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Ministère de l"Enseignement Supérieur, de la

Recherche Scientifique et de la Technologie

Université du 7 novembre à Carthage

????D98é????6???????F????AD?? g-???6?????D???"?68????

Pour l"obtention du

?D??ô???y?6D??????"s?Aé?D?8-?

Filière : Biologie industrielle

Sujet :

Réalisé par : y??-???D?????y?????s???

Entreprise d"accueil :

Centre National des Sciences et Technologies Nucléaires

Soutenu le 12/01/2009

Responsable entreprise : Mr Mohamed Taïeb JERBI

Responsable INSAT: Dr Dorra GHORBEL

???é????D??-?D6?D-??5????)????3? c???é?D??????é??D-???

A mon père

A ma mère

?8??è?.?

A mes frères et soeurs

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A mes amis

A tous ceux que j"aime

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m???-???-?D????6?????6?éA??????6??8C?????-???????8-O??Mr. Hassib BOUALLAG ?6?Mme. Lamia AIED??????"???D-???D6??"F????8-??"?????6?-?????8A?-?????6-???D?. c?? 6D???? ?8??D? à? ?C?-D??-? ???? ???D-?6D??? ?6? -???-?D????6?? à?Mme. Khawla KHOUALDIA?

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Table des Matières

Liste des illustrations

.............................................................................................................. 1

Liste des tableaux......................................................................................................................... 1

Liste des figures............................................................................................................................ 2

Introduction générale............................................................................................................. 4

Etude bibliographique

1. Amidon natif.......................................................................................................................... 6

1.1. Présentation structurale de l'amidon.......................................................................................... 6

1.1.1. Structure chimique de l"amidon natif ................................................................................. 6

1.1.1.1. Fraction glucidique...................................................................................................... 6

1.1.1.2. Fraction non glucidique............................................................................................... 8

1.1.2. Structure granulaire........................................................................................................... 10

1.1.2.1. Observations morphologiques ................................................................................... 11

1.1.2.2. Organisation moléculaire........................................................................................... 13

1.2. Propriétés physico-chimiques de l"amidon.............................................................................. 15

1.2.1. Propriétés physiques ......................................................................................................... 15

1.2.2. Propriétés chimiques......................................................................................................... 15

2. Transformations hydrothermiques de l"amidon................................................................ 15

3. Applications de l"amidon........................................................................................................ 18

4. Technologie d"irradiation....................................................................................................... 20

4.1 Généralités ................................................................................................................................ 20

4.1.1. Définition de l"irradiation................................................................................................. 20

4.1.2. Types de rayonnements utilisés........................................................................................ 20

?.?.?.?. Les rayons gamma..................................................................................................... 21

?.?.?.?.?Les rayons X.............................................................................................................. 21

?.?.?.?. Les électrons accélérés............................................................................................... 21

4.2. Mode d"action des rayonnements ionisants............................................................................. 22

4.3. Effets de rayonnement ionisant sur la matière......................................................................... 22

4.3.1. Effet physique................................................................................................................... 23

4.3.2. Effet thermique ................................................................................................................. 23

4.3.3. Effet chimique................................................................................................................... 23

4.3.3.1. Radiolyse de l"eau...................................................................................................... 23

4.3.3.2. Effet sensibilisateur de l"oxygène.............................................................................. 24

4.3.4. Effet sur les biomolécules................................................................................................. 24

4.3.4.1. Action sur les protéines.............................................................................................. 24

4.3.4.2.?Action sur les hydrocarbures ..................................................................................... 25

4.3.4.3.?Action sur les lipides.................................................................................................. 25

4.3.4.4.?Action sur les vitamines............................................................................................. 25

4.3.5. Effets sur les micro-organismes........................................................................................ 26

4.4. La Dosimétrie........................................................................................................................... 26

4.?.?.?.?Dose absorbée............................................................................................................... 26

4.4.1.2.?Dose absorbée minimum............................................................................................ 26

4.4.1.3.?Dose absorbée maximum........................................................................................... 27

4.4.1.4.?Dose absorbée moyenne ............................................................................................ 27

4.4.1.5.?Débit de dose absorbée .............................................................................................. 27

4.4.1.6.?Indice d"hétérogénéité de la dose............................................................................... 27

5. Irradiation de l"amidon............................................................................................................ 28

