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Chapitre I - Caractéristiques des grains

1.1. Composition des grains
1.2. Facteurs d'altération des grains

 

1.1. Composition des grains

1.1.1. Composition physique des grains - Propriétés physiques
1.1.2. Composition biochimique des grains

 

1.1.1. Composition physique des grains - Propriétés physiques

1.1.1.1 Composition physique des grains

Le grain est composé de trois parties:

a) Enveloppes

Les graines (comme le haricot) sont en général recouvertes de deux téguments.

Certains grains comme les céréales dites «nues» (blé, maïs, sorgho...) sont en fait de véritables fruits. La paroi ovaire est restée intimement soudée au tégument propre de la graine. L'enveloppe est ici un péricarpe, parfois riche en glucides (tanins), qui protège la graine, ralentit les échanges avec l'extérieur mais qui peut cependant être facilement traversé par les micro-organismes (moisissures) et par les gaz. Par la mouture on élimine ce péricarpe qui devient alors le son, produit riche en protéines (présence de l'assise protéique). Enfin d'autres grains possèdent encore certaines enveloppes (glumes et glumelles) provenant de la fleur, qui améliorent la protection de la graine. On parle alors de céréales «vêtues» (riz paddy, orge,...

b) Albumen

C'est l'organe de réserve, il est constitué de grosses cellules gorgées de réserves sous forme de grains d'amidon. L'assemblage de ces grains entre eux par des protéines confère au grain une structure vitreuse ou farineuse.

Chez certaines légumineuses (haricot, pois) l'albumen est rapidement digéré par les cotylédons qui grossissent et deviennent ainsi l'organe de réserve. On a alors des grains sans albumen.

Parfois les réserves ne sont pas sous forme glucidique (amidon), mais protéïque ou lipidique, on parle alors de graines protéagineuses (soja) ou oléagineuses (arachides).

Fig. 1: Schéma des cellules de l'albumen.

N. B.: La présence des «vides» rend les albumens farineux plus fragiles d'où risque de brisures des grains lors des manutentions. Lors de la mouture les albumens vitreux («dent») donneront des produits du type semoule alors que les albumens farineux («flint») donneront des farines,

c) La plantule ou germe

Chez les céréales elle est formée:

- du scutellum: ou cotylédon qui constitue une zone d'échange et de contact entre le germe proprement dit et l'organe de réserve qu'il va progressivement dégrader pour nourrir le germe; il renferme l'essentiel des matières grasses du grain.

- du germe proprement dit: véritable plante miniature avec la gemmule, la tigelle et la radicule.

La taille relative du germe par rapport au grain est variable suivant les produits. Petit dans le riz (4 % du grain entier), il est relativement gros dans le maïs (11 %) et le sorgho (10 %), ce qui lui confère une certaine fragilité. D'autre part, lors de la transformation des produits, on cherchera à récupérer ces gros germes (riches en lipides) pour, premièrement, éviter un rancissement rapide des «farines» et deuxièmement, comme dans le cas du maïs, extraire les matières grasses qu'ils contiennent (huile de germe de maïs).

Fig. 2: Grain de maïs. - Fig. 3: Grain de sorgho.

1.1.1.2. Propriétés physiques des grains

- Porosité

Une masse de grains constitue un matériau poreux où 30 % à 40 % du volume est occupé par des «vides» (air interstitiel). Ce pourcentage de «vide»est fonction de la taille des grains; il sera plus réduit si les grains sont petits... Ces «vides» permettront de faire traverser la masse de grains par un courant d'air (ventilation).

- Conductibilité thermique

Une masse de grains freine la transmission de la chaleur et agit souvent comme un isolant thermique. Une variation de température à la surface d'un lot ne sera ressentie que longtemps après et fortement atténuée à l'intérieur du lot.

- Hygroscopicité

Une masse de grain freine la transmission de la chaleur et agit souvent comme un isolant thermique. Une variation de température à la surface d'un lot ne sera ressentie que longtemps après et fortement atténuée en profondeur.

- Écoulement

Mis en mouvement, les grains se comportent comme un matériau fluide. Au repos, la masse de grains prend une position d'équilibre définie par l'angle du talus naturel. j .

