Première partie
Les méthodes d'analyse rapide dans les industries agroalimentaires
Chapitre 1
Les méthodes d'analyse rapide dans les industries agroalimentaires
1. Introduction
1.1. Les méthodes d'analyse rapide
1.2. Les méthodes spectroscopiques
1.2.1. Régions spectrales d'intérêt analytique.
1.2.2. Place de la spectroscopie infrarouge parmi les méthodes d'analyse rapide des aliments
2. Histoire du déve[...]
Première partie
Les méthodes d'analyse rapide dans les industries agroalimentaires
Chapitre 1
Les méthodes d'analyse rapide dans les industries agroalimentaires
1. Introduction
1.1. Les méthodes d'analyse rapide
1.2. Les méthodes spectroscopiques
1.2.1. Régions spectrales d'intérêt analytique.
1.2.2. Place de la spectroscopie infrarouge parmi les méthodes d'analyse rapide des aliments
2. Histoire du développement analytique de la spectroscopie infrarouge
2.1. Les premières théories de la lumière
2.2. Théorie moderne de la lumière
2.3. Établissement des bases théoriques de la spectroscopie
2.3.1. Etude des raies des spectres atomiques
2.3.2. Mécanique quantique
2.4. Développement des techniques spectroscopiques
2.5. Développement des applications analytiques
2.6. Développement de la chimiométrie
3. Plan de l'ouvrage
Références bibliographiques
Deuxième partie
Introduction à la spectroscopie infrarouge
Chapitre 2
Introduction à la spectroscopie infrarouge
1. Nature et propriétés des radiations infrarouges
1.1. Propriétés des ondes électromagnétiques
1.2. Constantes optiques
1.3. Notions d'optique appliquées à la propagation d'une onde
1.4. Nature quantique de la lumière
2. Mécanique quantique
2.1. Fonction d'onde
2.2. Notion d'opérateur
2.3. Établissement de l'équation de Schrödinger
2.4. Équation de Schrödinger indépendante du temps
2.5. Approximation de Born-Oppenheimer
2.6. Théorie des perturbations
2.7. Distribution de Boltzmann.
3. Spectroscopie vibrationnelle
3.1. Développement des modèles vibrationnels
3.1.1. Oscillateur harmonique
3.1.2. Oscillateur harmonique quantifié
3.1.3. Applications du modèle harmonique
3.1.4. Oscillateur anharmonique
3.1.5. Oscillateur anharmonique quantifié
3.1.6. Applications du modèle anharmonique
3.2. Vibration - Rotation.
3.3. Interprétation générale des bandes d'absorption
3.4. Molécule polyatomique
3.4.1. Degrés de liberté
3.4.2. Symétrie et table de caractères
3.4.3. Calcul des niveaux d'énergie
3.4.4. Conséquence de l'anharmonicité
3.4.5. Modes normaux et résonance
3.5. Résonances
3.5.2. Résonance de Darling-Dennison
3.5.3. Interaction de Coriolis
3.6. Limites de la modélisation par les modes normaux
3.7. Modes locaux
3.8. Limites des modes locaux
Références bibliographiques
Troisième partie
Spectre des constituants majeurs des aliments
Chapitre 3
Règles générales d'attribution des bandes spectrales
1. Chaînes hydrocarbonée
2. Fonction hydroxyle
3. Fonction carbonyle
4. Fonction azotée
Références bibliographiques
Chapitre 4
Spectroscopie de l'eau )
