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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

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N° d'ordre : 2269 THESE présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE ECOLE DOCTORALE : Sciences des Procédés SPECIALITE : Sciences des Agroressources par Marjorie BERGOIN épouse LEFORT APPLICATION DU CONCEPT DE RAFFINAGE VEGETAL AU SAFRAN DU QUERCY (CROCUS SATIVUS) POUR LA VALORISATION INTEGREE DES POTENTIELS AROMATIQUES ET COLORANTS Soutenue le 25 Octobre 2005 devant le jury composé de : Mme Carole PROST Rapporteurs Professeur à l'ENITIAA, Nantes Mme Catherine VIEILLESCAZES Professeur à l'Université d'Avignon et des Pays du Vaucluse Mme Andrée BOUNIOLS Présidente Directeur de Recherche INRA, INP, Toulouse Mme Christine RAYNAUD* Membres Ingénieur R&D CRITT Agroressources, INP, Toulouse M. Christian SALLES Chargé de Recherche INRA, UMR FLAVIC, Dijon M. Gérard VILAREM* Ingénieur de Recherche à l'INP, Toulouse Directeur du CRITT Agroressources, Toulouse M. José-Antonio FERNANDEZ Invités Professeur à l'Université de Castilla-La Mancha, Albacete, Espagne M. Alain FILIPOWICZ Directeur adjoint de l'ENSICA, Toulouse M. Thierry TALOU Ingénieur de Recherche à l'INP, Toulouse * Directeurs de thèse Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle – UMR 1010 INRA/INP-ENSIACET 118, Route de Narbonne – 31077 Toulouse Cedex 04

  • ingénieur de recherche

  • interlocuteur au nom des safraniers

  • directeur du critt agroressources

  • ton retour

  • safraniers du quercy

  • appels au secours pour les questions d'ordre pratiques

  • valorisation integree des potentiels aromatiques


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Publié le 01 octobre 2005
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Langue Français

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N° d’ordre : 2269



THESE

présentée pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

ECOLE DOCTORALE : Sciences des Procédés

SPECIALITE : Sciences des Agroressources

par

Marjorie BERGOIN épouse LEFORT


APPLICATION DU CONCEPT DE RAFFINAGE VEGETAL AU SAFRAN DU QUERCY
(CROCUS SATIVUS) POUR LA VALORISATION INTEGREE DES POTENTIELS
AROMATIQUES ET COLORANTS




Soutenue le 25 Octobre 2005 devant le jury composé de :


Mme Carole PROST Rapporteurs
Professeur à l’ENITIAA, Nantes
Mme Catherine VIEILLESCAZES
Professeur à l’Université d’Avignon et des Pays du Vaucluse
Mme Andrée BOUNIOLS Présidente
Directeur de Recherche INRA, INP, Toulouse Christine RAYNAUD* Membres
Ingénieur R&D CRITT Agroressources, INP, Toulouse
M. Christian SALLES
Chargé de Recherche INRA, UMR FLAVIC, Dijon
M. Gérard VILAREM*
Ingénieur de Recherche à l’INP, Toulouse
Directeur du CRITT Agroressources, Toulouse
M. José-Antonio FERNANDEZ Invités
Professeur à l’Université de Castilla-La Mancha, Albacete, Espagne
M. Alain FILIPOWICZ
Directeur adjoint de l’ENSICA, Toulouse
M. Thierry TALOU
Ingénieur de Recherche à l’INP, Toulouse

* Directeurs de thèse

Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle – UMR 1010 INRA/INP-ENSIACET
118, Route de Narbonne – 31077 Toulouse Cedex 04










A ma famille
Qui m’a permis de prendre les voies
Que je désirais
Dans ma vie

A mon mari
Qui m’a été d’un soutien quotidien
Et à notre futur Bébé Mademoiselle Elisabeth BORREDON et Monsieur Antoine GASET, je vous remercie pour
votre accueil chaleureux au sein de votre laboratoire de recherche.

