Applications des rayonnements ionisants dans le domaine agro-alimentaire

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Principales Sources de rayonnements ionisants 

Sources Naturelles :

Le rayonnement cosmique (7 %) provient de l’espace et augmente rapidement avec l’altitude où la couche atmosphérique protectrice devient moins épaisse. La dose reçue par un montagnard habitant à 1000 m d’altitud e est supérieure de 20 % à celle reçue par une personne habitant au bord de la mer [25]. A l’altitude de croisière d’un avion à réaction, le rayonnement cosmique est 150 fois plus élevé qu’au niveau de la mer [26].
Le rayonnement tellurique (11 %) a pour origine les radionucléides primordiaux (uranium, thorium et potassium) apparus au moment de la formation de la terre. Nous sommes donc exposés aux rayonnements provenant du sol ainsi qu’aux matériaux de construction obtenus à partir de matériaux extraits du sol. Ce rayonnement est plus important dans les régions granitiques[23, 26]. Le radon (34 %), gaz naturel radioactif, est la principale source d’exposition naturelle. Il provient essentiellement de la désintégration de l’uranium présent dans la couche terrestre. Le radon et ses descendants solides sont inhalés ; ils émettent des rayonnements peu pénétrants, mais qui irradient lescellules des bronches. Des cancers pulmonaires ont été constatés chez les travailleursdes mines d’uranium [27].
Le radon peut s’accumuler dans les espaces clos, comme les maisons. Pour réduire sa concentration dans l’air à l’intérieur de l’habitat, il faut ventiler les pièces et les sous-sols et/ou améliorer l’étanchéité des murs et deslanchersp [25,26].
Les radionucléides de la croûte terrestre (principalement potassium 40) et ceux créés par les rayonnements cosmiques (essentiellement carbone 14) sont naturellement présents au niveau des plantes, les animaux, maisaussi dans l’eau. Nos aliments et nos
boissons sont par conséquent légèrement radioactifs.Les radionucléides ingérés se fixent dans les tissus de l’organisme et entraînent une exposition interne d’origine naturelle [23, 26, 28].

Sources artificielles:

La principale source d’exposition artificielle est l’exposition médicale (41%). Elle est essentiellement constituée par le radiodiagnostic [29]. On a aussi les essais nucléaires atmosphériques des années 50 à 70, l’industrie nucléaire avec ses déchets et les accidents, qui représentent une part importantede cette exposition artificielle.
Au total, ce type d’exposition est estimé en moyenne entre 0,42 et 1 mSv par individu et par an [17] dans les pays développés, la radio-exposition d’origine médicale en représente la majeure partie[22, 25, 26].