Exemple:

Produits Angle talus naturel. j . ° Densité apparente kg/m³
Maïs 26 à 30 750
Paddy 26 à 30 550
Arachide coque huilerie 26 à 30 370-400
Café marchand 24 à 26 715

1.1.2. Composition biochimique des grains

Les grains sont constitués d'eau et de matière sèche. La matière sèche se décompose elle-même en matière minérale (macro-éléments, silice, chlorures, phosphate, sulfate... et oligo-éléments: cuivre, fer, manganèse, iode...) et en matière organique dans laquelle on distingue: les glucides, les lipides, les protides (éléments principaux) et les vitamines.

1.1.2.1 Matière sèche

Nous ne reviendrons pas sur la matière minérale (cendres) dont les éléments (parfois qualifiés de secondaires) ont cependant une certaine importance dans le régime alimentaire; leur carence (ou leur excès) peut entraîner des troubles de l'organisme. Nous parlerons de la matière organique et notamment des éléments principaux que sont les glucides, les lipides et les protides.

a) LES GLUCIDES

Constitués de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O), ils sont parfois appelés «sucres». Ils se distinguent des lipides, également composés de C, H et O par leur solubilité dans l'eau.

- Les oses ou «sucres simples» renferment de 3 à 7 atomes de carbone.

Le glucose, par exemple, contient 6 carbones (hexose).

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Formule cyclique du glucose.

On distingue des isomères selon la forme des molécules, ainsi le glucose (sucre simple des céréales et des viandes) et le fructose (sucre simple des fruits) ont la même formule chimique C6 H12 O6 mais des molécules de formes différentes reconnues et dosées par polarimétrie dans les jus sucrés. Le fructose dévie la lumière polarisée vers la gauche («Levogyre») alors que le glucose la dévie vers la droite («Dextrogyre»), ce qui explique son autre dénomination de «Dextrose».

Les oses sont les seuls sucres directement assimilables par l'organisme. Leur «pouvoir sucrant» est lié à la forme des molécules. Ainsi, la référence étant le saccharose (pouvoir sucrant = 100), le glucose a un pouvoir sucrant de 60 seulement alors que celui du fructose est de 140.

- Les holosides

Ils sont formés de l'association de plusieurs molécules d'oses reliées entre elles par des liaisons glucidiques. Ces liaisons peuvent être détruites par hydrolyse. Le plus important est l'Amidon, constitué d'une longue chaîne (simple ou dicotome) de molécules de glucose (300 à 1000 monomères de glucose).

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Représentation schématique de l'amidon.

L'amidon est une substance énergétique présente en grande quantité dans les céréales. Nous avons vu qu'il était présent sous forme de granules dans les cellules de l'albumen, organe de réserve qui forme l'essentiel de la masse du grain. Le pourcentage d'amidon dans un grain à 12 % d'humidité est d'environ 66 % (maïs), 63 % (sorgho), 65 % (riz paddy), 81 % (riz blanchi).

L'hydrolyse de l'amidon en sucres simples est très facile en milieu acide. L'acide chlorhydrique à chaud est classiquement utilisé. Par ce procédé l'amidon de maïs se transforme en un gel de molécules de glucose et d'eau que l'on concentre pour obtenir un jus sucré (sucre liquide). L'obtention de cristaux solides identiques à ceux obtenus à partir de la canne à sucre ou de la betterave serait coûteuse, c'est pourquoi le sucre est conservé sous forme liquide et utilisé directement en pâtisserie, boissons sucrées, etc.

La cellulose est un autre holoside, principal constituant des parois cellulaires. Elle est surtout importante au niveau du péricarpe. Comme l'amidon, c'est un haut polymère du glucose (2 000 à 10 000 monomères de glucose) qui en raison de sa structure en réseau complexe peu accessible aux enzymes est difficilement hydrolysable (la fibre de coton est composée presque exclusivement de cellulose). Les hémicelluloses, également présentes dans le grain au niveau du péricarpe, sont des polymères de pentose (5 carbones).

- Les hétérosides

Les hétérosides sont formés par l'association d'holosides avec d'autres groupements. Ainsi rencontre-t-on dans le manioc des hétérosides contenant de l'acide cyanhydrique (CNH) que l'on élimine par hydrolyse (rouissage et cuisson).