1. La molécule d'eau
1.1. Aspect quantique
1.1.1. Rappel théorique
1.1.2. Modèle quantique et orbitales de l'eau
2. Spectroscopie vibrationnelle de l'eau
2.1. Aspect théorique: spectre de la vapeur d'eau
2.2. Spectres de l'eau à l'état liquide
3. Effet de l'environnement sur le spectre de l'eau
3.1. Température
3.2. Présence de soluté et hydratation de substrats complexes
Références bibliographiques
Chapitre 5
Protéines
1. Généralités sur la structure des protéines
1.1. De la séquence en acides aminés à la conformation
1.2. Caractéristiques et classification.
2. Structure secondaire des protéines
2.1. Liaison peptidique
2.2. « Briques » de la structure secondaire
2.2.1. Hélices
2.2.2. FeuIllets
2.2.3. Autres structures
2.3. Motifs et domaines
3 Signaux des protéines dans l'infrarouge
3.1. Absorption de la liaison peptidique dans le moyen infrarouge
3.2. Absorption de la liaison peptidique dans le proche infrarouge
3.3. Absorption des chaînes latérales dans le moyen infrarouge
3.4. Absorption des chaînes latérales dans le proche infrarouge
4. Vibrations et structure secondaire des peptides et des protéines
4.1. Dans le moyen infrarouge
4.1.1. Hélices
4.1.2. Feuillets
4.1.3. Autres structures
4.2. Dans le proche infrarouge
5. Problèmes liés à l'acquisition des spectres de protéines dans le moyen infrarouge 5.1. Vapeur d'eau
5.2. Méthodes de soustraction du signal de l'eau liquide
5.3. Cellules porte-échantillon de type « réflexion totale atténuée
6. Prédiction de la structure secondaire des protéines
6.1. Méthode de prédiction utilisant la déconvolution par transformée de Fourier
6.2. Méthode de prédiction utilisant la dérivée seconde
6.3. Méthodes de prédiction basées sur l'analyse factorielle des spectres
7. Étude de la structure tertiaire et de la dynamique des protéines
8. Étude de la structure et des interactions des protéines dans les matrices alimentaires