Effets des rayonnements ionisants sur la matière vivante

Rappels sur l’interaction des photons avec la matière

Lorsque ces rayonnements pénètrent dans la matière,ils entrent en interaction avec les atomes traversés avec une perte d’énergie correspondant à celle qui est communiquée au milieu, pouvant provoquer l’ionisation et l’excitation des atomes et molécules présentes[22]. Dans une ionisation, un électron est arraché à une couche périphérique de l’atome, créant une paire d’ions soit un électron et un ion positif[30]. Il faut pour cela lui communiquer une énergie au moins égale à l’énergie de liaison de l’électron au noyau [31].
Dans une excitation, l’énergie communiquée à l’électron est trop faible pour rompre sa liaison avec le noyau, l’électron passe de son niveau d’énergie fondamental à un niveau plus élevé, correspondant à une orbite pluspériphérique[30].
L’étude des interactions des rayonnements avec la matière met en évidence deux situations fondamentalement différentes[30] :
la première est celle dans laquelle le faisceau est constitué de particules chargées (alpha ++, beta-, beta+ ou d’ions lourds) qui délivrent leur énergie directement à la matière, par l’intermédiaire des forces coulombiennes s’exerçant avec les atomes du milieu [32]. Les transferts d’énergie dépendent des masses desparticules en mouvement [33]. La matière étant constituée d’électron négatifs de noyaux positifs, les particules chargées seront électrostatiquement attirées ou repoussées par le milieu; il s’agit donc d’un caractère d’interactionobligatoire. On dit que les particules chargées sont directement ionisantes[31].
la deuxième est celle dans laquelle le faisceau est constitué de particules non chargées (neutron ou photon) susceptibles de transférer une fraction ou la totalité de leur énergie en une seule interaction à des éléments du milieu [32]. Ce sont ensuite ces éléments secondaires qui ionisent le milieu. Dans ce cas, l’ionisation se fait en deux étapes: excitation puis ionisation [30, 33]. Le rayonnement n’a plus de caractère d’interaction obligatoire, c’est le hasard des rencontres entre les particules et les éléments du milieu qui caractérise ce deuxième cas; on dit que l’on a un caractère d’interaction stochastique et ces particules non chargées sont dites indirectement ionisantes [31], par opposition aux particules chargées, parce que le dépôt d’énergie dans la matière se fait par l’intermédiaire des particules secondaires; protons ou électrons; mis en mouvement à la suite des interactions primaires [34]. Les rayonnements électromagnétiques (X etγ) et les neutrons entrent dans cette catégorie, mais leurs modes d’interaction sont différents [33]. L’absorption des rayonnements électromagnétiques se fait selon 3 modes:
L’effet photoélectrique:
Dans l’effet photoélectrique, un photon d’énergie h supérieure à l’énergie de liaison EK d’un électron, arrache l’électron avec une énergiecinétique : Ec = h – E K
Ce photon incident disparait et un photon X est réémis par arrangement des couches électroniques (figure 1)[20].
L’effet Compton :
Dans l’effet Compton, une partie de l’énergie h du photon est communiquée à un électron périphérique qui est éjecté avec une éniergcinétique Ec. L’énergie restante est réémise sous forme d’un rayonnement diffusé d’énergie h’ inferieure à h (figure 2) [20].
La production de paires ou effet de matérialisationde paires :
Dans le phénomène de matérialisation, le photon incident disparait lors de l’interaction avec un noyau et l’énergie radiative h ainsi perdue est matérialisée sous la forme d’une création de deux électrons, l’un négatif e- ou négaton, l’autre positif e+ ou positon: h ———-.> e- + e+
La conservation de la charge est respectée (figure3) [21].

Mécanismes d’action

En pénétrant dans un organisme vivant, les rayonnements ionisants vont induire un certain nombre de réactions au sein de la cellule avec ses différents constituants : cytoplasme, membrane, noyau [35]. L’interaction des rayonnements avec la matière vivante provoque des réactions radiochimiques qui seront susceptibles de causer des altérations moléculaires[22, 23].

Les réactions radiochimiques:

Ces interactions interviennent dans un temps très court (10−9 s) et sont qualitativement identiques pour tous les rayonnements ionisants. Elles sont le résultat d’une action directe ou indirecte. En effet, les rayonnements ionisants peuvent soit être directement absorbés par les molécules qui deviennent instables (effet direct), soit réagir indirectement avec les molécules d’eau avoisinantes (effet indirect) [23]:
Effet direct
Il s’agit de l’ionisation ou de l’excitation direct de macromolécules, sans passer par l’intermédiaire de la radiolyse de l’eau[35]. Cet effet peut consister à un arrachement d’électron avec formation d’un radical et peut concerner soit:
– les sucres composant la chaîne d’ADN (désoxyribose)
– les bases de l’ADN (Adénine, Guanine, Cytosine et Thymine)
La molécule agressée est dépositaire d’un excès nergied’é qui sera expulsé :
– sous forme d’un photon de fluorescence (et retour à l’état initial),
– par rupture d’une liaison de covalence. Chaque fragment emporte un électron non apparié et constitue un radical très réactif (R*): R:R’ → R* + R’* [36].
Ces espèces radicalaires produisent à leur tour des composés moléculaires par hydrogénation, hydroxylation et polymérisation quidénaturent la molécule initiale[22, 37].
Effet indirect
Cet effet indirect représente 60 à 70 % des dommages causés par l’irradiation, essentiellement par l’intermédiaire des produits de la radiolyse de l’eau (radicaux hydroxyls OH* et eau oxygénée HO ) [23, 35].
Les radicaux hydroxyls sont les radicaux les plus réactifs en chimie. De par cette réactivité; ces radicaux réagissent rapidement avecles molécules se trouvant dans leur voisinage immédiat pour déclencher des réactions enchaîne [37]. Ils réagissent notamment avec les bases puriques et pyrimidiques de l’ADN [36], et ils peuvent libérer des atomes d’hydrogène de beaucoup de molécules y compris des groupements thiols. Par exemple :
– Déshydrogénation et hydroxylation :
R:H + OH* → R* + H2O
R* + OH* → R:OH
– Déshydrogénation et addition ou polymérisation :
R:H+H*→R*+H2
R’:H + H* → R’* + H2
R* + R’* → R:R’
– Ouverture de double-liaisons,
– Méthylations ou déméthylations (ajouts ou retranchement de groupements CH3) [22, 23].
Le taux d’ionisations et d’excitations provoquées par une particule ionisante est directement proportionnel au transfert linéique d’énergie (TLE) de la particule. Pour des radiations à TLE élevé, la densité d’ionisation est grande alors que pour des radiations à faible TLE elle est peu élevée [23].
Ainsi, nous allons présenter un tableau comparatif des effets des rayonnements à fort et à faible TLE sur des cellules (tableau I).

