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This review presents innovative food processing techniques and their role in promoting sustainable food industry. These techniques (such as microwave, ultrasound, pulse electric field, instant controlled pressure drop, supercritical fluid processing) in the frontiers of food processing, food chemistry, and food microbiology, are not new and were already used for> 30 years by academia and industry. We will pay special attention to the strategies and the tools available to make preservation, transformation and extraction greener and present them as success stories for research, education and at industrial scale. The design of green and sustainable processes is currently a hot research topic in food industry. Herein we aimed to describe a multifaceted strategy (innovative technologies, process intensification, bio-refinery concept) to apply this concept at research, educational, and industrial level. Industrial relevance: Green Food Processing could be a new concept to meet the challenges of the 21st century, to protect both the environment and consumers, and in the meantime enhance competition of industries to be more ecologic, economic and innovative. This green approach should be the result of a whole chain of values in both senses of the term: economic and responsible, starting from the production and harvesting of food raw materials, processes of preservation, transformation, and extraction together with formulation and marketing.

The behavior of cell membranes can be strongly affected when pulsed electric fields are delivered on a cell culture. Fields can be applied either continuously or during a short duration (electric pulse). Electropulsation results in the cell membrane permeabilization. Electropermeabilization is one of the most successful methods to introduce foreign molecules in living cells in vitro or to assist the extraction of high value compounds from microorganisms and from plant cells. The treatment is observed to be lethal. Death of the organisms is not due to the products of electrolysis; the temperature rise of the suspension is too small and short-lived to cause lethality. Many physical effects of the field pulse can be observed in the cell. From the dielectric properties of the cell membrane, it is proposed that the field modulates the transmembrane potential of cells. The induced potential triggers conformational changes in the membrane structure when it is larger than a critical value. These structural changes result in the observed loss of the cell's permeability barrier properties. The level of membrane alteration is observed to increase with the pulse length and number of pulses, and by the field strength in the suspension. The molecular processes are complicated and remain poorly characterized. Membrane damage is demonstrated by the lysis of protoplasts, the leakage of intracellular contents, and the loss of the ability of Escherichia coli to plasmolyze in a hypertonic medium.

International audience; The behavior of bacteria can be strongly affected when pulsed electric fields are delivered on a microbial culture (electropulsation). Fields can be applied either continuously or during a short duration (electric pulse). Electropulsation is one of the most successful methods to introduce foreign molecules in living cells in vitro to assist the extraction of high-value compounds from microorganisms or to affect their viability. This last aspect was first described in the late 1960s. Strong (about 20 kV/cm) but short (a few microseconds) pulses were delivered on a suspension of vegetative bacteria. The treatment was observed to be lethal. Death of the organisms was not due to the products of electrolysis; the temperature rise of the suspension was too small and short-lived to cause lethality. Membrane damage was demonstrated by the lysis of protoplasts, the leakage of intracellular contents, and the loss of the ability of Escherichia coli to undergo plasmolysis in a hypertonic medium. Lethality levels increase with the pulse length, the number of pulses, and the field strength in the suspension. It was proposed that, on cells, the field modulated the transmembrane potential. The induced potential would trigger conformational changes in the membrane structure, resulting in the observed loss of its permeability barrier properties. The molecular processes are more complicated in bacteria as a cell wall alteration is detected.

International audience; This review presents useful and green techniques of solvent-free extraction used in ancient times, such as extraction of olive oil and citrus essential oil, and innovative techniques, such as pulsed electric field, microwave, instantaneous controlled pressure drop, and extrusion. We discuss the devices, their applications, mechanisms, and parameters influencing sample preparation prior to analysis of natural products.

