Effect of osmotic predehydration on drying characteristics of banana fruits

Osmotic dehydration is considered to be a suitable preprocessing step to reduce the water content of foods. Such products can be dried further by conventional drying processes to lower their water activity and thus extend their shelf life. In this work, banana (Musa sapientum) fruits were initially treated by osmosis by varying several parameters of the processing conditions which included, besides the cutting format (longitudinal and round slices) of the fruit, temperature (28 and 49 ºC), syrup concentration (50, 60 and 67 ºBrix), treatment time (2, 4, 6, 10, 14, 16 and 18 hours), fruit and syrup ratio (1:1, 1:2, 1:3 and 1:4) and agitation effects. The best quality products were obtained by the use of the 67 ºBrix syrup, for 60 minutes of osmotic treatment, at 28 ºC, having a fruit and syrup ratio of 1:1 and agitation. The experimental data obtained on reduction in moisture content during the osmotic treatment were correlated with the experimental equation of M/Mo = Ae(-Kt), where A and K are the constants which represent the geometry and effective diffusivity of the drying process. This simplified mathematical model correlated well with the experimental results.

Application of the Hsu model to soybean grain hydration

A comparative analysis of the theoretical-experimental study, developed by Hsu on the hydration of Amsoy 71 soybean grain, was performed through several soaking experiments using CD 202 soybean at 10, 20, 30, 40, and 50 °C, measuring moisture content over time. The results showed that CD 202 soybean equilibrium moisture content, Xeq, does not depend on temperature and is 21% higher than that found by Hsu, suggesting that soybean cultivar exerts great influence on Xeq. The Hsu model was numerically solved and its parameters were adjusted by the least squares method, with maximum deviations of +/- 10% relative to the experimental values. The limiting step in the mass transfer process during hydration corresponds to water diffusion inside the grain, leading to radial moisture gradients that decrease over time and with an increase in temperature. Regardless of the soybean cultivar, diffusivity increases as temperature or moisture content increases. However, the values of this transport property for Amsoy 71 were superior to those of CD 202, very close at the beginning of hydration at 20 °C and almost three times higher at the end of hydration at 50 °C.

Form, size and volumetric expansion of Adzuki beans (Vigna angularis) during soaking

This study analyzed the variation in shape and size of Adzuki beans during soaking at different temperatures. In addition, different mathematical models were fitted to the experimental values of volumetric expansion, selecting the best one. Grains of Adzuki beans (Vigna angularis) with moisture content of approximately 0.25 (decimal d.b.) were manually harvested; they were, then, dried to 0.128 (decimal d.b.). The beans were subjected to soaking in distilled water at the temperatures 18 ± 1, 27 ± 1, 36 ± 1, and 45 ± 1 °C, in five repetitions. Recipients containing 80 mL of distilled water and 20 g of beans for each sample were used. The samples were periodically weighed in order to determine the water absorption. After that, the samples were removed from the recipients and placed on filter papers for two minutes to drain the surface water. Water absorption continued until the beans reached the saturation moisture content. It was concluded that, the form of the Adzuki beans was altered regularly, the orthogonal axes expanded differentially in the radial and axial directions, and that the linear model appropriately described the volumetric expansion of the Adzuki beans, among the series of models analyzed for the temperatures 18, 27, 36 and 45 °C.

Computational fluid dynamics evaluation of liquid food thermal process in a brick shaped package

Food processes must ensure safety and high-quality products for a growing demand consumer creating the need for better knowledge of its unit operations. The Computational Fluid Dynamics (CFD) has been widely used for better understanding the food thermal processes, and it is one of the safest and most frequently used methods for food preservation. However, there is no single study in the literature describing thermal process of liquid foods in a brick shaped package. The present study evaluated such process and the influence of its orientation on the process lethality. It demonstrated the potential of using CFD to evaluate thermal processes of liquid foods and the importance of rheological characterization and convection in thermal processing of liquid foods. It also showed that packaging orientation does not result in different sterilization values during thermal process of the evaluated fluids in the brick shaped package.

Assessment of lettuce quality during storage at low relative humidity using Global Stability Index methodology

During postharvest, lettuce is usually exposed to adverse conditions (e.g. low relative humidity) that reduce the vegetable quality. In order to evaluate its shelf life, a great number of quality attributes must be analyzed, which requires careful experimental design, and it is time consuming. In this study, the modified Global Stability Index method was applied to estimate the quality of butter lettuce at low relative humidity during storage discriminating three lettuce zones (internal, middle, and external). The results indicated that the most relevant attributes were: the external zone - relative water content, water content , ascorbic acid, and total mesophilic counts; middle zone - relative water content, water content, total chlorophyll, and ascorbic acid; internal zone - relative water content, bound water, water content, and total mesophilic counts. A mathematical model that takes into account the Global Stability Index and overall visual quality for each lettuce zone was proposed. Moreover, the Weibull distribution was applied to estimate the maximum vegetable storage time which was 5, 4, and 3 days for the internal, middle, and external zone, respectively. When analyzing the effect of storage time for each lettuce zone, all the indices evaluated in the external zone of lettuce presented significant differences (p < 0.05). For both, internal and middle zones, the attributes presented significant differences (p < 0.05), except for water content and total chlorophyll.

