DS05 - Sécurité alimentaire et défi démographique

Ultrasons quantitatifs pour l'étude dynamique in vivo de la biomécanique de l'interface langue-aliment durant le processus oral – QUSToFood

Ultrasons quantitatifs pour l'étude dynamique in vivo de la biomécanique de l'interface langue-aliment durant le processus oral

Comprendre les mécanismes à l’origine des perceptions de texture résultant du contact entre la langue et l’aliment est essentiel pour la conception de nouveaux aliments, appréciés par le consommateur et sûrs pour la déglutition. Pour contribuer à atteindre cet objectif, QUSToFood propose d’étudier le recours au développement de méthodes ultrasonores tout en intégrant la contribution des caractéristiques physiologiques de la langue.

Mieux comprendre les mécanismes de perception de texture en tenant compte de la variabilité de la physiologie orale.

En tant que carrefour de perceptions multi-échelles, multitemporelles et multi-sensorielles, le processus oral des aliments représente une étape majeure pour l'appréciation des aliments par le consommateur. QUSToFood propose de s'intéresser aux perceptions de texture associées aux étapes de transformation des aliments entre la langue et le palais lors de la phase orale. Il s’avère que la compression des aliments entre la langue et le palais est une étape nécessaire pour chaque type d’aliment et à chaque moment du processus oral. Par conséquent, une meilleure compréhension des manipulations entre langue et palais associées aux perceptions de texture peut apporter des avantages importants pour la conception de nouveaux aliments, avec une meilleure appréciation sensorielle. <br />La nature innovante et ambitieuse de QUSToFood est de proposer, en utilisant les ultrasons quantitatifs (QUS), une méthodologie nouvelle et originale avec un fort potentiel pour des applications in vivo afin d'augmenter notre compréhension des perceptions de texture aux interfaces du système langue-palais. Les méthodes QUS présentent de nombreux avantages par rapport aux différentes méthodes disponibles dans la littérature: elles sont non-destructives, non-invasives, en temps réel et facilement portables. De plus, les ondes ultrasonores sont, avant tout, des ondes mécaniques, et sont donc sensibles aux propriétés mécaniques des tissus et des interfaces qu'elles traversent. Au-delà de leurs champs d'application classiques tels que le contrôle non destructif ou le diagnostic biomédical, les méthodes ultrasonores sont aujourd'hui largement utilisées pour la caractérisation des produits alimentaires et de leur transformation. QUSToFood propose donc de transposer ces méthodes utilisées et reconnues pour l'aide à la formulation des aliments dans le cadre de l'étude de la dégradation mécanique des aliments lors de leur transformation orale.

Un dispositif expérimental sera développé pour imiter le comportement du système langue-palais pendant la consommation d'aliments dans des conditions contrôlées in vitro. Le système prendra en compte des séquences complexes de mouvements mixtes de cisaillement et de compression représentatifs de la physiologie orale et sera équipé de capteurs dédiés (force, couple, déplacement). La complexité et la variabilité interindividuelle de l'environnement oral seront progressivement prises en compte par la mise en œuvre de matériaux bio-mimétiques de la langue et du palais.
Différentes catégories d'aliments modèles seront conçues et caractérisées (propriétés sensorielles, mécaniques et structurelles). Les ensembles d'échantillons d'aliments modèles obtenus seront consacrés (i) à l'exploration, in vitro, du potentiel de la méthode QUS, et (ii) à la réalisation d'une première étude du déploiement in vivo de la technologie dans la dernière partie du projet.
Des transducteurs ultrasonores seront positionnés sous la langue artificielle sur le montage de bio-mimétisme in vitro. Un pulseur-récepteur d'ultrasons mesurera les variations temporelles de l'énergie acoustique rétrodiffusée après l'émission de stimuli acoustiques dans le système langue-aliment-palais. Des méthodes de traitement du signal permettront ensuite de développer des indicateurs quantitatifs conduisant à des informations sur le couplage mécanique entre les produits alimentaires et les surfaces de la langue et du palais. Le potentiel de la méthode US pour suivre l'évolution du système mécanique langue-aliment-palais lors de séquences de mouvements sera étudié in vitro. Enfin, une étude de faisabilité sera menée avec des mesures QUS in vivo pour la preuve de concept du suivi en temps réel des interactions langue-aliment-palais pendant le traitement oral, directement sur l'individu. Le succès des étapes précédentes du projet déterminera naturellement l'accomplissement de cet ensemble de travaux.