Christine, merci pour votre disponibilité tout au long de ma thèse et pour tout ce que vous
m’avez appris, notamment sur les techniques analytiques et les traitements statistiques. Vous
m’avez guidé pendant ces trois années et éclairé sur les voies les plus intéressantes à prendre.
De plus, la découverte de l’analyse sensorielle restera pour moi un souvenir inoubliable.

Gérard, je tiens à vous remercier pour votre écoute, lorsque cela était nécessaire, et de
m’avoir orienté sur la partie colorante de mes recherches.

Thierry, merci de m’avoir fait autant voyager durant ces trois années, Autriche, Espagne,
Allemagne, Grèce et Danemark et de m’avoir fait participer à des congrès internationaux.
Cela m’a permis de rencontrer des personnes compétentes dans les domaines du safran et des
arômes mais également de valoriser et d’échanger sur mes travaux de recherche.

Madame Andrée BOUNIOLS, je tiens à vous remercier d’avoir présidé mon jury de thèse
et de vous être intéressée à cette plante qu’est le Crocus sativus.

Madame Carole PROST, je vous remercie d’avoir accepté d’examiner mon manuscrit et
d’avoir été rapporteur de ma thèse. Vos remarques ont été judicieuses et m’ont permis
d’avoir une réflexion plus approfondie sur certains points.

Madame Catherine VIEILLESCAZES, je vous suis également très reconnaissante d’avoir
accepté d’examiner mon manuscrit, qui est assez conséquent. Votre point de vue sur l’aspect
historique et colorant a été très intéressant.

Monsieur Christian SALLES, je vous remercie d’avoir participé à mon jury de thèse et
pour vos remarques avisées sur la partie olfactométrique.

Monsieur José-Antonio FERNANDEZ, je suis flattée que vous ayez accepté de venir
d’Espagne jusqu’à Toulouse afin de participer à mon jury de thèse, bien que l’aspect
biotechnologique n’ait pas été traité au cours de mes trois années de recherche.

Monsieur Alain FILIPOWICZ, je vous remercie d’avoir accepté de participer à mon jury
de thèse, bien que mon sujet soit très éloigné de vos domaines de compétences.

A tous les safraniers du Quercy, merci de m’avoir fait partager votre passion pour la
culture du safran. Je remercie tout particulièrement Pascal Herin qui a été mon interlocuteur
au nom des safraniers et sans qui je n’aurais pas pu avoir les différentes matières premières
nécessaires à mon étude.

Je tiens à remercier l’ensemble du personnel du laboratoire pour leur convivialité et
Thérése CATARELLI, Mireille JUAN, Isabelle NOEL, Karine TREMAUVILLE, Marie-
Christine TALOU, Didier DANGLA et Michel LE GAL, pour leur disponibilité.

Un grand merci également à Anne LUNG et Didier DANGLA pour leur aide précieuse et
leurs conseils avisés au pilote. Je n’oublierai pas les heures passées avec vous devant le
réacteur de 300 L ! Merci à Géraldine GIACINTI pour sa patience et ses conseils concernant la partie
analytique.

Merci à toutes les personnes qui ont participé au projet safran sans lesquelles ce travail
n’aurait pu être aussi complet. Danièle, Laurent, Anna-Maria, Anne, Dafinka, Anna et
notamment, Amandine et Laure, merci de vous être investis comme vous l’avez fait sur ce
sujet. J’ai été très heureuse de vous encadrer durant vos stages et projets.

Je voudrais remercier également toutes les personnes qui se sont portées volontaires pour
participer aux panels CPG/O et sensoriel. Sans vous, une partie importante du travail sur les
stigmates n’aurait pu avoir lieu : Amandine, Aude, Almudena, Cristina, Valentina, Laure,
Yao, Aurélie, Philippe, Eric, Mikaël, Colin, Delphine, Virginie, Cathy, Jérôme, Antoine, Anne
et Brigitte.



Trois ans sur le sujet du safran, c’est long et en même temps trop court pour exploiter
toutes les voies de recherche. En tout cas, cette épice aura pour moi un goût particulier !