The increasing interest for new methodologies based on the use of the electric field to characterize the cells or tissue cells and generate brought promising development in research laboratories and industry: cancer diagnosis, electrochemotherapy (insertion of a drug after cell membranes permeabilization), gene therapy (insertion of a therapeutic gene), immunotherapy (anti-tumor vaccines obtained by electrofusion of dendritic cells and cancer cells to activate the immune system).The application of electrical pulses to cells or cell tissues induces a change in their properties, in particular on their membranes which become transiently permeable, and temporarily allow the passage of ions and macromolecules. Effect linked to the permeabilization phenomenon have been partially characterized by epi-fluorescence microscopy. Nevertheless, in order to perform the real-time monitoring of the electroporation process and know its dynamics, the electrical sample characterization is employed. Thus the aim of this work is to implement a real-time monitoring of dielectrical characteristics changes, on a wide frequency range, of a cellular tissue or a single cell, before, during and after the pulsed electric field application.As part of my thesis a model of the biological system has been developed to better describe the phenomena observed experimentally: effect of electrical stress on cell viability, on the permeability of the outer membrane, induced effects on the intracellular compounds, dynamics of membrane fusion.The degree of permeabilization of the biological sample (cells or tissues) is non linearly dependent of several parameters, which makes complicated the development of the model and its interpretation.The detection of a specific level of permeabilization is done in real time (measure of the level of permeabilization before, during and after the electric pulses application). This cell permeabilization level control could eventually be parallelized on a chip dedicated to the electroporation of a large number of cells. The latter can be used to optimize the electric pulses parameters in order to reach the desired permeabilization level. In order to have a multi-scale overview of the phenomenon, the study was performed on different size-level: from the tissue level (millimeter scale) to the single cell model through the intermediate scales (cell spéroides characterization).In the latter two cases (spheroid, single cell) the biological sample is isolated in a microfluidic biochip where the electric field solicitation are applied (micrometer scale).The microdevice designed and fabricated during this work, allows the real time characterization of the cell permeabilization. Furthermore the miniaturization of the system is crucial to work at the level of the single cell, and make possible the application of electrical fields of high amplitude, high frequency and spatially localized., Depuis plusieurs années, de nouvelles méthodologies basées sur l’utilisation du champ électrique pour agir ou caractériser les cellules ou les tissus cellulaires génèrent de nombreuses avancées et apportent des nouvelles promesses dans les laboratoires de recherche et dans l'industrie : diagnostic de cancer, ElectroChimioThérapie (insertion d’un médicament en perméabilisant les membranes des cellules), thérapie génique (insertion d’un gène thérapeutique), immunothérapie (vaccins anti-tumoraux obtenus par électrofusion de cellules dendritiques et cellules cancéreuses pour réactiver le système immunitaire).L’application d’ impulsions électriques à des cellules ou dans des tissus cellulaires induit un changement sur leurs propriétés, en particulier sur leurs membranes qui deviennent transitoirement perméables, laissant temporairement le passage aux ions et macro-molécules. Les phénomènes induits lors d’une perméabilisation par application de champ électrique ont été partiellement caractérisés en microscopie epi-fluorescence. Pour effectuer un suivi en temps réel de la dynamique du processus de l’électroperméabilisation, une voie prometteuse consiste à caractériser électriquement l’échantillon. Dans cet objectif, mon travail de thèse consiste à mettre en oeuvre le suivi en temps réel de l’évolution des caractéristiques électriques sur une large bande de fréquences d’un tissu cellulaire ou d’une cellule isolée, avant, pendant et après la sollicitation par un champ électrique pulsé.Dans le cadre de ma thèse un modèle du système biologique et de son environnement a été élaboré, afin de mieux décrire des phénomènes observés expérimentalement: effet des sollicitations électriques sur la viabilité cellulaire, sur la perméabilité de la membrane externe, effets induits sur les composés intracellulaires, dynamique de fusion membranaire. Le degré de perméabilisation de l’objet biologique (cellule ou tissu) dépend de manière fortement non-linéaire de nombreux paramètres, ce qui rend complexe l’élaboration de ce modèle et son interprétation. La détection de ce niveau de perméabilisation est effectuée en temps réel (mesure du niveau de perméabilisation avant, pendant et après l’application de l’impulsion électrique). In fine cette approche devrait permettre d’optimiser le taux de perméabilisation cellulaire en fonction de l’application considérée. Ce système de contrôle individuel du niveau de perméabilisation cellulaire pourrait à terme être parallélisé massivement sur une puce dédiée à l’électroporation d’un grand nombre de cellules. Afin d’avoir une vision multi-échelle des effets, l’étude a été menée sur plusieurs modèles expérimentaux: qui vont du tissu (échelle millimétrique) à la cellule unique, en passant par les échelles intermédiaires (caractérisation de spéroides cellulaires).Dans ces deux derniers cas (sphéroide, cellule unique) l’objet biologique est isolé dans une biopuce microfluidique équipée d’électrodes de mesure et d’application du champ (échelle micrométrique).Les micro-dispositifs que j’ai réalisé pour caractériser en temps réel la perméabilisation de cellules, intègrent une géométrie spécifique d’électrodes, ainsi que d'un réseau de canaux microfluidiques pour contrôler le débit de cellules Le degré de miniaturisation de ces puces permet de travailler au niveau de la cellule unique, et appliquer des champs électriques de forte amplitude, de forte fréquence, localisés spatialement.