Les tanins contenus dans les enveloppes du sorgho et du mil sont également des hétérosides qui renferment des composés cycliques du type benzène ou phénol qui ne sont pas digestibles et peuvent même être antinutritionnels. Ceci explique la nécessité du décorticage préalablement à la mouture.

b) LES LIPIDES

Ce sont également des composés de C, H et O mais ils sont insolubles dans l'eau et solubles dans les solvants organiques (hexane, essence, benzène, etc.). Cette solubilité est utilisée dans les huileries pour extraire la fraction d'huile demeurée dans les graines oléagineuses après pressage mécanique (l'hexane est classiquement utilisé).

On distingue deux grandes classes de lipides: les saponifiables et les insaponifiables.

- Les lipides saponifiables sont ceux avec lesquels il est possible de fabriquer du savon par hydrolyse en glycérol et acide gras, puis réaction de cet acide avec une base (soude).

Lipide + eau (r) glycérol + acide gras.
Acide gras + base (soude) (r) savon + eau.

Exemple: la cire des bougies est un lipide qui ne permet pas de fabriquer de savon alors que l'huile d'arachide le permet.

Comme dans les glucides on retrouve dans les lipides saponifiables la classification entre lipides simples et lipides complexes. Les lipides simples sont les plus abondants. Chimiquement ils sont formés par estérification, c'est-à-dire élimination d'une molécule d'eau, entre un alcool: le glycérol, et un acide gras.

Exemple:

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Cette réaction d'estérification est réversible. La dissociation en alcool et acide gras par addition d'eau est l'hydrolyse, réaction de base du métabolisme des denrées stockées.

Dans les lipides simples, selon que une seule, deux ou les trois fonctions alcool (CHOH) du glycérol sont estérifiées par un, deux ou trois acides gras, on parlera de mono, di ou triglycérides.

Les huiles (palme, olive, arachide) sont des lipides simples composés à partir d'acides gras à faible nombre d'atomes de carbone (14 C: Acide palmitique, 22 C: Acide arachidonique, etc.), au-delà (25 à 35 C) on entre dans le domaine des graisses.

Parmi les acides gras on distingue ceux dont chaque atome de carbone est lié à 2 atomes d'hydrogène et ceux où certains atomes de carbone ne sont liés qu'à un seul. Dans la chaîne des atomes de carbone existe alors une double liaison entre 2 atomes et apparition d'un «accident» dans la chaîne régulière en zig-zag de l'acide gras.

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Cet «accident» entraîne une moins bonne fluidité de la molécule qui se lie plus difficilement aux 3 fonctions alcool du glycérol.

Les acides gras insaturés qui présentent 3 «accidents» de ce type sont souvent nocifs car leur molécule a une forme compliquée qui ne permet pas aux enzymes de les hydrolyser aisément. Il s'ensuit une accumulation de graisse parfois nocive dans l'organisme, il en est ainsi pour l'acide érucique (contenu dans certaines variétés de colza) qui provoque des dépôts graisseux dans l'organisme (particulièrement dangereux au niveau du coeur).

Les lipides complexes

Ce sont des lipides dans lesquels l'une des fonctions alcool du glycérol est estérifiée par un acide autre qu'un acide gras. Ainsi les phospholipides, abondants dans les poissons et crustacés, et nécessaires à la constitution des cellules nerveuses du cerveau et de la moelle épinière, en particulier chez les enfants, sont des triglycérides comportant un radical acide phosphorique.

- Les lipides insaponifiables sont constitués non plus avec du glycérol mais avec d'autres acides gras. Exemples: le carotène; le cholestérol (obtenu à partir du stérol); les cires: les terpènes (lipides du latex).

