Étude de l'impact des techniques de concentration et de l'application de traitements thermiques sur la composition et la fonctionnalité du concentrat protéique de haricot mungo (Vigna radiata (L.) Wilczek).

Abstract

La diversification des sources protéiques et leur fonctionnalisation sont des enjeux majeurs du secteur agro-alimentaire. Ce travail de fin d’études, réalisé en collaboration avec l’entreprise Castle Ingredients®, porte sur des concentrats protéiques de haricot mungo (Vigna radiata (L.) Wilczek), obtenus par classification par air.

L’objectif principal de ce travail consiste en l’obtention d’un concentrat protéique fonctionnel pour diverses applications alimentaires à partir de cette source, en explorant les techniques de séparation et de concentration des protéines, ainsi que l’application de traitements thermiques.

La première étape du projet vise à optimiser l’obtention du concentrat protéique par combinaison de concassage, micronisation et classification par air. Ces traitements ont permis d’obtenir un concentrat à 44,27 % de protéines, pour un rendement massique d’environ un tiers, soit en deçà des valeurs de la littérature. La baisse de la teneur en amidon s’accompagne d’une augmentation relative d’autres composés (fibres, matières grasses, etc.), diluant ainsi la concentration protéique finale. Une optimisation des paramètres de micronisation et de classification par air pourrait améliorer ces résultats.

Les quatre formes physiques (graines entières, graines concassées, farine, concentrat) ont été caractérisées afin d’anticiper leur comportement thermique. Les étapes de préparation réduisent progressivement la teneur et l’activité en eau, ce qui limite les risques d’oxydation lipidique et de brunissement non enzymatique. La dégradation thermique débute vers 240°C, avec des pertes de masse de 57,14 à 61,12 % jusqu’à environ 300°C. La dénaturation et la gélification des protéines surviennent respectivement entre 143,59 et 151,15°C et à 89,86°C, tandis que la gélatinisation de l’amidon se produit à 74,34°C. Les interactions entre constituants peuvent toutefois modifier ces seuils, abaissant les températures de dénaturation et de gélification des protéines et augmentant celle de gélatinisation de l’amidon.

Dans cette étude, la fonctionnalisation des protéines est explorée via le traitement thermique, en évaluant son impact sur la composition, ainsi que sur les propriétés physico-chimiques et techno-fonctionnelles du concentrat protéique de haricot mungo. Les effets de la forme physique traitée (pré-traitement sur graines entières, concassées ou farine, ou post-traitement sur le concentrat), du couple température/durée (120°C, 157°C ou 180°C, 30 min) et de la technologie utilisée (four à air pulsé, lit fluidisé, tour de torréfaction RevTech ou convoyeur SpiraJoule) sont analysés. Globalement, l’augmentation de la température réduit la teneur en eau, l’activité d’eau, la solubilité (totale et protéique) et la stabilité moussante au cours du temps, tout en augmentant protéines, hydrates de carbone, lipides, cendres, valeur énergétique, capacité de rétention d’eau et capacité moussante. Le post-traitement direct du concentrat provoque l’assombrissement et le brunissement les plus marqués, et donne les valeurs extrêmes : eau (0,60 g/g MS ; −93 %), activité d’eau (0,065 ; −82 %), protéines (51,20 g/g MS ; +26 %), matières grasses (3,38 g/g MS ; +85 %), valeur énergétique (389,55 kcal/100 g MS ; +19 %), rétention d’eau (2,382 g/g MS ; +354 %) et d’huile (2,253 g/g MS ; +120 %). Le pré-traitement de la farine au four à 180°C permet d’atteindre la plus forte teneur en hydrates de carbone (49 g/g MS ; +33 %). Le concassage favorise les traitements conduisant à la matière grasse la plus basse (0,86 g/g MS ; −53 %) et aux cendres les plus élevées (7,02 g/g MS ; +59 %). Enfin, l’injection de vapeur dans le RevTech sur graines entières ou concassées à 180°C augmente la reprise et l’activité d’eau via une meilleure rétention, et permet la plus haute capacité moussante (3650 %) après traitement à 157°C.

The diversification of protein sources and their functionalization are major challenges in the agri-food sector. This master thesis, carried out in collaboration with the company Castle Ingredients®, focuses on mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek) protein concentrates obtained by air classification. The main objective of this work is to obtain a functional protein concentrate for various food applications from this source, by exploring techniques for separating and concentrating proteins, as well as the application of heat treatments. The first stage of the project aims to optimize the production of the protein concentrate through a combination of crushing, micronization, and air classification. These treatments made it possible to obtain a concentrate containing 44.27% protein, with a mass yield of about one third, which is below literature values. The decrease in starch content is accompanied by a relative increase in other compounds (fiber, fat, etc.), thus diluting the final protein concentration. Optimization of micronization and air classification parameters could improve these results. The four physical forms (whole seeds, crushed seeds, flour, concentrate) are characterized in order to anticipate their thermal behaviour. The preparation steps progressively reduce moisture content and water activity, which limits the risks of lipid oxidation and non-enzymatic browning. Thermal degradation begins around 240°C, with mass losses of 57.14 to 61.12% up to about 300°C. Protein denaturation and gelation occur respectively between 143.59 and 151.15°C and at 89.86°C, while starch gelatinization occurs at 74.34°C. Interactions between components can, however, modify these thresholds, lowering the temperatures of protein denaturation and gelation, and increasing that of starch gelatinization. In this study, protein functionalization is explored through thermal treatment, evaluating its impact on the composition as well as on the physicochemical and techno-functional properties of mung bean protein concentrate. The effects of the treated physical form (pre-treatment on whole seeds, crushed seeds, or flour, or post-treatment on the concentrate), the temperature/time combination (120°C, 157°C, or 180°C, 30 min), and the technology used (forced-air oven, fluidized bed, RevTech roasting tower, or SpiraJoule conveyor) are analyzed. Overall, increasing temperature reduces water content, water activity, solubility (total and protein), and foaming stability over time, while increasing proteins, carbohydrates, lipids, ash, energy value, water-holding capacity, and foaming capacity. Direct post-treatment of the concentrate causes the most pronounced darkening and browning, and yields the extreme values: water (0.60 g/g DM; −93%), water activity (0.065; −82%), proteins (51.20 g/g DM; +26%), lipids (3.38 g/g DM; +85%), energy value (389.55 kcal/100 g DM; +19%), water-holding capacity (2.382 g/g DM; +354%) and oil-holding capacity (2.253 g/g DM; +120%). Pre-treatment of flour in the oven at 180°C yields the highest carbohydrate content (49 g/g DM; +33%). Crushing favors treatments leading to the lowest lipid content (0.86 g/g DM; −53%) and the highest ash content (7.02 g/g DM; +59%). Finally, steam injection in the RevTech on whole or crushed seeds at 180°C increases rehydration and water activity through improved retention, and allows reaching the highest foaming capacity (3650%) after treatment at 157°C.