J’ai rencontré au laboratoire des gens formidables qui resteront gravés dans ma mémoire :
Un grand merci au bureau des « gars » (Jérôme, Eric, Antoine et Philippe) mais surtout à
Julien B. et à Laure pour avoir toujours répondu à mes nombreuses interrogations et à mes
appels au secours pour les questions d’ordre pratiques !
Céline V., nous avons découvert le laboratoire ensemble puis pris des chemins divergents,
mais je me rappellerai de ton soutien pendant toute ma première année de thèse.
Almudena, nous avons partagé des moments difficiles mais également joyeux pendant
deux ans. J’espère que ton retour sur Toulouse nous permettra de nous voir plus souvent.
A Céline G. et Aurélie, merci les filles pour toutes ces discussions, pour tout votre soutien
et surtout de m’avoir toujours écouté râler (le yoga n’y a rien changé) ! Heureusement qu’il y
a eu ce voyage en Autriche et un peu d’analytique qui nous ont permis de nous découvrir !
J’espère que notre amitié perdurera au-delà de ces trois années de thèse.
Aux autres doctorants du sous-sol, bon courage pour la suite ! …
Merci également pour la bonne ambiance de la cafét pour un bon moment de détente et
de « piallage » entre 12h et 14h.

M. Lapeyre, merci de m’avoir fait découvrir la « vraie » chimie. Vos cours passionnants
en classes préparatoires m’ont permis d’acquérir les bases essentielles dans ce domaine et de
transmettre à mon tour mes connaissances et mon savoir-faire par des vacations effectuées
au cours de ces trois ans.

Merci à mes parents et à ma sœur, Solenne, pour leur soutien moral et les bons moments
de détente en Dordogne ou à Ensuès-la-Redonne.

Mais, je tiens surtout à remercier Matthieu, qui est la personne la plus importante à mes
yeux, de m’avoir soutenu et patiemment écouté pendant ces trois années, qui ne pourront que
rester inoubliables pour nous. Application du concept de raffinage végétal au Safran du Quercy (Crocus sativus)
pour la valorisation intégrée des potentiels aromatiques et colorants

Table des matières

Introduction ......................................................................................................... 1
Chapitre I Etude bibliographique .............................................................. 7
I.1. PRESENTATION DU CROCUS SATIVUS .......................................................................... 9
I.1.1. Historique............................................................................................................. 9
I.1.2. Caractère botanique.......................................................................................... 11
I.1.3. Culture du safran .............................................................................................. 13
I.1.3.1. Développement de la plante ....................................................................... 13
I.1.3.2. Procédés d’obtention du safran .................................................................. 15
I.2. LES STIGMATES .......................................................................................................... 16
I.2.1. Caractérisation de la matière végétale et des métabolites secondaires
majoritaires 16
I.2.1.1. Matière végétale ......................................................................................... 16
I.2.1.2. Métabolites secondaires ............................................................................. 17
I.2.2. Qualité du safran............................................................................................... 21
I.2.2.1. Séchage et conservation 22
I.2.2.2. Adultérations .............................................................................................. 24
I.2.2.3. Contrôle qualité.......................................................................................... 24
I.2.2.4. Conclusions ................................................................................................ 27
I.2.3. Arôme du safran 27
I.2.3.1. Composition chimique de la fraction volatile ............................................ 27
I.2.3.2. Composés clefs de l’arôme du safran......................................................... 37
I.2.3.3. Précurseurs glycosidiques des composés volatils ...................................... 39
I.2.4. Applications du safran...................................................................................... 42
I.2.4.1. Pouvoirs colorants 42
I.2.4.2. Activités biologiques du safran.................................................................. 43
I.2.4.3. Conclusions sur les applications du safran................................................. 44
I.2.5. Conclusions sur l’étude des stigmates ............................................................. 44
I.3. LES AUTRES ORGANES DE LA PLANTE : CARACTERISATION ET APPLICATIONS ....... 45
I.3.1. La fleur............................................................................................................... 45
I.3.1.1. L’arôme ...................................................................................................... 45
I.3.1.2. Les pigments .............................................................................................. 45
I.3.1.3. L’activité biologique .................................................................................. 47
I.3.1.4. Conclusions ................................................................................................ 47
I.3.2. La feuille............................................................................................................. 48
I.3.2.1. Caractérisations .......................................................................................... 48
I.3.2.2. Applications ............................................................................................... 48
I.3.3. Le bulbe.............................................................................................................. 48
I.3.3.1. Caractérisations 48
I.3.3.2. Applications 50
I.3.3.3. Conclusions 51