Acidité grasse libre - rancissement

Sous l'action des lipases (estérases), les lipides shydrolysent en acide gras et alcool. La teneur en acides gras libres est souvent un critère de l'activité enzymatique du milieu (soit métabolisme interne de la graisse, soit action des lipases de la microflore présente). En général l'activité des lipases est faible en début de stockage puis augmente après plusieurs mois. En présence de l'oxygène de l'air les acides gras libres vont s'oxyder et donner naissance à des produits nauséabonds typiques du rancissement qui déprécie le produit. Ce rancissement demande d'importantes quantités d'oxygène, ainsi pour une môle d'acide oléique C16 H12 O2, dont le poids moléculaire est de 288 g, il faut une môle d'oxygène, soit 32 g, ce qui représente 112 l d'air. Dans les céréales, le rancissement s'observera principalement au niveau du germe dans lequel se trouve la plus grande partie des matières grasses (riz 1,5 % - sorgho 3 % - maïs 5 %). L'oxydation est accélérée par les rayonnements ultraviolets et la température. Il convient donc de conserver les produits dans un endroit frais, obscur et sans contact avec l'air.

Pour l'huilier l'acidité grasse libre a deux inconvénients. Le premier est la nécessité d'éliminer les acides gras présents pour éviter le rancissement ultérieur de l'huile: c'est l'opération de neutralisation par la soude (qui entraîne une perte quantitative d'huile). Le second inconvénient est la nécessité d'éliminer les produits de rancissement. Étant volatils ils sont extraits par barbotage de vapeur à 200° C. Pour éviter le rancissement de l'huile chaude, l'opération est conduite en absence d'air.

c) LES PROTIDES

Ce sont les matières organiques azotées. Outre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène, elles renferment de l'azote. La teneur en protides est mesurée par dosage de l'azote (méthode KJELDAHL) et multiplication du résultat par un coefficient conventionnel différent selon les professions pour des raisons historiques. En alimentation humaine le coefficient est de 5,7; en alimentation animale de 6,25. Il est important de savoir à quelle convention il est fait référence dans les transactions commerciales (dans le commerce des tourteaux d'arachide ou de soja entre autres). Scientifiquement le coefficient 6,25 semble le plus proche de la réalité.

Les protides se classent en: éléments simples, peptides et protéines.

Les éléments simples

Ce sont les Acides Aminés, ainsi nommés car il possèdent à la fois une fonction acide (radical carboxyde COO-H+) et une fonction amine (NH2).

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- 21 acides aminés ont été répertoriés qui diffèrent par la longueur du radical R et la présence d'autres éléments. Rappelons que certains d'entre eux sont difficilement synthétisés par l'homme (lysine, méthionine, cystine). Ils sont dits indispensables, c'est-à-dire qu'ils doivent être présents en quantité suffisante dans les aliments. En général les céréales contiennent peu d'acides aminés indispensables et d'autres aliments doivent les accompagner. Les légumineuses et la viande en sont plus riches.

Les peptides

Ce sont des associations d'acides aminés avec élimination d'eau entre un radical acide et un radical amine. Cette liaison peut être rompue par hydrolyse sous l'action d'enzymes.

Les protéines

Ce sont des assemblages d'un très grand nombre d'acides aminés (n x 10 000) dans un ordre spécifique ce qui conduit à un très grand nombre de combinaisons et de formes possibles. A titre d'exemple, citons quelques protéines connues:

Hémoglobine: protéines du sang spécifique du transport de l'oxygène grâce à la présence de fer actif passant de l'état ferreux ++ à l'état ferrique +++
Chlorophylle: dans les végétaux,
Enzymes: molécules indispensables au métabolisme, ce sont des assemblages complexes de chaînes d'acides aminés dont la forme va permettre le contact entre les fonctions chimiques, donc les réactions et en particulier l'hydrolyse (amylases, lipases, etc.) sans exiger la mise en jeu d'énergies importantes (par exemple l'hydrolyse du saccharose par l'acide chlorhydrique demande 12 kcal/mole alors que 3 kcal/mole seulement sont nécessaires en présence d'enzymes).