Uncertainty of Efficiency Measurements in Electric Drives

The two central goals of this master's thesis are to serve as a guidebook on the determination of uncertainty in efficiency measurements and to investigate sources of uncertainty in efficiency measurements in the field of electric drives by a literature review, mathematical modeling and experimental means. The influence of individual sources of uncertainty on the total instrumental uncertainty is investigated with the help of mathematical models derived for a balance and a direct air cooled calorimeter. The losses of a frequency converter and an induction motor are measured with the input-output method and a balance calorimeter at 50 and 100 % loads. A software linking features of Matlab and Excel is created to process measurement data, calculate uncertainties and to calculate and visualize results. The uncertainties are combined with both the worst case and the realistic perturbation method and distributions of uncertainty by source are shown based on experimental results. A comparison of the calculated uncertainties suggests that the balance calorimeter determines losses more accurately than the input-output method with a relative RPM uncertainty of 1.46 % compared to 3.78 - 12.74 % respectively with 95 % level of confidence at the 93 % induction motor efficiency or higher. As some principles in uncertainty analysis are open to interpretation the views and decisions of the analyst can have noticeable influence on the uncertainty in the measurement result.

Automated sugar analysis

Abstract Sugarcane monosaccharides are reducing sugars, and classical analytical methodologies (Lane-Eynon, Benedict, complexometric-EDTA, Luff-Schoorl, Musson-Walker, Somogyi-Nelson) are based on reducing copper ions in alkaline solutions. In Brazil, certain factories use Lane-Eynon, others use the equipment referred to as “REDUTEC”, and additional factories analyze reducing sugars based on a mathematic model. The objective of this paper is to understand the relationship between variations in millivolts, mass and tenors of reducing sugars during the analysis process. Another objective is to generate an automatic model for this process. The work herein uses the equipment referred to as “REDUTEC”, a digital balance, a peristaltic pump, a digital camcorder, math programs and graphics programs. We conclude that the millivolts, mass and tenors of reducing sugars exhibit a good mathematical correlation, and the mathematical model generated was benchmarked to low-concentration reducing sugars (<0.3%). Using the model created herein, reducing sugars analyses can be automated using the new equipment.

Cell wall composition regulates cell shape and growth behaviour in pollen tubes

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style.

De la modélisation à la quantification par ultrasons de l'agrégation érythrocytaire

Le travail a été réalisé en collaboration avec le laboratoire de mécanique acoustique de Marseille, France. Les simulations ont été menées avec les langages Matlab et C. Ce projet s'inscrit dans le champ de recherche dénommé caractérisation tissulaire par ultrasons.

High-amylose carboxymethyl starch matrices for oral sustained drug-release : in vitro and in vivo evaluation