5.1. Propriétés physico-chimiques.................................................................................................. 28

5.1.1. Effet de l"irradiation sur la solubilité................................................................................ 28

5.1.2. Effet de l"irradiation sur la capacité d"absorption d"eau (WAC)...................................... 28

5.1.3. Effet de l"irradiation sur le poids moléculaire.................................................................. 28

5.2. Propriétés texturales et rhéologiques....................................................................................... 29

5.2.1. Effet de l"irradiation sur l"indice de gonflement, la viscosité et la force de

gel d"amidon ............................................................................................................................... 29

5.2.2. Effet de l"irradiation sur le comportement rhéologique de l"amidon en régime

harmonique ................................................................................................................................. 29

5.3. Analyse structurale................................................................................................................... 31

5.3.1. Analyse de la cristallinité par diffraction des rayons X (DRX)........................................ 31

5.3.2. Analyse structurale par spectroscopie infrarouge à transformé de Fourrier

(FTIR)......................................................................................................................................... 31

5.4. Analyse morphologique par microscopie électronique à balayage (MEB)............................. 32

5.5. Analyse thermique par calorimétrie différentielle à balayage (DSC)...................................... 33

Matériels et Méthodes

1.Echantillonnage.......................................................................................................................... 35

2. Conduite de l'irradiation.......................................................................................................... 35

3. Test Amylograph Brabender.................................................................................................. 37

3.1. Principe.................................................................................................................................... 37

3.2. Protocole.................................................................................................................................. 37

4. Analyse de Texture................................................................................................................... 38

5.?Analyse par Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR)................. 40

5.1. Définition................................................................................................................................. 40

5.2. Principe.................................................................................................................................... 40

5.3. Protocole.................................................................................................................................. 40

6. Analyse par diffraction des rayons X (DRX).................................................................... 41

6.1. Définition................................................................................................................................. 41

6.2. Principe.................................................................................................................................... 41

6.3. Protocole.................................................................................................................................. 42

7. Analyse thermique par calorimétrie différentielle à balayage (?h?).......................... 43

7.1. Définition................................................................................................................................. 43

7.2. Principe.................................................................................................................................... 43

7.3. Protocole.................................................................................................................................. 44

Résultats et discussions

1. Effet de l"irradiation sur les transformations hydrothermiques de l"amidon............. 45

1.1. Analyse de la Répétabilité des Résultats ................................................................................. 45

1.2. Pouvoir Discriminant............................................................................................................... 46

2. Analyse de la texture d"empois d"amidon irradiés à différentes doses....................... 48

2.1. Évolution de force de compression-relaxation en fonction du temps...................................... 48

2.2. Analyse de la répétabilité des paramètres obtenus à partir des essais de relaxation................ 50

2.3. Pouvoir discriminant............................................................................................................... 51

2.4. Analyse des fonctions discriminantes (AFD)......................................................................... 52

2.5. Pouvoir discriminant des fonctions canoniques discriminantes ............................................. 52

2.6. Evolution des paramètres rhéologiques en fonction d"irradiation lors d"un test de

compression relaxation ................................................................................................................... 55

2.6.1. Variation de degré de relaxation moyen (%) des empois d"amidon en fonction

d"irradiation................................................................................................................................. 55

2.6.2. Variation de force maximale (N) de résistance d"empois d"amidon à la

compression en fonction d"irradiation........................................................................................ 56

2.6.3. Variation de temps de demi-relaxation en fonction d"irradiation..................................... 58

3. Effet de l"irradiation sur la structure de l"amidon irradié.............................................. 59

3.1. Analyse structurale par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier............................ 59

3.2. Analyse structurale par diffraction des rayons X..................................................................... 60

4. Étude de l"effet de l"irradiation sur les propriétés thermiques de l"amidon

irradié

................................................................................................................................................ 62

5. Effet de l"irradiation sur la structure morphologique des granules

d"amidon irradiés

........................................................................................................................... 67

Conclusions et perspectives.............................................................................................. 69

Références bibliographiques............................................................................................ 71

aD?6??????D??8?6-?6D???? aD?6??????6?????8C?

??????8? s. Composition non glucidique de différents amidons en fonction de leur origine

botanique (en % d"amidon sec)........................................................................................................3

??????8? ss. Teneurs en amylose et amylopectine des amidons de différentes sources

??????8?sss. Temps d"irradiation nécessaire pour chaque dose....................................................??