Les protéines sont empiriquement classées selon leur solubilité dans différents solvants (eau, alcool, eau + base). Dans les céréales on rencontre surtout des protéines solubles dans l'alcool et appelées prolamines: gliadine du blé; zéine du maïs, kaffirine du sorgho. N'étant pas solubles dans l'eau ces prolamines permettent de préparer des pâtes et non pas des soupes. Le blé contient un assemblage particulier de composés solubles dans l'alcool (gliadines) et solubles dans l'eau + base (gluténines) appelé GLUTEN dont la propriété est de «lever» par fermentation, ce qui permet de fabriquer le pain dit «français» alors que celui obtenu avec les autres céréales ne lève pas. Ce gluten est très sensible à la température, aussi la conservation des farines de blé est-elle délicate en zone tropicale.

d) LES VITAMINES

Éléments chimiques complexes, les vitamines jouent un rôle important dans la nutrition car elles interviennent au niveau des fonctions essentielles de l'organisme. Une carence en vitamines entraîne souvent de graves troubles. Dans les grains, les vitamines sont surtout concentrées au niveau du germe et des enveloppes. Lors de la mouture une partie sera donc perdue dans les sons. Dans le riz cependant l'étuvage permettra aux vitamines (hydrosolubles) de se répartir de façon plus homogène dans le grain et seule une faible part sera perdue lors de l'usinage.

1.1.2.2. Eau

Élément indispensable à la vie, l'eau est présente dans les grains sous différentes formes:

- l'eau de dissolution dans les vacuoles des cellules: c'est une eau que l'on qualifie de «libre»;
- l'eau d'imbibition associée aux colloïdes (protides)
- l'eau de constitution très fortement fixée aux molécules.

L'eau a un rôle physique. Elle maintient les structures cellulaires, elle permet le transport de gaz, de sels minéraux, de colloïdes et assure une bonne conductibilité thermique. Elle a également un rôle chimique important en intervenant dans les hydrolyses et surtout en facilitant les réactions du métabolisme. A une certaine teneur dans le grain, elle va favoriser les attaques par les micro-organismes. La teneur en eau du grain peut être exprimée de deux façons différentes:

- Par rapport à la matière sèche:

c'est le rapport entre le poids de l'élément dosé Px et le poids de l'échantillon sec PMS, après élimination de son eau

x % MS = 100

c'est généralement la définition utilisée par les scientifiques.

- Par rapport à la matière humide:

c'est le rapport entre le poids de l'élément dosé Px et le poids total de l'échantillon

x % MS = 100

c'est la définition employée par les utilisateurs (consommateurs, meuniers, fabricants d'aliments du bétail...) et c'est celle qui est retenue pour indiquer la teneur en eau qui sera donc le rapport du poids d'eau au poids total de l'échantillon

H % = 100

Par exemple lorsque l'on parle d'un sorgho à 12 % d'humidité cela signifie que dans 100 g de produit brut il y a 12 g d'eau (par rapport à la matière sèche cette humidité est de:

12/(100-12) x 100 = 13,6 %).

1.1.2.3. Réactions du métabolisme

Ce sont les réactions de la vie caractérisées par des dégradations de la matière organique (catabolisme) en éléments simples qui peuvent être recombinés pour synthétiser une nouvelle matière vivante (anabolisme). Ces réactions qui dans certaines conditions peuvent être accélérées, ralenties, voire bloquées, consomment de l'énergie. Ce sont les glucides, et notamment l'amidon, qui constituent la principale réserve d'énergie.

- Dégradation des glucides

La respiration qui a lieu en présence d'air (milieu aérobic) est une manifestation de l'activité vitale du grain. Appelée autrefois «combustion»elle peut être schématisée par la réaction suivante

C6 H12 O6 + 6 O2 (r) 6 H2O + 6 CO2 + 674 kcal
Amidon + oxygène (r) eau + gaz carbonique + chaleur (énergie!)

Dans la réalité, la réaction est beaucoup plus complexe et se déroule par étapes successives.

En l'absence d'oxygène (milieu anaérobie) la dégradation est due à des fermentations de type alcoolique (parfois lactique ou acétique) schématisées par la réaction:

C6 H12 O6 (r) 2 CO2 + 2 C2 H5 OH + 23 kcal
Amidon gaz carbonique + alcool + chaleur

Cette destruction incomplète est donc beaucoup moins productrice d'énergie, les produits formés contenant encore une énergie importante (alcool).

- Dégradation des lipides

Une hydrolyse des lipides va donner des acides gras libres qui, s'ils sont insaturés, vont pouvoir s'oxyder en présence d'air. On observera alors un rancissement des produits.