Des langues artificielles ont été fabriquées et ont permis d'imiter les caractéristiques de rigidité et de rugosité de la langue humaine. Dans un premier temps, la déformation des gels de gélatine et d'agar sur les modèles de langue a été étudiée avec la méthode ultrasonore lors de compressions uniaxiales. Deux paramètres ultrasonores (coefficient de réflexion apparent et temps de vol) ont été identifiés comme pertinents pour l'analyse (i) du couplage à l’interface entre la langue et l’aliment et (ii) des déformations de la langue. La méthode ultrasonore a ensuite été développée pour analyser les déformations de gels composites plus complexes.
Afin d’aller plus loin dans le bio mimétisme, un nouveau dispositif permettant d'effectuer des séquences de mouvements plus complexes (associant compression et cisaillement) a été mis au point. En plus des capteurs ultrasonores, le nouveau système a été équipé de capteurs de force à trois axes ainsi que d’accéléromètres afin de suivre les évènements frictionnels et vibratoires liés au contact entre les surfaces de la langue et du palais. La faisabilité de cet outil a été testée en mesurant comment les valeurs du coefficient de friction étaient affectées par les propriétés de l'aliment, les propriétés de la langue et les paramètres opérationnels (contrainte normale, vitesse de cisaillement). Les résultats confirment qu'au-delà des caractéristiques physico-chimiques des aliments, il est essentiel de prendre en compte les caractéristiques de la langue (et sa variabilité) afin de mieux comprendre les interactions mécaniques qui affectent probablement la perception de la texture. Les travaux actuels consistent ainsi à poursuivre l’étude du potentiel des méthodes ultrasonore sur ce nouveau système biomimétique, afin d’être en mesure de proposer quelques mesures de faisabilité en conditions in vivo à la fin du projet.

QUSToFood doit permettre (i) de tenir compte à la fois des propriétés des aliments et de la variabilité interindividuelle de la physiologie orale, et (ii) d'identifier et de caractériser leurs contributions relatives par une méthode dynamique non invasive. De tels développements devraient ouvrir des perspectives scientifiques intéressantes pour la compréhension des perceptions de la texture liées aux interactions entre la langue et les aliments pendant le processus oral et la déglutition.
A l'avenir, le succès de QUSToFood devrait également engendrer divers projets émergents à fort potentiel d’impact économique, social et culturel. Un défi important dans l'industrie agroalimentaire est la reconception de la production alimentaire avec des objectifs de durabilité et de santé. Dans ce contexte, la méthode développée dans QUSToFood pourrait donc aider à caractériser la perte potentielle de qualité sensorielle induite par les changements dans la transformation des aliments, et apporter une contribution pour répondre à ce défi.
La capacité de la méthode QUS à prendre en compte la variabilité inter-individuelle à la fois in vitro avec des conditions contrôlées sur le montage bio-mimétique et in vivo avec les mesures directement sur l'individu peut également contribuer à l'identification des origines des différences de comportement oral conduisant à des préférences alimentaires. QUSToFood pourrait ainsi aider (i) à préserver l'appréciation sensorielle tout au long de la conception de produits à haute valeur ajoutée pour des consommateurs ayant des besoins nutritionnels personnalisés (teneur en fibres ou en micro-nutriments), ainsi que (ii) à répondre aux critères de confort et de sécurité pour des populations spécifiques comme les nourrissons souffrant de troubles du traitement sensoriel, ou les personnes âgées souffrant de troubles de la déglutition.

- Mantelet M., Restagno F., Souchon I. and Mathieu V., “Using ultrasound to characterize the tongue food interface: an in vitro study examining the impact of surface roughness and lubrication”, Ultrasonics, 103 (2020) 106095.
- Mantelet M., Srivastava R., Restagno F., Souchon I. and Mathieu V., “Real time ultrasound assessment of contact progress between food gels and tongue mimicking surfaces during a compression”, Food Hydrocolloids, 109 (2020) 106099.
- Srivastava R., Bosc V., Restagno F., Tournier C., Menut P., Souchon I. and Mathieu V., “A new biomimetic set-up to understand the role of the kinematic, mechanical, and surface characteristics of the tongue in food oral tribological studies”, Food Hydrocolloids, in press.
- Srivastava R., Mantelet M., Saint-Eve A., Gennisson J.L., Restagno F., Souchon I. and Mathieu V., “Ultrasound monitoring of a deformable tongue food gel system during uniaxial compression–an in vitro study”, Innovative Food Science and Emerging Technologies, in press.