Effets déterministes – Effets probabilistes

Il existe deux types d’effets biologiques :
– Les effets déterministes, dus essentiellement à la destruction massive des cellules de l’organisme, apparaissent à partir d’une dose seuil, variable selon la matière, et sont d’autant plus sévères que la dose est élevé.Ces effets peuvent même être observés des années après une irradiation (descendance).
– Les effets aléatoires (ou stochastiques),associés à la transformation des cellules plus qu’à leur destruction, sont fondamentalement différents des précédents. Il n’a pas été possible de mettre en évidence l’existence d’unseuil pour les effets aléatoires. Ces derniers sont donc considérés sans seuil. Ici, c’est la probabilité d’apparition de l’effet qui augmente avec la dose. Le délai d’apparition après l’exposition, ou temps de latence, est plus long [26, 31].

Applications des rayonnements ionisants dans le domaine agro-alimentaire

Les rayonnements ionisants sont aujourd’hui largement utilisés dans le domaine agroalimentaire avec des applications variées allant de la sélection de nouveaux cultivars [2] à la conservation des aliments [ 43].

Sélection des plantes

Grâce au développement de la recherche, de nouvelles disciplines, telles la «biotechnologie végétale» et la «génie génétique»,se sont mises au service de la sélection des plantes [42].
La mutagenèse in vitro est une combinaison de la culture in vitro et l’induction de mutations, qui offre la possibilité d’augmenter la variabilité d’un cultivar d’importance économique ou de développer des variétés qui ont unpotentiel de productivité élevé. Les rayonnements ionisants sont connus pour leurs effets sur la croissance et le développement des végétaux en induisant des modifications cytologiques, génétiques, biochimiques, physiologiques et morphologiques dans les cellules et les tissus [44].
La plupart des travaux visent à obtenir des cultiva rs plus résistants aux maladies et tolérant mieux les agressions des ravageurs, que laplante de départ. Ces variétés sont moins dépendantes des produits agrochimiques; propriétés essentielles dans l’intérêt d’un développement agricole durable. Le but de ces travaux était d’augmenter le rendement, c’est-à-dire une fréquence élevée de mutations souhaitables avec des lésions inimales du sujet et une reproductibilité maximale [2]. Les principaux caractères améliorés sont:
– la morphologie de la plante (réduction de la taille),
– la productivité,
– le temps de maturation,
– la taille et la couleur des fruits,
– la résistance aux pathogènes,
– la valeur nutritive, etc.…
Ces études ont portées sur de nombreuses denrées imentairesal (riz, blé, orge, arachide, patate, maïs, etc.…) mais également sur des plantes ornementales[3,44].