- Dégradation des protides

Pour être assimilées, les protéines doivent être découpées en leurs éléments constitutifs de base que sont les acides aminés. Cette hydrolyse est obtenue par l'action d'enzymes (Protéases).

Les réactions du métabolisme mettent en relief l'action des molécules particulières que sont les enzymes. Protéines complexes, ce sont des catalyseurs de réaction (économiseurs d'énergie) qui agissent de façon spécifique vis-à-vis du substrat. L'action enzymatique, relativement complexe, est conditionnée par l'acidité du milieu mais également par la température. L'optimum des réactions se situe vers 40° C. Les faibles températures (vers 0° C) ralentissent considérablement les réactions alors que de fortes températures (à partir de 70° C) peuvent entraîner une dénaturation des protéines. Cette dénaturation se caractérise par l'inactivation des enzymes (perte de pouvoir germinatif des semences) et la coagulation des protéines, puis, si elle est plus poussée, par leur insolubilisation qui entraîne une perte de valeur nutritive du produit. Les hautes températures peuvent également être à l'origine des réactions particulières que sont les réactions de Maillard. Ces réactions sont extrêmement complexes et nous n'en présenterons les effets que de façon succincte.

La réaction se caractérise par une liaison pratiquement indestructible entre un sucre réducteur et un acide aminé. Elle peut être schématisée comme suit:

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Les produits de la réaction ont une coloration brune et une saveur caractéristique de «grillé» (à ne pas confondre avec la caramélisation obtenue par chauffage de sucre pur).

Bien qu'elle puisse se produire dans une gamme très large de températures, elle apparaîtra surtout à partir de 100° C et sera favorisée par les faibles teneurs en eau (7 % à 15 %).

Cette réaction porte sélectivement sur les acides aminés basiques tels que la lysine qu'elle ne détruit pas mais qu'elle rend indisponible. Cependant, les produits dérivés des céréales (pain) ayant une valeur avant tout énergétique, on considère généralement que la perte de valeur nutritive qu'engendre la réaction de Maillard est largement compensée par l'augmentation de valeur gustative qu'elle apporte.

1.2. Facteurs d'altération des grains

1.2.1. Altérations et qualité des grains
1.2.2. Vie du complexe grain - micro-organismes
1.2.3. Agents extérieurs de dégradation des grains

 

1.2.1. Altérations et qualité des grains

Différentes causes peuvent être à l'origine d'une altération des grains au cours de leur conservation.

- Altérations mécaniques dues aux manutentions qui peuvent détériorer les enveloppes du grain ou le briser, le rendant ainsi particulièrement sensible aux autres facteurs d'altération.

- Attaques de déprédateurs extérieurs à la graine (insectes, rongeurs...) (voir plus loin).

- Altérations biochimiques et chimiques. Nous les avons rappelées succinctement en abordant les réactions du métabolisme.

- Altérations microbiologiques. Les micro-organismes (moisissures, bactéries) forment avec les grains un complexe indissociable Grain-Micro-organismes). Dans certaines conditions de température et d'humidité, les micro-organismes peuvent connaître un développement rapide. Leur action modifie les qualités du grain (perte de pouvoir germinatif, altération des qualités organoleptiques et alimentaires)... et peut entraîner des risques sanitaires (bactéries pathogènes, mycotoxines).

L'ensemble de ces altérations va modifier la qualité des produits stockés. Cette notion de qualité est essentielle et différents critères permettent de l'apprécier.

- Caractéristiques physiques: teneur en eau, température, poids spécifique, taux d'impuretés (matières inertes, grains étrangers, grains endommagés, brisures), infestation par les déprédateurs (insectes) et les micro-organismes.

- Utilisation du grain:

Qualité alimentaire: (caractères organoleptiques, absence de toxines et de résidus de pesticides).
Qualité nutritionnelle: donnée importante dans la mesure où les grains restent, dans de nombreuses régions, la base de l'alimentation.
Qualité technologique: définie selon la destination du produit, les critères peuvent varier suivant les industries de transformation.
Qualité germinative: dans le cas des semences (en brasserie, ce critère pourra être considéré comme technologique).

La valeur de la qualité des produits est déterminée par des analyses, mesures et tests de laboratoire très diversifiés.


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