Application du concept de raffinage végétal au Safran du Quercy (Crocus sativus)
pour la valorisation intégrée des potentiels aromatiques et colorants

Chapitre II Caractérisation des métabolites secondaires et des composés
volatils du safran du Qercy .............................................................................. 61
II.1. ETUDE DE LA TENEUR EN EAU ET EN METABOLITES SECONDAIRES.......................... 63
II.1.1. Teneur en humidité et en matière volatiles (Hr) ............................................ 64
II.1.2. Teneur en picrocrocine ..................................................................................... 65
II.1.3. Teneur en safranal ............................................................................................ 66
II.1.4. Teneur en crocine.............................................................................................. 66
II.1.5. Classification selon la norme ISO/TS 3632 ..................................................... 67
II.1.6. Les métabolites secondaires en fonction du taux d’humidité (Hr) ............... 68
II.1.7. Conclusions ........................................................................................................ 70
II.2. CARACTERISATION DES COMPOSES VOLATILS DU SAFRAN DU QUERCY ................. 71
II.2.1. Etude des stigmates frais par HD/CPG-SM ................................................... 71
II.2.2. Etude des stigmates secs par HD/CPG-SM 74
II.2.3. Comparaison des profils des composés volatils des safrans frais et secs...... 77
II.2.4. Etude des stigmates secs par SPME/CPG-SM ............................................... 80
II.2.5. Conclusions 95
II.3. ETUDE DES MOLECULES DU SAFRAN DU QUERCY PRESENTANT UNE ACTIVITE
ODORANTE PAR SPME/CPG-SM/ODP ........................................................................... 96
II.3.1. Profils aromatiques ........................................................................................... 96
II.3.2. Identification des odeurs perçues..................................................................... 98
II.3.3. Empreinte aromatique du safran en fonction du taux d’humidité (Hr) .... 100
II.3.4. Conclusions ...................................................................................................... 101
II.4. PROFIL SENSORIEL DU SAFRAN................................................................................ 101
II.4.1. Analyse sensorielle du safran du Quercy ...................................................... 102
II.4.2. Influence du taux d’humidité sur le profil sensoriel du safran du Quercy 108
II.4.3. Conclusions 109
II.5. CORRELATION DES DONNEES INSTRUMENTALES ET SENSORIELLES ET DISCUSSIONS .
......................................................................................................................110
II.5.1. Corrélation des données obtenues par SPME/CPG-SM/ODP et par analyse
sensorielle avec les métabolites secondaires évalués selon la norme ISO/TS
3632........................................................................................................................ 110
II.5.2. Corrélation des données analytiques, olfactives et sensorielles................... 119

Chapitre III Caractérisation des fleurs, des feuilles et des bulbes de
Crocus sativus .................................................................................................127
III.1. CARACTERISATION DE LA MATIERE VEGETALE...................................................... 129
III.1.1. Teneur en humidité et en matières volatiles (Hr)......................................... 129
III.1.2. Composition pariétale et composés hydrosolubles....................................... 130
III.1.3. Autres caractérisations des bulbes................................................................. 130
III.1.3.1. Amidon..................................................................................................... 131
III.1.3.2. Lipides...................................................................................................... 132
III.1.3.3. Sucres ....................................................................................................... 133
III.1.3.4. Protéines................................................................................................... 134
III.1.4. Conclusions 134
III.2. CARACTERISATION DE LA FRACTION VOLATILE DES BULBES, DES FLEURS ET DES
FEUILLES DE CROCUS SATIVUS ................................................................................ 135
III.2.1. Composés volatils des bulbes.......................................................................... 135 Application du concept de raffinage végétal au Safran du Quercy (Crocus sativus)
pour la valorisation intégrée des potentiels aromatiques et colorants

