Thèse de Diplôme d’État de Docteur en Pharmacie Présentée le 14/06/07 par Christophe SENN

1. 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 de M Pabst, Président du jury M Marchioni, Directeur de thèse Mme Werner, Membre extérieur

2. Plan • Composés organiques volatils • Définitions • Importance • Techniques d’analyses • Appareils à lecture directe • Spectroscopie IR et DOAS • Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme • SIFT-MS et PTR-MS • Techniques avec piégeage • SPME • Head Space dynamique • Tout en un : le nez électronique • Comparaison des techniques • Cas particulier du chocolat • Répartition géographique • Fabrication et composés volatils du chocolat • Méthode d’analyse • Statistiques • Analyse des composante principales • Classification ascendante hiérarchique • Analyse factorielle discriminante • Conclusion

3. 1.a. Composés organiques volatils • Définition scientifique • Composés 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 UE • Composé 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 UK • Industrie 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 CFR • Tout composé carboné qui participe à des réactions photochimiques atmosphériques • (sauf CO, CO2, carbonates, HCOOH, carbures métalliques et listés).

4. Transports routiers 16 920 15 % Industries 16 691 15 % Résidentiel 9 988 9 % Distribution de l´énergie 2 756 2 % Agricole 1 017 1 % Traitement des déchets 528 0.5 % Tertiaire 294 0.25 % Biotique Transports routiers Industries Résidentiel Autres transports 33 <0.03 % Distribution énergie Agriculture Autres sources 1.b. Importance : émissions atmosphériques Émissions de Composés Organiques Volatils Non Méthaniques (COVNM) pour l'année 2000 en Poitou Charentes Biotique 62 671 57 % TOTAL 110 898 tonnes http://www.emissions-poitou-charentes.org/covnm.htm

5. Industrie chimique : détection des fuites • Industrie pharmaceutique : solvants résiduels • Industrie cosmétique, parfumerie, • aliments: analyse des arômes 1.b. Importance : molécules d’intérêt Analyse des COV déjà utilisée dans….

6. COV 1.b. Importance : molécules d’intérêt Sigles de qualité Contrôles réglementaires Origine Composition Commerce équitable Spécifications Choix MP

7. Plan • Composés organiques volatils • Définitions • Importance • Techniques d’analyses • Appareils à lecture directe • Spectroscopie IR et DOAS • Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme • SIFT-MS et PTR-MS • Techniques avec piégeage • SPME • Head Space dynamique • Tout en un : le nez électronique • Comparaison des techniques • Cas particulier du chocolat • Répartition géographique • Fabrication et composés volatils du chocolat • Méthode d’analyse • Statistiques • Analyse des composante principales • Classification ascendante hiérarchique • Analyse factorielle discriminante • Conclusion

8. Absorption de rayonnements  rapide sensible Interférences gamme limitée 1 COV /analyse  2.a.i. Spectroscopie IR et DOAS

9. COV  rapide sensible Interférences gamme limitée 1 COV /analyse Anode - -  COV + - + - + + Cathode Lampe UV 2.a.ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme Chambre d’ionisation Analyseur

10. Résonateur micro-onde Quadrupole  rapide sensible Très cher 1 COV /analyse  2.a.iii. Selected Ion Flow Tube et Proton Transfer Reaction – Mass Spectrometry (SIFT-MS et PTR-MS) COV He Tube Spectro de masse + H2O H3O H2O

11. Plan • Composés organiques volatils • Définitions • Importance • Techniques d’analyses • Appareils à lecture directe • Spectroscopie IR et DOAS • Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme • SIFT-MS et PTR-MS • Techniques avec piégeage • SPME • Head Space dynamique • Tout en un : le nez électronique • Comparaison des techniques • Cas particulier du chocolat • Répartition géographique • Fabrication et composés volatils du chocolat • Méthode d’analyse • Statistiques • Analyse des composante principales • Classification ascendante hiérarchique • Analyse factorielle discriminante • Conclusion