International audience; Pulsed electric field treatment of apple tissues lead to a significant increase of juice yield by pressing [1]. The reason for this increase is not fully understood. NMR should help better understand the phenomena of de-structuring of the tissues by investigating the water compartmentalization into cells. In this context it was intended to carry out a screening of the impact of pulsed electric fields on the NMR relaxation times T2. Apple cylinders (1 cm in height and 0.5 cm in diameter) were examined by NMR (Minispec PC-120, 20 MHz, 20°C) after being subjected to a PEF treatment (500 to 1000 V / cm, 100 ms). The dry matter was determined by weighing before and after drying the cylinders examined by NMR. The measurements were made on three different apples for each modality. Control samples were taken from the same fruit. The NMR signals were fitted by a model comprising four relaxation components each of which was attributable to a fraction of water in the tissues [2, 3]. PEF treatment of 750 V / cm and 1000 V / cm altered the cellular structures. In particular, they acted on the vacuolar water, since the signal amplitude decreased in favour of cytoplasmic water and extracellular water. The decrease in relaxation time of water in apple parenchyma and the redistribution of vacuolar water to the cytoplasmic and extracellular compartments indicated a strong alteration of cell membranes leading to a redistribution of water and solutes between compartments. However, the T2 relaxation time of cytoplasmic water and extracellular water did not increase. This would indicate a release of molecules or ions in the aqueous phase that would help stiffen the cell wall.

The wine industry needs to find solutions in the coming years to reduce its carbon footprint by 20% and quickly propose alternatives to sulphur dioxide usage. This work on pulsed electric fields offers wine professionals an eco-innovation that could help to address these two issues. Eco-innovation is increasingly seen as the key to future competitiveness in the context of sustainable development. However, before being integrated in wine production, eco-innovation must demonstrate its performance and efficiency without compromising product quality and consumers safety so that it could be approved by government authorities (OIV, EU ...). As such, this thesis has received a joint financial support from the CIVB and the ADEME. The principle of Pulsed Electric Field (PEF) is to apply to a product; electrical pulses of a few kilovolts in a very short period time (a few microseconds) and then repeated n times. During treatment (grapes, grape must or wine) cells transmembrane potential increases till the induction of pores in the membranes. The irreversibility of the pores leads not only to the extraction of cellular components but also cell death. Thus, depending on the time of this technology application in winemaking and operating parameters, allows the extraction of sensory interests compounds such as polyphenols or the inactivation of microorganisms. PEF takes into account three important aspects to the sustainability of a technology: environment, economy and quality. This technique has a number of advantages for wine producers: clean, fast, inexpensive, efficient, industrializable and automated. Compared to other treatments such as pasteurization, sterile filtration, thermovinification, hot or cold maceration, cryoextraction or flash-release, its energy consumption is low (a few tens of kWh / tonne). PEF technology is environmentally friendly, as it requires little energy and no chemical inputs. It is fast and efficient because the processing time is only a few tens to hundreds of milliseconds. Finally, this technique is a non-thermal and therefore does not degrade the heat-sensitive molecules such as flavours. The objectives of this research work was to understand the effect of PEF on the cells, to determine the processing parameters during the extraction of compounds of interest grapes and to inactivate microorganisms in order to stop alcoholic fermentation of sweet wines and stabilize microbiologically red wines before bottling maintaining the quality of the processed product., La filière viti-vinicole se doit de trouver des solutions au cours des années à venir afin de réduire son impact carbone de 20% et de proposer rapidement des alternatives au dioxyde de soufre. Ainsi, ce travail de thèse sur les champs électriques pulsés propose aux professionnels du vin une éco-innovation qui pourrait aider à répondre à ces deux problématiques. L’éco-innovation est de plus en plus considérée comme la clé de la compétitivité future dans le cadre du développement durable. Toutefois, avant d’être intégrée dans la production du vin, l’éco-innovation doit démontrer sa performance et son efficacité sans nuire à la qualité du produit et à la sécurité des consommateurs