Références bibliographiques
Chapitre 6
Lipides
1. Caractéristiques biochimiques et physiques des lipides
1.1. Rappel sur la biochimie des lipides
1.1.1. Acides gras
1.1.2. Lipides complexes
1.2. Propriétés physiques des lipides
1.2.1. Triglycérides
1.2.2. Phospholipides
2. Étude spectrale
2.1. Moyen infrarouge
2.1.1. Attributions des principaux groupements chimiques des lipides
2.1.2. Modifications du spectre induites par l'état physique
2.2. Étude spectrale dans le proche infrarouge
3. Applications
3.1. Dosage des lipides
3.2. Indice d'iode et insaturation
3.3. Isomérie cis-trans
3.4. Oxydation
3.5. Taux de solide
3.6. Authentification
7. Structure des triglycérides dans les fromages
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre 7
Glucides
1. Caractéristiques biochimiques et physiques des glucides
1.1. Rappel sur la biochimie
1.1.1. Oses ou monosaccharides
1.1.2. Oligosaccharides
1.1.3. Polysaccharides digestibles/non digestibles
1.1.4. Hétérosides (glycoprotéine, glycolipide)
1.2. Propriété physicochimique des oses
1.3. Propriétés chimiques des glucides
2. Étude spectrale
2.1. Moyen infrarouge
2.1.1. Fonction alcool
2.1.2. Fonction éther
2.1.3. Autres fonctions.
2.1.4. Revue bibliographique des sucres analysés en moyen infrarouge
2.1.5. Exemples de spectres de glucides purs dans le moyen infrarouge
2.1.6. Effet de la polymérisation (amidon, cellulose) et de la cristallinité
2.1.7. Effet du chauffage sur le spectre de l'amidon
2.1.8. Spectres moyen infrarouge de produits d'origine naturelle
2.1.9. Exploration des données et extraction de bandes caractéristiques des glucides en moyen infrarouge
2.2. Proche infrarouge (PIR)
2.2.1. Fonction alcool et liaison hydrogène
2.2.2. Revue bibliographique des sucres analysés en proche infrarouge
2.2.3. Exemples de spectres de glucides purs dans le proche infrarouge
2.2.4. Spectres proche infrarouge de produits d'origine naturelle
2.2.5. Exploration des données et extraction des bandes caractéristiques des glucides en proche infrarouge
2.3. Liaison entre proche et moyen infrarouge
2.3.1. Spectroscopie de corrélation 2D
2.3.2. Analyse du produit externe
3. Application
3.1. Dosage du sucre dans les betteraves sucrières
3.1.1. Introduction
3.1.2. Matériel et Méthodes
3.1.3. Analyse chimiométrique
Conclusion
Références bibliographiques
Quatrième partie
La mesure spectrale
Chapitre 8
Acquisition et traitement du signal spectrophotométrique
1. Mesure de la transmission
1.1. Relation linéaire simple
1.2. Relation linéaire multiple
2. Diffusion de la lumière
3. Mesure de la réflexion
4.Réflexion diffuse
4.1. Théorie de Kubelka-Munk
4.2. Raccourcissement du chemin optique
5. Réflexion totale atténuée
6. Amplification spectrale
Références bibliographiques
Chapitre 9
Instrumentation
1. Éléments constitutifs d'un système
1.1. Sources lumineuses
1.1.1. Sources thermiques
1.1.2. Diodes émettrices de lumière
1.1.3. Lasers et diodes à laser
1.2. Détecteurs photosensibles
1.2.1. Détecteurs thermiques
1.2.2. Détecteur à semi-conducteurs
1.2.3. Photoacoustique et détecteurs sonores
2. Principes des appareils
2.1. Instruments séquentiels
2.1.1. Systèmes à filtres optiques interférentiels
2.1.2. Systèmes à monochromateurs
2.2. Appareils multiplexés
2.2.1. Spectromètres multiplexés non dispersifs
2.2.2. Spectromètres multiplexés dispersifs
2.2.3. Spectromètres mettant en jeu plusieurs sources lumineuses
2.3. Les systèmes multicanaux et d'imagerie
2.3.1. Spectromètres multicanaux
2.3.2. Imagerie multispectrale et hyperspectrale
2.3.3. Imagerie hyperspectrale
3. Accessoires et dispositifs spéciaux
3.1. Cellules de mesure
3.2. Fibres optiques
3.2.1. Définition des caractéristiques optiques
3.2.2. Matériaux constitutifs
3.2.3. Mise en oeuvre
3.3. Cellules de réflexion totale atténuée
3.3.1. Généralités.
3.3.2. Dispositifs utilisant la réflexion totale atténuée
Références bibliographiques
Cinquième partie
Chimiométrie appliquée à la spectroscopie infrarouge
Chapitre 10
Introduction à la chimÏométrie
Introduction
1. Notation et généralité sur les données spectrales
Chapitre11
Méthodes exploratoires
1. Observation directe des spectres et statistiques élémentaires
2. Analyse en composantes principales
2.1. Présentation géométrique de l'ACP
2.2. L'ACP vue comme une rotation d'un repère orthonormé
2.2.1. Démarche générale
2.2.2. Centrage des données et rotation dans l'espace
2.2.3. Contraintes imposées par l'ACP
2.2.4. Individus supplémentaires
2.2.5. Partitionnement de la somme des carrés d de X
2.2.6. Mise en reuvre de l'ACP
2.3. Critère de maximisation de l'inertie
2.4. Intérêt de l'analyse en composantes principales en spectroscopie
2.4.1. Signification spectrale des vecteurs propres
2.4.2. Examen des cartes factorielles
2.4.3. Condensation de l'information
3. Méthodes de classification non supervisée
3.1. Méthodes de classification hiérarchique
3.1.1. Indice de dis similarité entre individus
3.1.2. Règle d'agrégation entre classes
3.1.3. Algorithme
3.2. Exemples d'application de la classification hiérarchique
3.2.1. Premier exemple - Étude de produits de mouture du blé dur
3.2.2. Deuxième exemple - Étude de la variabilité génétique de la luzerne ~ par SPIR 3.3. partitionnement par la méthode d'agrégation autour des centres mobiles