12.  Sensible Facile Fidèle (automatique) Fidèle (manuel) Nombreux paramètres Séparation + analyse Q  2.b.i. Solid Phase MicroExtraction (SPME)

13. He He  Sensible Fidèle Paramètres nombreux Séparation + analyse  2.b.ii. Head Space dynamique GC Piège

14. Plan • Composés organiques volatils • Définitions • Importance • Techniques d’analyses • Appareils à lecture directe • Spectroscopie IR et DOAS • Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme • SIFT-MS et PTR-MS • Techniques avec piégeage • SPME • Head Space dynamique • Tout en un : le nez électronique • Comparaison des techniques • Cas particulier du chocolat • Répartition géographique • Fabrication et composés volatils du chocolat • Méthode d’analyse • Statistiques • Analyse des composante principales • Classification ascendante hiérarchique • Analyse factorielle discriminante • Conclusion

15. 2.c. Tout en un : le nez électronique Prélèvement Séparation Détection Analyse Head Space Capteurs chimiques 1 appareil

16.  Rapide Sensible Fidèle Cher BDD à constituer Neurones du bulbe olfactif  Appendice nasal Mémoire Récepteurs COV Identification ou apprentissage Prélèvement Séparation Transduction Compilation Comparaison Head Space Capteurs chimiques Logiciel d’interprétation Base de données 2.c. Analogie nez humain - nez électronique

17. Technique Alimentaire In process Rapidité Coût Tubes à lecture directe Non - - - Spectroscopie DOAS Non - - - Sacs plastiques, récipients inox Non - - - Adsorption passive, plaques d’acier Non - - - Extraction liquide/liquide Non - - - Entraînement à la vapeur d’eau Oui Non + ++ Headspace statique Oui Non + ++ Adsorption active, désorption thermique Oui Non ++ ++ SPME Oui Non ++ ++ Headspace dynamique Oui Non + ++ Capteurs infrarouges Oui Oui +++ + Capteurs à photoionisation Oui Oui +++ + Capteurs à ionisation de flamme Oui Oui +++ + SIFT-MS, PTR-MS Oui Oui +++ +++ Nez électronique Oui Oui +++ ++ 2.d. Comparaison des techniques

18. Plan • Composés organiques volatils • Définitions • Importance • Techniques d’analyses • Appareils à lecture directe • Spectroscopie IR et DOAS • Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme • SIFT-MS et PTR-MS • Techniques avec piégeage • SPME • Head Space dynamique • Tout en un : le nez électronique • Comparaison des techniques • Cas particulier du chocolat • Répartition géographique • Fabrication et composés volatils du chocolat • Méthode d’analyse • Statistiques • Analyse des composante principales • Classification ascendante hiérarchique • Analyse factorielle discriminante • Conclusion

19. Jamaïque • Rep Dom • Trinidad • Forastero • Trinitario Venezuela  Forastero  Criollo Ghana Côte d’Ivoire  Forastero Equateur  Nacional Madagascar  Criollo 3.a. Répartition des cultures de cacaoyer http://www.icco.org/default.aspx

20. 3.b. Fabrication et composés volatils du chocolat Pertes COV prisonniers ou peu volatils

21. Plan • Composés organiques volatils • Définitions • Importance • Techniques d’analyses • Appareils à lecture directe • Spectroscopie IR et DOAS • Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme • SIFT-MS et PTR-MS • Techniques avec piégeage • SPME • Head Space dynamique • Tout en un : le nez électronique • Comparaison des techniques • Cas particulier du chocolat • Répartition géographique • Fabrication et composés volatils du chocolat • Méthode d’analyse • Statistiques • Analyse des composante principales • Classification ascendante hiérarchique • Analyse factorielle discriminante • Conclusion

