxidation markers (conjugated dienes, hydroperoxides, aldehydes, polymers). As expected, oxidation kinetics depended on fatty acids' composition of oils, on temperature and on oxygen availability. The addition of antioxidant(s) confirmed the protective effect of α-tocopherol, which was not improved by the enrichment in chlorogenic acid, a phenolic acid naturally occurring in sunflower seeds. The experimental data were used to validate the model which predictions reproduce experimental tendencies. Two limitations were identified during model validation. The first is the accurate description of the oxygenation mechanism of the medium which need to be measured in oil at high temperatures. Moreover, given the large number of reactions taken into account, it is essential to have a set of more important experimental data which include radical intermediates. For this, the potential of electron spin resonance spectroscopy was evaluated in this in order to follow lipid radical species and access to kinetic parameters of radical reactions, few available in literature.Si les lipides contribuent à la valeur nutritionnelle et sensorielle de nombreux aliments, ils sont particulièrement sensibles aux réactions d'oxydation. Les principaux mécanismes mis en jeu lors de l'oxydation des acides gras insaturés sont relativement bien connus. En revanche, il est aujourd'hui quasiment impossible de prédire l'avancement des réactions et souvent nécessaire de recommencer une nouvelle étude de stabilité oxydative pour tout nouveau couple produit alimentaire / procédé de transformation. L'objectif de la thèse est donc de construire un modèle mécanistique couplé à un modèle de transfert de l'oxygène dans le but de prédire l'avancement des réactions d'oxydation dans un milieu lipidique continu et dans des conditions expérimentales définies et contrôlées (température, oxygénation, composition en acides gras, composition en antioxydants). Pour cela, un schéma réactionnel visant à détailler l'ensemble des réactions impliquées dans le phénomène d'auto-oxydation des lipides a été proposé puis un modèle stoechio-cinétique a été construit à partir des valeurs des paramètres cinétiques issues de la littérature. La réactivité des acides gras insaturés présents dans trois huiles végétales d'usage courant (colza, tournesol, tournesol oléique), purifiées de leurs antioxydants naturels, a été étudiée entre 80 et 180°C, en suivant différents marqueurs d'oxydation (diènes conjugués, hydroperoxydes, aldéhydes, polymères). Comme attendu, les cinétiques d'oxydation se sont avérées dépendantes de la composition des huiles en acides gras, de la température et des conditions d'oxygénation. L'ajout d'antioxydant(s) a confirmé l'effet protecteur de l'α-tocophérol, qui n'a pas été amélioré par un enrichissement en acide chlorogénique, acide phénolique naturellement présent dans les graines de tournesol. Les résultats obtenus ont été utilisés pour valider le modèle développé, dont les prédictions permettent de reproduire les tendances expérimentales. Deux limitations ont été mises en évidence au cours de cette phase de validation dont la première concerne la description fiable et précise du mécanisme d'oxygénation du milieu, qu'il sera nécessaire de mesurer dans une huile à haute température pour valider le modèle d'oxydation. Par ailleurs, compte tenu du nombre important de réactions prises en compte, il sera indispensable de disposer d'un jeu de données expérimentales plus important, pouvant inclure des intermédiaires radicalaires. Pour cela, les potentialités de la résonance paramagnétique électronique ont été étudiées au cours de ce travail, à la fois pour suivre les radicaux lipidiques et pour accéder à des paramètres cinétiques pour des réactions radicalaires, peu disponibles dans la littérature