3.3.1. Principe de la méthode
3.3.2. Illustration de la méthode
3.3.3. Variantes de la méthode
Chapitre 12
Méthodes prédictives
1. Régresslon linéaire
1.1. Régression linéaire simple
1.2. Régression linéaire multiple
1.3. Interprétation géométrique du modèle de régression
1.4. Sélection de variables
1.5. Alternatives à la régression linéaire multiple
1.5.1. Ridge regression
1.5.2. Régression en composantes principales
1.5.3. La régression par analyse des valeurs latentes
2. Méthode PLS
2.1. Principe de base
2.2. PLS2
3. Discrimination
3.1. Notations de base
3.2. Analyse factorielle discriminante
3.3. Analyse discriminante PLS
3.4. Approches d'affectation paramétriques
3.4.1. Analyse discriminante quadratique (ADQ)
3.4.2. Analyse discriminante linéaire (ADL)
3.4.3. Adaptations de l'ADQ au cas des données spectrales
3.5. Affectation non paramétrique
4. Analyse de tableaux multiples
4.1. Méthodes fondées sur l'exploitation des matrices de corrélations ou de covariances
4.1.1. Analyse par corrélogramme
4.1.2. 2D correlation spectroscopy
4.1.3. Outer product analysis
4.2. Méthodes reposant sur l'analyse de cube de données
4.3. Méthodes reposant sur la création de variables canoniques associées à chacun des tableaux
4.3.1. Analyse canonique
4.3.2. Analyse procustéenne
4.3.3. Analyse en composantes communes et poids spécifique
Chapitre 13
Méthodes du domaine de l'intelligence artificielle
1. Algorithmes génétiques
1.1. Présentation générale des algorithmes génétiques appliqués à la sélection de variables
1.1.1. Définition des paramètres de l'algorithme
1.1.2. Création d'une population initiale de chromosome
1.1.3. Évaluation de l'adaptation de chaque chromosome
1.1.4. Sélection de deux organismes dans la population
1.1.5. Reproduction.
1.1.6. Mutation
1.1.7. Réactualisation de la population
1..2. Exemples d'application
2. Réseaux neuronaux
2.1. Réseau neuronal multicouche
2.1.1. Neurone élémentaire
2.1.2. Système à trois couches
2.1.3. Développements et exemples d'application
2.2. Apprentissage non supervisé par les réseaux de neurones de Kohonen
2.2.1. Principe du réseau de Kohonen
2.2.2. Exemples d'applications
2.2.3. Reconnaissance de l'origine et de la modification des amidons
3. Méthodes fondées sur le concept de noyau
3.1. Fonctions radiales de base
3.1.1. Notion de prédiction locale
3.1.2. Régression sur les fonctions à noyau
3.2. Support vector machine regression
Chapitre 14
Prétraitement des données spectrales
1. Amélioration du signal
1.1. Normalisation et réduction des variations d'intensité des spectres
1.2. Lissage et convolution
1.3. Correction de la ligne de base et soustraction spectrale
1.3.1. Ligne de base
1.3.2. Soustraction spectrale
1.4. Dérivation
1.5. Multiplicative scatter correction
1.6. Conclusion
2. Condensation des données et élimination de la redondance
2.1. Sélection a priori de variables ou de spectres
2.1.1. Sélection de spectres
2.1.2. Sélection a priori de longueurs d'onde
2.2. Réduction des données par changement de variables
2.2.1. Maximisation de l'entropie
2.2.2.Transformation de Fourier
Chapitre 15
Transferts d'équation d'étalonnage et mise en réseau d'instruments
1. Différences entre instruments
2. Réajustement s appareils et transfert d'équations d'étalonnage
2.1. Correction de la pente et du biais
2.2. Correction des spectres
2.2.1. Standardisation par régression sur les absorbances
2.2.2. Algorithme proposé par Shenk et Westerhaus
Chapitre 16
Une démarche générale pour l'établissement d'applications analytiques
1. Mesures de référence
2. Choix des échantillons d'étalonnage et préparation
3. Mesure spectrale
4. Étalonnage
5. Méthodes de validation des modèles prédictifs
6. Analyse en série et réajustement des modèles prédictifs
Références bibliographiques
Sixième partie
Applications
Chapitre 17
Discrimination et authentification des aliments et des ingrédients alimentaires par spectroscopie dans l'infrarouge proche et moyen
1. Introduction
1.1. Fondements analytiques de l'authentification
1.2. Procédures chimiométriques
1.2.1. Techniques discriminantes supervisées
1.2.2. Techniques de régression
1.3. Organisation du chapitre
2. Applications dans le domaine du proche infrarouge
2.1. Discrimination et authentification
2.1.1. Applications mettant en jeu des données spectrales discrètes
2.1.2. Applications mettant en jeu les composantes principales
2.1.3. Applications mettant en jeu des procédures de discrimination
2.2. Quantification des adultérations ou des contaminations
3. Applications dans le moyen infrarouge
3.1. Discrimination et authentification
3.1.1. Applications utilisant les coordonnées factorielles d'une ACP
3.1.2. Applications mettant en jeu une procédure de discrimination
3.2. Quantification de l'adultération ou de la contamination
4. Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre 18
Utilisation de la spectroscopie proche infrarouge dans les industries céréalières