et doit être approuvée par les instances gouvernementales (OIV, UE...). A ce titre, la thèse a reçu un soutien financier conjoint du CIVB et de l’ADEME. Le principe des Champs Electriques Pulsés (CEP) est d’appliquer à un produit des impulsions électriques de quelques kilovolts durant un temps très court (quelques microsecondes) et répétées n fois. Les cellules contenues dans le produit traité (raisins, moût ou vin) voient leur potentiel transmembranaire augmenter jusqu’à l’induction de pores dans les membranes. L’irréversibilité des pores aboutit à l’extraction des composés cellulaires mais aussi à la mort des cellules. Ainsi, cette technologie, suivant le moment de son application en vinification et les paramètres opératoires, permet l’extraction des composés d’intérêts organoleptiques tels que les polyphénols mais aussi l’inactivation des microorganismes. Les CEP prennent en compte trois aspects importants pour la durabilité d’une technologie: l'environnement, l'économie et la qualité. En effet, cette technique a une série d'avantages pour le producteur de vins: elle est propre, rapide, peu chère, efficace, industrialisable et automatisable. Comparée à d’autres traitements tels que la pasteurisation, la filtration stérilisante, la thermovinification, la macération à chaud ou à froid, la cryoextraction ou encore la flash-détente, la consommation d'énergie est faible (quelques dizaines de kWh/tonne). La technologie des CEP est respectueuse de l’environnement puisqu’elle nécessite peu d’énergie et aucun intrant chimique. Elle est rapide et efficace car la durée du traitement n’est que de quelques dizaines à centaines de millisecondes. Enfin, les CEP sont une technologie non thermique et donc ne dégradent pas les molécules thermosensibles telles que les arômes. Les objectifs de ce travail de recherche ont été de comprendre l’effet des CEP sur les cellules, de déterminer les paramètres de traitement des CEP à employer pour réaliser l’extraction de composés d’intérêt des raisins et pour inactiver des microorganismes afin de stopper la fermentation alcoolique des vins liquoreux et de stabiliser microbiologiquement les vins rouges avant leur mise en bouteille en conservant la qualité du produit traité.

The objective of this research was to evaluate the effect of the combination of PEF with conventional heat treatment on the microbial inactivation of Salmonella enteritidis in skim milk. The purpose was to identify possible synergies that would make it possible to design minimal treatment regimes. Heat-resistance parameters (D$theta$ and z) were firstly determined using a temperature-controlled water bath. Then, the effect of the PEF treatment followed by a heat treatment on the inactivation of Salmonella enteritidis in skim milk was evaluated using a PEF of 47 kV·cm-1/ 500 ns / 60 Hz, and a temperature of 62 °C for 19 s, at a volumetric flow rate of 5 L·h-1. The effect of PEF or heating only was also studied with the same equipment. From the heat-resistance parameters previously determined, continuous heat processing at 62 °C for 19 s should give an inactivation ratio of 1.7 log. PEF processing of the milk resulted in a decimal reduction of 1.2 ± 0.3 log and the combination of the two operations gave a reduction of Salmonella enteritidis equal to 2.3 ± 0.4 log. The results suggested that the combination of PEF and heating was more effective than each on its own. However, the lethality of the two treatments was additive rather than synergistic.; L'objectif de cette étude était de déterminer si des synergies existent entre les CEP et les traitements thermiques en matière d'inactivation de Salmonella enteritidis dans le lait écrémé, et ainsi proposer des traitements de stabilisation correspondant au concept de traitement minimum. Les paramètres de résistance thermique (D$theta$ et z) du microorganisme d'étude ont d'abord été caractérisés par traitements thermiques du lait écrémé en cuve thermostatée. Puis, l'effet d'un traitement par CEP à 47 kV.cm-1 / 500 ns / 60 Hz suivi d'un traitement thermique à 62 °C pendant 19 s a été évalué en continu à un débit volumique de 5 L·h-1. L'effet des CEP seuls ou d'un traitement thermique seul a été également évalué dans le même équipement. D'après les paramètres de résistance thermique, le traitement thermique du lait écrémé à 62 °C pendant 19 s doit entraîner une destruction de 1.7 log. Le traitement par CEP seul a permis l'obtention d'un taux d'inactivation de 1.2 ± 0.3 log, et le couplage des deux opérations unitaires a entraîné une réduction de Salmonella enteritidis de 2.3 ± 0.4 log. Le couplage des CEP à un traitement thermique modéré est donc plus efficace qu'un traitement par CEP seul ou qu'un traitement thermique classique. Cependant, nous pouvons seulement conclure à un effet létal d'ordre cumulatif de la mise en cascade des deux opérations unitaires plutôt qu'à un effet synergique.