Conservation des aliments et denrées alimentaires

Le traitement des aliments par irradiation est reconnu et utilisé dans le monde entier comme une méthode approuvée et efficace pour la conservation des produits alimentaires [43] et pour assurer leur stérilisation [45]. Les rayons X et sont les rayonnements ionisants les plus utilisés pour le traitement des produits alimentaires [43].
L’irradiation pour la désinfestation post-récolte aété étudiée pour divers fruits et légumes et est très prometteur en ce qu’il stérilise les insectes à des doses qui sont suffisamment basses pour ne pas être préjudiciableà la plupart des fruits et légumes [46].
Yanping Ma et al. ont démontré que l’irradiation peut retarder la germination et le développement de moisissures dans certains fruits et légumes tels que le gingembre et les marrons [47].
Des études ont également montré que le traitement des aliments par irradiation permet d’améliorer la qualité microbiologique et fongique de différents aliments en empêchant leur détérioration et leur infestation rpades insectes [48, 49].
Le procédé d’irradiation des aliments s’est montrétrès prometteurs à travers ses contributions à la réduction des pertes post-récolte, et à la possibilité d’améliorer la sécurité alimentaire. Les avantages obtenus sont les suivants:
– la désinsectisation des légumineuses et les céréales,
– le contrôle des micro-organismes pathogènes,
– l’augmentation de la durée de conservation des viandes, fruits, légumes, racines et tubercules,
– le retard de la maturation des fruits,
– l’élimination des punaises de fruits et l’inhibitio de la germination des tubercules et des bulbes [50].
L’irradiation pour la conservation des aliments est utilisée avec les épices, les herbes, les fruits, les légumes, les céréales et cemmentré avec la viande rouge, les volailles, poisson frais, œufs frais et même avec des aliments pré-emballés[51].
Des normes internationales pour l’irradiation alimentaire ont été adoptées par la Commission du Codex Alimentarius; une institution formée avec la participation de l’Organisation des Nations Unis pour l’Alimentation et l’Agriculture (FAO), et l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) qui impliquent plus de 150 gouvernements [50].

RAPPELS SUR LA PLANTE D’ARACHIDE (ARACHIS HYPOGAEA)

Originaire d’Amérique du Sud, l’arachide Arachis( hypogaea), appelée également cacahuète pour mentionner la graine contenue dans la coque, est une légumineuse de la famille des papilionacées (ou fabacées).
Noms vernaculaires au Sénégal :
Diola : Makara, Badâgat
Mandingue: Ta, Tiga, To
Peul, Toucouleur : Guerté
Sérère : Aren
Wolof, Lébou : Guerté[52]
Elle représente la sixième culture, parmi les oléagineuses, la plus importante dans le monde. L’arachide est cultivée sur 26,4 millions d’hectares à l’échelle mondiale avec une production totale de 37,1 millions de tonnes métriques et une productivité moyenne de 1,4 tonne à l’hectare. Les pays en voie de développement constituent 97 % de la superficie et 94 % de la production globale de cette légumineuse. Elle est cultivée pour ses apports alimentaires en lipides (50 %), protéines (30 %), glucides (7,5 %), vitamines et sels minéraux sous forme d’arachide de bouche, d’huile, de farine, de tourteaux, de sons…
Pour ce qui est des bénéfices nutritionnels de l’archide, il y a lieu de mentionner ses teneurs intéressantes en niacine appelée vitamine P ou vitamine B3, en zinc (synthèse protéique et hormonale, rôle immunitaire…), en phosphore, magnésium, cuivre et manganèse et en antioxydants [1, 53].
La multiplicité de ses usages en fait une culture très appréciée dans les pays du Sud. Au Sénégal, l’arachide est principalement valoriséesous forme d’huile et de tourteaux ou comme arachide de bouche.
L’arachide représente plus de 40 % des revenus despetites exploitations familiales.
Avec des rendements moyens de 800 kg/ha en Afrique, contre près de 3 000 kg/ha aux USA et en Chine. Le potentiel de cette culture est loin d’être atteint en Afrique[54].
Au Sénégal, la culture d’arachide, principalementocalisée dans le centre du pays appelé « bassin arachidier », s’est aujourd’hui étendue dans la vallée du fleuve Sénégal dans le cadre de la diversification et de l’intensification des cultures. De nouvelles orientations de la politique agricole sont définies par l’état pour accroître les performances sur la filière arachide qui sont entre autre:
– une production de semences de qualité afin de reconstituer le capital semencier du Sénégal,
– une relance de la production en vue de satisfaire le marché national en huile d’arachide et accroître le niveau de revenu des producteurs,
– une augmentation de la production d’arachide de bouche de qualité et sa promotion sur les marchés extérieurs[55].