Les amidons non modifiées et modifiés représentent un groupe d’excipients biodégradables et abondants particulièrement intéressant. Ils ont été largement utilisés en tant qu’excipients à des fins diverses dans des formulations de comprimés, tels que liants et/ou agents de délitement. Le carboxyméthylamidon sodique à haute teneur en amylose atomisé (SD HASCA) a été récemment proposé comme un excipient hydrophile à libération prolongée innovant dans les formes posologiques orales solides. Le carboxyméthylamidon sodique à haute teneur en amylose amorphe (HASCA) a d'abord été produit par l'éthérification de l'amidon de maïs à haute teneur en amylose avec le chloroacétate. HASCA a été par la suite séché par atomisation pour obtenir le SD HASCA. Ce nouvel excipient a montré des propriétés présentant certains avantages dans la production de formes galéniques à libération prolongée. Les comprimés matriciels produits à partir de SD HASCA sont peu coûteux, simples à formuler et faciles à produire par compression directe. Le principal objectif de cette recherche était de poursuivre le développement et l'optimisation des comprimés matriciels utilisant SD HASCA comme excipient pour des formulations orales à libération prolongée. A cet effet, des tests de dissolution simulant les conditions physiologiques du tractus gastro-intestinal les plus pertinentes, en tenant compte de la nature du polymère à l’étude, ont été utilisés pour évaluer les caractéristiques à libération prolongée et démontrer la performance des formulations SD HASCA. Une étude clinique exploratoire a également été réalisée pour évaluer les propriétés de libération prolongée de cette nouvelle forme galénique dans le tractus gastro-intestinal. Le premier article présenté dans cette thèse a évalué les propriétés de libération prolongée et l'intégrité physique de formulations contenant un mélange comprimé de principe actif, de chlorure de sodium et de SD HASCA, dans des milieux de dissolution biologiquement pertinentes. L'influence de différentes valeurs de pH acide et de temps de séjour dans le milieu acide a été étudiée. Le profil de libération prolongée du principe actif à partir d'une formulation de SD HASCA optimisée n'a pas été significativement affecté ni par la valeur de pH acide ni par le temps de séjour dans le milieu acide. Ces résultats suggèrent une influence limitée de la variabilité intra et interindividuelle du pH gastrique sur la cinétique de libération à partir de matrices de SD HASCA. De plus, la formulation optimisée a gardé son intégrité pendant toute la durée des tests de dissolution. L’étude in vivo exploratoire a démontré une absorption prolongée du principe actif après administration orale des comprimés matriciels de SD HASCA et a montré que les comprimés ne se sont pas désintégrés en passant par l'estomac et qu’ils ont résisté à l’hydrolyse par les α-amylases dans l'intestin. Le deuxième article présente le développement de comprimés SD HASCA pour une administration orale une fois par jour et deux fois par jour contenant du chlorhydrate de tramadol (100 mg et 200 mg). Ces formulations à libération prolongée ont présenté des valeurs de dureté élevées sans nécessiter l'ajout de liants, ce qui facilite la production et la manipulation des comprimés au niveau industriel. La force de compression appliquée pour produire les comprimés n'a pas d'incidence significative sur les profils de libération du principe actif. Le temps de libération totale à partir de comprimés SD HASCA a augmenté de manière significative avec le poids du comprimé et peut, de ce fait, être utilisé pour moduler le temps de libération à partir de ces formulations. Lorsque les comprimés ont été exposés à un gradient de pH et à un milieu à 40% d'éthanol, un gel très rigide s’est formé progressivement sur leur surface amenant à la libération prolongée du principe actif. Ces propriétés ont indiqué que SD HASCA est un excipient robuste pour la production de formes galéniques orales à libération prolongée, pouvant réduire la probabilité d’une libération massive de principe actif et, en conséquence, des effets secondaires, même dans le cas de co-administration avec une forte dose d'alcool. Le troisième article a étudié l'effet de α-amylase sur la libération de principe actif à partir de comprimés SD HASCA contenant de l’acétaminophène et du chlorhydrate de tramadol qui ont été développés dans les premières étapes de cette recherche (Acetaminophen SR et Tramadol SR). La modélisation mathématique a montré qu'une augmentation de la concentration d’α-amylase a entraîné une augmentation de l'érosion de polymère par rapport à la diffusion de principe actif comme étant le principal mécanisme contrôlant la libération de principe actif, pour les deux formulations et les deux temps de résidence en milieu acide. Cependant, même si le mécanisme de libération peut être affecté, des concentrations d’α-amylase allant de 0 UI/L à 20000 UI/L n'ont pas eu d'incidence significative sur les profils de libération prolongée à partir de comprimés SD HASCA, indépendamment de la durée de séjour en milieu acide, le principe actif utilisé, la teneur en polymère et la différente composition de chaque formulation. Le travail présenté dans cette thèse démontre clairement l'utilité de SD HASCA en tant qu'un excipient à libération prolongée efficace.

Sur un modèle d'érythropoïèse comportant un taux de mortalité dynamique

Ce mémoire concerne la modélisation mathématique de l’érythropoïèse, à savoir le processus de production des érythrocytes (ou globules rouges) et sa régulation par l’érythropoïétine, une hormone de contrôle. Nous proposons une extension d’un modèle d’érythropoïèse tenant compte du vieillissement des cellules matures. D’abord, nous considérons un modèle structuré en maturité avec condition limite mouvante, dont la dynamique est capturée par des équations d’advection. Biologiquement, la condition limite mouvante signifie que la durée de vie maximale varie afin qu’il y ait toujours un flux constant de cellules éliminées. Par la suite, des hypothèses sur la biologie sont introduites pour simplifier ce modèle et le ramener à un système de trois équations différentielles à retard pour la population totale, la concentration d’hormones ainsi que la durée de vie maximale. Un système alternatif composé de deux équations avec deux retards constants est obtenu en supposant que la durée de vie maximale soit fixe. Enfin, un nouveau modèle est introduit, lequel comporte un taux de mortalité augmentant exponentiellement en fonction du niveau de maturité des érythrocytes. Une analyse de stabilité linéaire permet de détecter des bifurcations de Hopf simple et double émergeant des variations du gain dans la boucle de feedback et de paramètres associés à la fonction de survie. Des simulations numériques suggèrent aussi une perte de stabilité causée par des interactions entre deux modes linéaires et l’existence d’un tore de dimension deux dans l’espace de phase autour de la solution stationnaire.