III.2.2. Composés volatils des fleurs........................................................................... 137
III.2.2.1. Fraction volatile libérée par la fleur ......................................................... 137
III.2.2.2. Composés volatils présents dans la fleur.................................................. 141
III.2.2.3. Conclusions de l’étude des composés volatils des fleurs......................... 149
III.2.3. Composés volatils des feuilles......................................................................... 150
III.2.3.1. Huile essentielle et eaux florales.............................................................. 150
III.2.3.2. Composés volatils extraits par Likens-Nickerson (éther et pentane)....... 155
III.2.3.3. Concrète de feuilles.................................................................................. 158
III.2.3.4. Conclusions de l’étude des composés volatils des feuilles ...................... 163
III.2.4. Conclusions de l’étude de caractérisation des fractions volatiles ............... 164
III.3. CARACTERISATION DES COLORANTS LIPOSOLUBLES, DES FLEURS ET DES FEUILLES,
DE TYPE CAROTENOÏDES .......................................................................................... 165
III.3.1. Extraction des caroténoïdes............................................................................ 165
III.3.2. Caractérisation des caroténoïdes ................................................................... 165
III.3.2.1. Profil analytique ....................................................................................... 166
III.3.2.2. Spectre de masse ...................................................................................... 170
III.3.2.3. Masse exacte et dosage 172
III.3.3. Conclusions ...................................................................................................... 173

Chapitre IV Valorisation des fractions aromatiques et colorantes des
fleurs et des feuilles de Crocus sativus .......................................................... 179
IV.1. ETUDE PRELIMINAIRE A L’ECHELLE LABORATOIRE............................................... 181
IV.1.1. Macération dans l’hexane à froid .................................................................. 181
IV.1.1.1. Les fleurs.................................................................................................. 181
IV.1.1.2. Les feuilles ............................................................................................... 187
IV.1.2. Comparaison avec une extraction dans du cylcohexane à chaud ............... 191
IV.1.2.1. Les fleurs 192
IV.1.2.2. Les feuilles 194
IV.1.3. Conclusions ...................................................................................................... 196
IV.2. MACERATION A L’ECHELLE PILOTE........................................................................ 196
IV.2.1. Procédés d’extraction...................................................................................... 197
IV.2.1.1. Les fleurs 198
IV.2.1.2. Les feuilles 200
IV.2.1.3. Conclusions .............................................................................................. 201
IV.2.2. Caractérisation aromatique et colorante des extraits.................................. 202
IV.2.2.1. Fraction volatile........................................................................................ 202
IV.2.2.2. Molécules colorantes liposolubles de type caroténoïde ........................... 207
IV.2.3. Fixation par voie thermique des molécules colorantes et étude de la
photodégradation des néo-pigments à base de safran....................................... 215
IV.2.3.1. Mise au point du protocole de fixation des pigments sur l’argile ............ 215
IV.2.3.2. Etude colorimétrique et résistance à la lumière 216
IV.2.3.3. Conclusions .............................................................................................. 221

Conclusion générale ........................................................................................ 225
Application du concept de raffinage végétal au Safran du Quercy (Crocus sativus)
pour la valorisation intégrée des potentiels aromatiques et colorants

