Thermal and non-thermal effects investigation during microwave pasteurization process of a food matrix: numerical and experimental approaches | Etude des effets thermiques et non-thermiques au cours d'un procede de pasteurisation d'une matrice alimentaire par micro-ondes : approches numerique et experimentale

English. Through numerical and experimental approaches, this work concerns the process of microwave pasteurization in a food matrix, to understand its mechanisms for future improvement. In seeking to highlight the existence of non-thermal effects, three approaches have been proposed: (i) comparison of conventional heating / microwave by imposing similar thermal histories; (ii) comparison between pulsed or continuously modulated microwave energy input on microbial inactivation and (iii) demonstration of the influence of electric field amplitude during sublethal temperature treatment. Two three-dimensional multiphysics models, solved by finite elements, are proposed to simulate pasteurization in a water bath and by microwave. The inactivation kinetics parameters are estimated numerically under dynamic temperature conditions. These models are able to predict temperature heterogeneity and therefore microbial inactivation within a product. The agreement between simulations and experiments is satisfactory. Results indicated that no non-thermal effects of microwaves on the inactivation of E. coli could be detected. In conclusion, this study demonstrates the interest of numerical simulation as a tool for understanding the microwave pasteurization process, and also to improve its design and control.

French. Au travers d'approches numériques et expérimentales, ce travail concerne le processus de pasteurisation par micro­ ondes dans une matrice alimentaire, pour en comprendre les mécanismes en vue d'une amélioration future. En cherchant à mettre en évidence l'existence d'effets non-thermiques, trois démarches ont été proposées : (i) comparaison chauffage conventionnel / micro-ondes en imposant des histoires thermiques similaires ; (ii) comparaison entre apport d'énergie microonde pulsée ou modulée en continu sur l'inactivation microbienne et (iii) mise en évidence de l'influence de l'amplitude du champ électrique durant un traitement à température sublétale. Deux modèles multiphysiques tridimensionnels, résolus par éléments finis, sont proposés pour simuler la pasteurisation au bain-marie et par micro-ondes. Les paramètres cinétiques d'inactivation sont estimés numériquement en conditions dynamiques de température. Ces modèles sont capables de prédire l'hétérogénéité de température et par conséquent de l'inactivation microbienne au sein d'un produit. L'accord entre simulations et expériences est satisfaisant. D'après les résultats, aucun effet non-thermique des micro-ondes sur l'inactivation d'E. coli n'a pu être détecté. En conclusion, cette étude démontre l'intérêt de la simulation numérique comme outil de compréhension du processus de pasteurisation par micro-ondes, et également pour en améliorer la conception et le contrôle.