International audience; Pulsed electric field (PEF) is an emerging non-thermal processing technology used to inactivate microorganisms in liquid foods such as milk. The objective of this research was to study the effectiveness of continuous PEF equipment (square wave pulses) on total microorganisms of raw skim milk and on Salmonella enteritidis inactivation under moderate temperatures (T < 50 °C). Processing parameters (electric field and pulse width) were chosen as follows: 45 kV*cm-1/500 ns and 55 kV*cm-1/250 ns, with increasing pulse frequencies from 40 to 120 Hz, that corresponds to an energy input varying from range 0-100 kJ*kg-1. In these conditions, the effectiveness of PEF processing on microbial inactivation was very limited: 1.4-log reduction of total microflora and S. enteritidis was the maximal inactivation ratio obtained. The effect of these PEF treatments on physicochemical and technological properties of the milk was also evaluated. These process conditions had an effect on proteinic components of milk such as casein micelles, since viscosity of PEF-treated milk decreased and coagulation properties were enhanced for high field levels (45-55 kV*cm-1) with 2.1 to 3.5 µs cumulated treatment time and square waves. This study demonstrated that, contrary to numerous previous studies, PEF treatments had an impact on some food constituents.; Traitement de lait écrémé cru par champs électriques pulsés à température non létale : efficacité au plan de la destruction microbienne et effet sur les propriétés fonctionnelles. La tendance actuelle de l'industrie alimentaire est de proposer des alternatives aux traitements thermiques de pasteurisation. Ces traitements alternatifs doivent être efficaces sur le plan de la destruction bactérienne, mais moins sévères au plan physico-chimique, afin de garantir la qualité hygiénique des aliments tout en préservant leurs qualités nutritionnelles, sensorielles et fonctionnelles. Les traitements par champs électriques pulsés (CEP) sont souvent reconnus dans la littérature comme un des procédés innovants capables de répondre à ces nouvelles exigences. L'objectif de cette étude était donc ici d'évaluer l'efficacité de traitements en continu par CEP (impulsions électriques rectangulaires) réalisés à température non létale (T < 50 °C) sur la destruction de la flore endogène et des coliformes du lait ainsi que sur du lait préalablement inoculé avec Salmonella enteritidis. Les paramètres de traitements choisis (champs électriques et largeur des impulsions) étaient les suivants : 55 kV*cm-1/250 ns et 45 kV*cm-1/500 ns, avec des fréquences d'impulsion variant de 40 à 120 Hz, ce qui se traduit par un apport d'énergie compris entre 0 et 100 kJ*kg-1. Dans ces conditions, l'efficacité des traitements est très limitée puisque au maximum 1,4 log de réduction microbienne a pu être atteint sur la flore endogène et S. enteritidis. Parallèlement, l'effet des traitements par champs électriques pulsés sur les principales caractéristiques physico-chimiques et techno-fonctionnelles du lait a été évalué. Un effet sur les composants protéiques tels que les micelles de caséine a été constaté suite aux traitements CEP les plus intenses (45-55 kV*cm-1 pendant 2,1 à 3,5 µs) puisque la viscosité du lait était diminuée et ses aptitudes à la coagulation étaient améliorées. En conclusion, ces expériences ont permis de montrer que, contrairement à ce qui est classiquement reporté dans la littérature, les traitements par CEP ont un impact non nul sur des constituants tels que les micelles de caséine.