Description Botanique

L’arachide cultivée (Arachis hypogaea L.) appartient au genre Arachis, à la sous-tribu des Stylosanthinae, à la tribu des Aeschynomenea et à la famille des légumineuses (figure 5) [1, 56].

Le port

C’est une plante herbacée annuelle cultivée dans toute la zone intertropicale [54]. On distingue une tige principale érigée ou prostréeet un nombre variable de ramifications qui peuvent être ascendantes ou couri sur une partie de leur longueur sur le sol pour les formes rampantes. Toutes ces tiges ont 20 à 70 cm de long suivant les variétés et les conditions de culture. Leur couleurvarie du vert clair au vert foncé [56,57].

Les racines

Le système radiculaire est puissant. Il est constitué par une racine primaire pivotante qui s’enfonce verticalement dans le sol jusqu’à plus de 1 m de profondeur mais cantonnée généralement aux couches superficielles udsol. Le système radiculaire ne comporte pas de poils absorbants. L’absorption de l’eau et des sels minéraux se fait surtout par le parenchyme cortical des radicelles [56,57].

Les feuilles

Elles sont pennées et possèdent 4 folioles. Ces folioles sont de forme ovales, opposées par paire et de couleur verte plus ou moins foncée. Elles sont portées par un pétiole de 4 à 9 cm de long. A la base de ce pétiole, on trouve 2 stipules longs de 2 à 3 cm, soudés partiellement au pétiole et engainant latige. Les feuilles ont une position diurne et une position nocturne, le jour, elles sont bien dressées avec des folioles largement ouvertes. La nuit, les pétioles se courbent vers le sol avec des folioles se rapprochant deux à deux [56,57].

Table des matières

NTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : GENERALITES
CHAPITRE I: RAPPELS SUR LES RAYONNEMENTS IONISANTS
I.1 Historique
I.2 Propriétés physiques des rayonnements ionisants
I.3 Principales Sources de rayonnements ionisants
I.3.1 Sources Naturelles
I.3.2 Sources artificielles:
I.4 Effets des rayonnements ionisants sur la matière vivante
I.4.1 Rappels sur l’interaction des photons avec la matière
I.4.2 Mécanismes d’action
I.4.3 Effets déterministes – Effets probabilistes
I.5. Applications des rayonnements ionisants dans le domaine agro-alimentaire
I.5.1 Sélection des plantes
I.5.2 Conservation des aliments et denrées alimentaires
CHAPITRE II : RAPPELS SUR LA PLANTE D’ARACHIDE (Arachis hypogaea)
II.1 Description Botanique
II.1.1 Le port
II.1.2 Les racines
II.1.3 Les feuilles
II.1.4 Les inflorescences
II.1.5 Les fleurs
II.1.6 Les fruits
II.1.7 Les graines
II.2 Les différentes phases végétatives de la plante d’arachide
II.2.1 Phase de germination
II.2.2 Phase de croissance
II.2.3 Phase de floraison
II.2.4 Phase de fructification
II.2.5 Phase de maturation
II.3 Contamination des graines et production d’aflatoxine
II.4. Utilisations de l’arachide
II.4.1. Dans l’industrie agro-alimentaire
II.4.2. Dans l’élevage et autres usages
DEUXIEME PARTIE : TRAVAIL EXPERIMENTAL
Objectif Général:
I. CADRE D’ETUDE
II. MATERIEL
II.1. Echantillon
II.2. Appareils
III. METHODE
III.1. La sélection des graines d’arachide
III.2. Le traitement et la conservation des graines d’arachide
III.3. Culture des graines
IV. RESULTATS
V. DISCUSSION
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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