22. 3.c. Méthode d’analyse 10 minutes Préparation de l’échantillon 30 g de chocolat rapé (+ 125 µl d’étalon interne) J1 Entraînement à la vapeur d’eau Fraction de 100 ml 37 minutes x3 +1 Extraction liquide/liquide 1 ml d’extrait à l’isooctane 2,5 minutes 1 nuit (Séparation des phases) Chromatographie en phase gazeuse Détection par ionisation de flamme 62 minutes Chromatogrammes J2 x3 +1 Temps de rétention et aire des pics normalisés Traitement des données ~ 30 minutes Analyses statistiques Graphiques

23. 3.c. Entraînement à la vapeur d’eau

24. H T µVolts S ei2 (1) 200 L Z4 F I Z3 Q X Z2 R 100 ei1 Z2 Z1 OP U ABC K M N V W Y1 E D J G 0 H ei2 µVolts V (2) 200 Z4 W Z3 L ei1 F T X Z2 Z Z1 100 I OP U Y ABC J K M N E D G Q R S 0 H F ei2 µVolts T (3) 200 L V Z4 Z3 I W X ei1 100 Z Z1 OP U Z2 ABC R K M N Y1 D E J G Q S 0 H µVolts ei2 F T (4) L 200 Z3 Z4 I X Z2 V ei1 W Z Z1 100 M N OP R S U ABC K Y1 J E D Q G 0 Minutes 3.c. Chromatogrammes Trinidad Venezuela Ghana Madagascar

25. Plan • Composés organiques volatils • Définitions • Importance • Techniques d’analyses • Appareils à lecture directe • Spectroscopie IR et DOAS • Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme • SIFT-MS et PTR-MS • Techniques avec piégeage • SPME • Head Space dynamique • Tout en un : le nez électronique • Comparaison des techniques • Cas particulier du chocolat • Répartition géographique • Fabrication et composés volatils du chocolat • Méthode d’analyse • Statistiques • Analyse des composante principales • Classification ascendante hiérarchique • Analyse factorielle discriminante • Conclusion

26. 3.d.i. Analyse des composantes principales Venezuela, Equateur, Madagascar, Côte d'Ivoire, Ghana, Republique Dominicaine, Jamaïque Trinidad

27. 3.d.ii. Classification ascendante hiérarchique

28. Classe Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5 Classe 6 Classe 7 Effectif 6 10 6 8 12 6 3 Côte d’Ivoire Jamaïque Madagascar Madagascar Madagascar Madagascar Côte d’Ivoire Côte d’Ivoire Jamaïque Madagascar Madagascar Madagascar Madagascar Côte d’Ivoire Ghana Jamaïque Madagascar Madagascar Côte d’Ivoire Madagascar Venezuela Ghana Trinidad Madagascar Madagascar Ghana Madagascar Ghana Trinidad Madagascar Madagascar Equateur Madagascar Ghana Trinidad Madagascar Venezuela Equateur Madagascar Trinidad Venezuela Venezuela St Domingue Venezuela Venezuela St Domingue Venezuela Venezuela Venezuela Venezuela Venezuela 3.d.ii. Classification ascendante hiérarchique Equateur  Nacional Venezuela  Forastero  Criollo Afrique  Forastero Caraïbes  Trinitario  Forastero Madagascar  Criollo

29. 3.d.iii. Analyse factorielle discriminante par zone

30. 3.d.iii. Analyse factorielle discriminante par pays

31. Plan • Composés organiques volatils • Définitions • Importance • Techniques d’analyses • Appareils à lecture directe • Spectroscopie IR et DOAS • Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme • SIFT-MS et PTR-MS • Techniques avec piégeage • SPME • Head Space dynamique • Tout en un : le nez électronique • Comparaison des techniques • Cas particulier du chocolat • Répartition géographique • Fabrication et composés volatils du chocolat • Méthode d’analyse • Statistiques • Analyse des composante principales • Classification ascendante hiérarchique • Analyse factorielle discriminante • Conclusion

32. 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

33. Merci de votre attention