??????8?s?.?Coefficients de variation (%) pour la température et la consistance de gélatinisation

avec les différentes doses d"irradiation..........................................................................................??

??????8??.?Résultats de l"ANOVA à un facteur sur les données de l"amylogramme..................??

??????8? ?s. Coefficients de variation relatifs aux paramètres rhéologiques déterminés en

fonction de la dose d"irradiation.....................................................................................................???

??????8? ?ss. Analyse de variance pour le facteur dose d"irradiation sur trois paramètres

??????8??sss. Valeurs propres associées aux fonctions canoniques discriminantes....................??

??????8? s?. Estimation des coefficients standardisés des trois fonctions canoniques

??????8? ?. Pente et ordonnée à l"origine des équations linéaires relatives aux températures

aD?6???????DA8-???

?DA8-???.?Structure chimique de l"amylose .....................................................................................?

?DA8-???. Structure chimique de l"amylopectine avec les deux types de liaisons glucosidiques (1-4) et

?DA8-???.? Formes et taille de granules d"amidon de différentes sources botaniques....................??

?DA8-?? ?. Microscopie des grains d"amidon de pois : normale (a), en biréfringence (b) et

transformé thermiquement (c)........................................................................................................??

?DA8-???.?Microscopie électronique à balayage d"amidon de différentes sources : riz (a), blé (b),

pomme de terre (c) et maïs (d).......................................................................................................??

?DA8-???.? Différents niveaux d"organisation au sein d'un grain d'amidon....................................??

?DA8-???.?Modélisation de la structure du grain d"amidon montrant les positionnements possibles et les interactions entre les différents composants : (1) : microcristaux, (2) : fraction plus ou

moins complexée avec les lipides, (3) : fraction interfaciale rigide...............................................??

?DA8-??). Transformation hydrothermique d"un grain d"amidon..................................................??

?DA8-??3.?Viscoamylogramme et états correspondants des granules d"amidon ............................??

?DA8-????.?Disposition des échantillons sur les plateaux autour de la source radioactive ............??

?DA8-????. Chaîne de mesure et de gestion dosimétrique (AérODE)............................................??

?DA8-????. Exemple d"amylogramme lors de la transformation hydrothermique de l"amidon.....?)?

?DA8-????. Compression/relaxation d"un échantillon d"empois d"amidon....................................?3

?DA8-????.?Schéma d"un diffractomètre à compteur......................................................................??

?DA8-????. Schéma simplifier pour un dispositif de chauffage pour la DSC.................................??

?DA8-????.?Évolution de la consistance maximale de l"amylogramme et de la température atteinte

au maximum de consistance pour les amidons natif et irradiés. ...................................................??

?DA8-????. Variation de la force moyenne au cours d"un test de compression -relaxation en

fonction du temps pour les différentes doses d"irradiation...........................................................?3

?DA8-???). Projection de l"ensemble de paramètres étudié en fonction de dose d"irradiation dans

un plan factoriel qui correspond au deux fonctions canoniques discriminantes............................??

?DA8-?? ?3. Variation de degré de relaxation moyen (%) des empois d"amidon en fonction

?DA8-????.?Variation de force maximale (N) de résistance d"empois d"amidon à la compression

en fonction d"irradiation.................................................................................................................??

?DA8-????. Variation de temps de demi-relaxation en fonction d"irradiation................................?)

?DA8-????. Spectre infrarouge des échantillons d"amidon irradiés à différentes doses.................?3

?DA8-????. Diffractogrammes des échantillons d"amidon irradiés à différentes doses .................??

?DA8-?? ??. Exemple de thermogramme de DSC obtenu lors de la gélatinisation d"amidon

(échantillon témoin). ......................................................................................................................??

?DA8-????.?Variation des températures critiques obtenues par analyse enthalpique différentielle en

fonction de doses d"irradiation.......................................................................................................??

?DA8-????.?Photos des échantillons d"amidon irradiés à différentes doses obtenues microscope

optique à lumière polarisée. ...........................................................................................................??