Chapitre V Partie Expérimentale............................................................. 231
V.1. REACTIFS ET SOLVANTS........................................................................................... 235
V.1.1. Solvants d’extraction....................................................................................... 235
V.1.2. Solvants analytiques........................................................................................ 235
V.1.3. Etalons.............................................................................................................. 235
V.2. CARACTERISATION DES STIGMATES........................................................................ 236
V.2.1. Echantillonnage ............................................................................................... 236
V.2.2. Séchage des stigmates...................................................................................... 236
V.2.3. Détermination de la teneur en humidité et en métabolites secondaires selon
la norme ISO/TS 3632 (Hr) ................................................................................. 237
V.2.3.1. Humidité et matières volatiles.................................................................. 237
V.2.3.2. Métabolites secondaires ........................................................................... 237
V.2.4. Extraction et analyse des composés volatils des stigmates frais et secs par
HD/CPG-SM......................................................................................................... 239
V.2.4.1. Stigmates frais.......................................................................................... 239
V.2.4.2. ates secs 239
V.2.5. es composés volatils des stig
Likens-Nickerson et CPG-SM............................................................................. 239
V.2.5.1. Evaluation de la teneur en eau et en composés volatils selon la norme
ISO/TS 3632 (Hr) ................................................................................................ 239
V.2.5.2. Séchage des stigmates .............................................................................. 239
V.2.5.3. Extraction des composés volatils des stigmates frais et secs ................... 240
V.2.5.4. Analyse des coma....................... 240
V.2.6. Extraction et analyse des composés volatils des stigmates secs par
SPME/CPG-SM/ODP .......................................................................................... 241
V.2.6.1. Choix de la fibre SPME ........................................................................... 241
V.2.6.2. Extraction et analyse des composés volatils ............................................ 241
V.2.6.3. Analyse olfactométrique .......................................................................... 242
V.2.7. Analyse sensorielle du safran ......................................................................... 245
V.2.7.1. La préparation des échantillons................................................................ 245
V.2.7.2. Les juges................................................................................................... 245
V.2.7.3. L’analyse .................................................................................................. 246
V.3. CARACTERISATION DES FEUILLES, DES FLEURS ET DES BULBES ............................ 251
V.3.1. Échantillonnage ............................................................................................... 251
V.3.2. Composition de la matière végétale ............................................................... 251
V.3.2.1. Détermination de la matière sèche (MS).................................................. 251
V.3.2.2. atière minérale (MM) ........................................... 251
V.3.2.3. Dosage des éléments pariétaux ................................................................ 252
V.3.2.4. Détermination de la teneur en hydrosolubles 253
V.3.2.5. ination de la teneur en amidon ..................................................... 254
V.3.2.6. Détermination de la teneur en lipides....................................................... 254
V.3.2.7. ination de la teneur en protéines................................................... 255
V.3.2.8. Détermination de la teneur en sucres 256
V.3.3. Caractérisation des composés volatils des fleurs, des feuilles et des bulbes.....
...........................................................................................................................257
V.3.3.1. Etude des composés volatils libérés par la fleur (SPME et HD).............. 257
V.3.3.2. Hydrodistillation....................................................................................... 258
V.3.3.3. Likens-Nickerson ..................................................................................... 260
V.3.3.4. Macération dans l’éther diéthylique et dans l’hexane.............................. 262 Application du concept de raffinage végétal au Safran du Quercy (Crocus sativus)
pour la valorisation intégrée des potentiels aromatiques et colorants

V.3.3.5. Extraction à chaud au soxhlet................................................................... 266
V.3.4. Caractérisation des colorants liposolubles de type caroténoïde.................. 268
V.3.4.1. Extraction sélective des caroténoïdes....................................................... 268
V.3.4.2. Analyse des extraits.................................................................................. 269
V.4. MACERATION A L’ECHELLE PILOTE ....................................................................... 272
V.4.1. Extraction ........................................................................................................ 272
V.4.2. Analyse par CPG-SM de la fraction volatile ................................................ 272
V.4.3. Analyse de la fraction colorante..................................................................... 272
V.4.3.1. Par CLHP ................................................................................................. 272
V.4.3.2. Par CLHP-SM .......................................................................................... 272
V.4.3.3. Par TOF.................................................................................................... 273
V.4.4. Valorisation de la fraction colorante : les néo-pigments ............................. 273
V.4.4.1. Fixation des molécules colorantes sur support argileux par voie thermique .
..................................................................................................................273
V.4.4.2. Analyse par spectrocolorimétrie............................................................... 273
V.4.4.3. Photodégradation accélérée...................................................................... 275

Annexes............................................................................................................. 277
Annexe I : Caractérisation d’une plante ............................................................................ 279
Annexe II : Matrices de données......................................................................................... 311
Annexe III : Schéma du procédé d’extraction à l’échelle pilote ...................................... 313
Annexe IV : Références bibliographique ........................................................................... 315
Annexe V : Publications et participations aux congrès .................................................... 329