Effect of polymer architecture on Curcumin 1 encapsulation and release from PEGylated polymer nanoparticles: toward a drug delivery nano-platform to the CNS

We developed a nanoparticles (NPs) library from poly(ethylene glycol)–poly lactic acid comb-like polymers with variable amount of PEG. Curcumin was encapsulated in the NPs with a view to develop a delivery platform to treat diseases involving oxidative stress affecting the CNS. We observed a sharp decrease in size between 15 and 20% w/w of PEG which corresponds to a transition from a large solid particle structure to a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure. Drug loading, loading efficacy and release kinetics were determined. The diffusion coefficients of curcumin in NPs were determined using a mathematical modeling. The higher diffusion was observed for solid particles compared to “polymer nano-aggregate” particles. NPs did not present any significant toxicity when tested in vitro on a neuronal cell line. Moreover, the ability of NPs carrying curcumin to prevent oxidative stress was evidenced and linked to polymer architecture and NPs organization. Our study showed the intimate relationship between the polymer architecture and the biophysical properties of the resulting NPs and sheds light on new approaches to design efficient NP-based drug carriers.

Modélisation de l’activité électrique des oreillettes avant et après ablation par cathéter

- Réalisé au centre de recherche de l'hospital du Sacré-Coeur de Montréal. - Programme conjoint entre Université de Montréal et École Polytechnique de Montréal.

Randzonenveränderung beim Bohren und ihre Auswirkung auf Folgebearbeitungsverfahren

In der Praxis kommt es bei der spanenden Bearbeitung immer wieder zu großen Standwegunterschieden identischer Werkzeuge bei vordergründig identischen Bearbeitungsrandbedingungen. Insbesondere bei Fertigungsschritten, die das Bohren als Vorbearbeitung erfordern, kommt es gelegentlich zu atypischen Verschleißerscheinungen, die auf das Entstehen einer Neuhärtezone an der Werkstückoberfläche beim Bohren zurückgeführt werden. Grundsätzlich sind Randzonenveränderungen eine Folge der mechanischen und thermischen Beanspruchung bei der Bearbeitung. Beim Eindringen des Schneidkeils kommt es zu Kornverzerrungen, welche die Werkstückhärte bis in eine Tiefe von 40 bis 80 µm erhöhen können. Überdies wird die Randzone des Werkstücks durch den Bearbeitungsvorgang und den Spantransport erhitzt und durch den Kühlschmierstoff bzw. die so genannte Selbstabschreckung im Anschluss sehr schnell abgekühlt. So kann es in Abhängigkeit der Randbedingungen zu Gefügeänderungen mit härtesteigernder (Sekundärabschreckung) oder härtemindernder (Anlasseffekte) Wirkung kommen. Nicht zuletzt beeinflussen beide Beanspruchungsarten auch das Ausmaß der Eigenspannungen in der Werkstückoberfläche. In dieser Arbeit werden die beim Kernlochbohren erzeugten Randzonenveränderungen sowie die Standzeit von Folgebearbeitungswerkzeugen, wie Gewindebohrern und Gewindeformern, und deren Abhängigkeit vom Verschleißzustand des Kernlochbohrers untersucht. Weiterhin werden mit Hilfe einer Energiebilanz die Anteile herausgefiltert, die primär die Eigenschaften der Bohrungsrandzone beeinflussen. Dies geschieht mit Hilfe einer mathematischen Modellierung des Bohrprozesses, in der die Einflüsse der Schneidkantengeometrie, der Schneidkantenverrundung, der Schneidkantenfase sowie des Freiflächenverschleißes berücksichtigt werden.

Technical note: A proposed method to determine the extent of degradation of a feed in the rumen from the degradation profile obtained with the in vitro gas production technique using feces as the inoculum

A method is proposed to determine the extent of degradation in the rumen involving a two-stage mathematical modeling process. In the first stage, a statistical model shifts (or maps) the gas accumulation profile obtained using a fecal inoculum to a ruminal gas profile. Then, a kinetic model determines the extent of degradation in the rumen from the shifted profile. The kinetic model is presented as a generalized mathematical function, allowing any one of a number of alternative equation forms to be selected. This method might allow the gas production technique to become an approach for determining extent of degradation in the rumen, decreasing the need for surgically modified animals while still maintaining the link with the animal. Further research is needed before the proposed methodology can be used as a standard method across a range of feeds.