1. Application en sélection des plantes
1.1. Blé
1.1.1. Rendement en farine
1.1.2. Absorption d'eau et mesures du farinographe
1.1.3. Force et extensibilité de la pâte
1.1.4. Gluténines et gliadines
1.1.5. Amidon
1.2. Orge
1.3. Blé dur (Durum)
1.4. Riz
2. Conduite des cultures et commercialisatio
2.1. Analyse des tissus végétaux
2.2. Applications au niveau de l'exploitation agricole
2.3. Test à la réception des grains et séparation des lots
3. Contrôle de procédés
3.1. Capteur en ligne
3.2. Applications dans le domaine de la meunerie
3.2.1. Analyse en ligne du blé par spectroscopie infrarouge
3.2.2. Analyse en ligne de la farine
3.3. Applications en boulangerie et dans les industries de cuisson
3.3.1. Additifs
3.3.2. Pâte
3.3.3. Cuisson extrusion
3.3.4. Produits finis
3.4. Applications en brasserie
3.5. Analyse qualitative.
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre 19
La spectroscopie proche infrarouge: une technologie d'appui pour un « service intégral» en alimentation animale
1. Introduction
2. Nécessité d'un contrôle de la qualité des aliments des animaux
3. Principales caractéristiques d'un système opérationnel de contrôle de la qualité
3.1. Vitesse de réponse
3.2. Coût réduit
3.3. Haute répétabilité et reproductibilité
3.4. Technologie SPIR pour la prévision simultanée de paramètres utiles en alimentation et production animale
3.4.1. Prédiction par SPIR de paramètres chimiques traditionnels
3.4.2. Prédiction de la réponse animale: SPIR comparée aux méthodes ~ de laboratoire
3.4.3. Prédiction de différents paramètres utiles dans le domaine de l'alimentation et de la production animale
4. La spectroscopie proche infrarouge: une méthode d'emploi général dans le domaine de l'alimentation animale
4.1. Exemples de services d'analyse utilisant la SPIR
4.2. Pour un « service intégral » en alimentation animale
Références bibliographiques
Chapitre 20
Identification et caractérisation des micro-organismes
1. Préparation des échantillons.
2. Analyse du spectre infrarouge de micro-organismes
3. Facteurs influençant le spectre infrarouge
3.1. Nature du milieu de culture
3.2. Conditions de culture
4. Traitement des données
4.1. Analyse par classification hiérarchique
4.2. Analyses multivariées
5. Applications
5.1. Discrimination des espèces du genre Listeria
5.2. Caractérisation d'une collection de souches d' Hafnia alvei
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre 21
Analyse du lait et des produits laitiers
1. Introduction
1.1. Objectif des contrôles
1.2. Composition et caractéristiques physiques du lait et des produits laitiers
1.3. Méthodes de référence de dosage des principaux composants du lait et des produits laitiers
1.3.1. Matière grasse
1.3.2. Protéines
1.3.3. Lactose
1.3.4. Extrait sec.
1.4. Principales caractéristiques analytiques d'une méthode de dosage
1.4.1. Exactitude
1.4.2. Fidélité
1.4.3. Justesse
2. Analyse du lait en moyen infrarouge
2.1. Dosagedes composants principaux : matière grasse, protéines et lactose
2.1.1. Analyse du spectre infrarouge du lait
2.1.2. Instrumentation
2.1.3. Caractéristiques analytiques
2.1.4. Origine des différences entre mesures infrarouge et méthodes de référence.
2.1.5. Influence de facteurs biologiques et environnementaux
2.2. Dosage de composants particuliers: caséines et urée
2.2.1. Caséines et matière azotée soluble
2.2.2. Urée
3. Analyse du lait et des produits laitiers en proche infrarouge
3.1. Analyse de spectres PIR
3.2. instrumentation
3.2.1. Caractéristiques techniques
3.2.2. Préparation des échantillons
3.2.3. Principe du calibrage des appareils
3.3. Caractéristiques analytiques
3.3.1. Répétabilité
3.3.2. Justesse
3.4. Utilisation de la fibre optique
3.4.1. Suivi de la coagulation du lait
3.4.2. Contrôle en ligne des procédés de fabrication
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre 22
Application de la spectroscopie proche infrarouge à l'analyse des viandes et des produits carnés
1. Besoins de la filière des viandes et des produits carnés
2. Contraintes imposées à l'application de la SPIR
2.1. Contraintes liées au produit
2.2. Contraintes liées aux méthodes de référence
2.3. Contraintes liées à la SPIR
3. Prédiction de la composition et des propriétés des viandes
3.1. Prédiction de la composition chimique (eau, protéines, matières grasses)
3.2. Prédiction du pH et de la capacité de rétention d'eau
3.3. Prédiction de la couleur
3.4. Prédiction de la tendreté
4. Autres applications de la SPIR pour la caractérisation des viandes.
4.1. Discrimination selon le régime alimentaire des animaux
4.2. Discrimination selon le type de muscle, la catégorie de qualité de la carcasse, et la race.
4.3. Discrimination selon l'espèce animale
4.4. Détection d'une congélation antérieure
4.5. Détermination de la température de cuisson
4.6. Contrôle en ligne de la qualité sanitaire des produits
Conclusion et perspectives
Références bibliographiques
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