Dans un contexte général de transformation de l’agriculture et de la production alimentaire visant à répondre à des critères de durabilité et de santé, le succès des produits alimentaires repose avant tout sur leur appréciation sensorielle par le consommateur. En particulier, les perceptions de texture jouent un rôle majeur dans les choix et préférences des consommateurs. QUSToFood propose de développer un outil pour l’étude des perceptions de texture dues aux interactions entre la langue, l’aliment et le palais durant le processus oral. Ces interactions stimulent les mécano-récepteurs de la langue, et permettent l’évaluation continue du statut mécanique de tous types d’aliments, à tous moments du processus oral (de la mise en bouche à la déglutition). Dans ce contexte, une meilleure compréhension des perceptions de texture est nécessaire pour la conception d’aliments nouveaux, appréciés par le consommateur et faciles à déglutir. Le développement de méthodes non-invasives est nécessaire pour afin d’aller plus loin sur ces questions et pour surmonter les limitations liées aux techniques indirectes, ex situ et destructives actuellement décrites dans la littérature.
L’objectif novateur et ambitieux de QUSToFood réside dans le développement d’une méthode nouvelle et originale basée sur les Ultrasons Quantitatifs (QUS) pour l’évaluation non-destructive, non-invasive et en temps réel des propriétés mécaniques du système langue-aliment-palais, directement sur l’individu.
Pour atteindre ces objectifs, QUSToFood propose une approche multi-disciplinaire, associant des expertises en biomécanique, acoustique, science des aliments et analyse sensorielle. La structure de QUSToFood repose sur 7 blocs de travaux (WP) planifiés sur 48 mois.
La coordination de QUSToFood (WP0) donnera l’opportunité à un jeune chercheur de développer sa propre thématique et de mener sa propre équipe de recherche. Un montage bio-mimétique sera développé (WP1) afin de reproduire en conditions contrôlées, in vitro, le comportement du système langue-palais durant la consommation d’un aliment. Une approche d’ingénierie sensorielle sera suivie pour créer des groupes d’aliments modèles (WP2) associés à des attributs de perceptions de texture particuliers (ferme, gras, lisse). Un dispositif expérimental à QUS sera conçu (WP3) pour mesurer les variations temporelles de l’énergie acoustique rétrodiffusée après l’émission de stimuli acoustiques dans le système langue-aliment-palais. Des techniques de traitement du signal permettront de développer des indicateurs quantitatifs fournissant des informations sur les propriétés mécaniques du système langue-aliment-palais. Une étape cruciale du projet consistera ensuite à explorer, in vitro, la sensibilité du dispositif à QUS aux contributions respectives des propriétés de l’aliment et de la physiologie orale (WP4). Finalement, des études de faisabilité seront conduites afin de démontrer l’adaptabilité de la technique en configuration in vivo, directement sur l’individu (WP5).
La diffusion des résultats de QUSToFood (WP6) doit ouvrir la voie à différents projets avec des retombées économiques, sociétales et culturelles en accord avec l’Axe 5 du Défi 5 de l’Agence Nationale pour la Recherche. En particulier, la méthode développée dans QUSToFood pourrait aider (i) à caractériser les pertes potentielles de qualités sensorielles induites par les transformations des procédés de production, (ii) à identifier les origines des différences de comportement oral menant aux préférences alimentaires des consommateurs, (iii) à préserver l’appréciation sensorielle tout au long de la conception de produits à haute valeur ajoutée pour les consommateurs ayant des besoins nutritionnels personnalisés et (iv) à respecter des critères de confort et de santé pour les populations spécifiques comme les jeunes enfants atteints de disoralité, ou les séniors souffrant de troubles de la déglutition.

Coordination du projet

Vincent Mathieu (Génie et Microbiologie des Procédés Alimentaires)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

GMPA Génie et Microbiologie des Procédés Alimentaires

Aide de l'ANR 309 459 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 48 Mois

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