L"amidon est utilisé dans de nombreuses applications alimentaires qui vont bien au delà de son

rôle nutritionnel d"origine. Sous sa forme native, il est largement utilisé comme épaississant,

liant, gélifiant, stabilisant, rétenteur d"eau ou encore comme agent d"encapsulation. Cependant, il

existe plusieurs obstacles pour l"application de l"amidon comme ingrédient alimentaire. En effet,

sa viscosité élevée et son faible taux de solubilité entraînent des difficultés au niveau de la

formulation de certains produits finis et de la formation des précipités indésirables affectant la

structure finale du produit.

Actuellement de nouveaux axes de recherche dans le domaine de la synthèse avancé en matières

biologiques et chimie de biopolymère sont développés. Ils ont montré qu"il est possible de

restructurer pratiquement tous les amidons au moyen de divers agents de modifications chimiques ou enzymatiques. L"objectif d"une telle modification est de mettre au point l'utilisation

spécifique et visée comme par exemple la diminution du poids moléculaire et de la viscosité et

l"augmentation de la solubilité. Néanmoins, ces méthodes présentent certains inconvénients tels

que le coût élevé, le rendement faible, la longue durée de transformation et les pertes en produit

lors du traitement chimique ou enzymatique.

L'irradiation peut fournir une alternative favorable pour améliorer certaines propriétés techno-

fonctionnelles de l"amidon surtout la diminution de la viscosité, de la capacité de gonflement et

l"amélioration de la digestibilité. La dépolymérisation des chaînes d"amidon par irradiation

permet d"atteindre certains objectifs tout en gardant la biocompatibilité et la non toxicité du

produit fini. En effet, plusieurs études ont montré que même à des doses supérieures à 10kGy, les

biopolymères irradiés restent sains et comestibles.

Récemment, les informations concernant les effets de l"irradiation sur les propriétés physico-

chimiques et fonctionnelles de l"amidon sont rares. Certaines techniques telles que l"analyse

enthalpique différentielle (DSC), la diffraction des rayons X, la microscopie électronique à

transmission (TEM), la chromatographie d"exclusion stérique, la spectroscopie infrarouge à

transformée de Fourier (FTIR) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) ont été employées

pour étudier les propriétés moléculaires et thermiques de l"amidon. Habituellement, deux ou plus

de ces méthodes sont utilisées en association, pour bien cerner la modification apportée par

l"irradiation.

Dans la présente étude, nous rapportons l"effet des doses croissantes d"irradiation gamma (3, 5,

10, 20 et 50 kGy) sur les propriétés rhéologiques, structurales, thermiques et morphologiques de

l"amidon de maïs en utilisant les techniques suivantes :

β Analyses texturale et rhéologique.

β Analyses structurales par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et par

diffraction des rayons X. β Analyse thermique par calorimétrie différentielle à balayage. β Analyse morphologique par microscopie optique à lumière polarisée

Après une synthèse bibliographique consacrée à l"amidon natif (structure moléculaire,

organisation morphologique et propriétés physico-chimiques), à ses applications ainsi qu"à l"effet

de l"irradiation sur ses propriétés fonctionnelles, nous présentons le matériel et les méthodes

utilisés au cours de cette étude. La dernière partie de notre travail sera consacrée à la présentation

des résultats expérimentaux et à leurs interprétations.

PFE Ingénieur Étude bibliographique

INSAT 2009 - 6 -

1. Amidon natif

à? ??-6D-? ??? ??é??-AD?? ????D-?? ???.? a"??D???? ??6D?? ??--??????? ?8? ?-??8D6? ?-86? ?C6-?D6? ?????

1.1. Présentation structurale de l"amidon

1.1.1. Structure chimique de l"amidon natif

a??? A-??8???? ?"??D???? ???6? ???? ??-6D?8???? ?????F??????D??-D?6???D????? D????8????? ????? ?"??8? à?

?.?a??6?D?????6??????-???????A-??8????

1.1.1.1. Fraction glucidique

??8???????6D??????8??????éFO?D98??

??6? 8?? ?é???A?? ??? ??8C? ???O?è-??? 5? ?"??O?????? ???é?8??? ?????6D???????6? ?D?é?D-?? ?6?

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INSAT 2009 - 7 -

a. Amylose -??Dé????6-???8C???-??????D?D????? ?C??8?D???????D?D?????

a"é68??? ?8? ?????-6????6? FO?-??O???D98?? ??? ?"??O????? ??? ???86D??? ?D?8é?? ???6-?? 98?? ???

???é?8??? ????6?? 8??? ?????-??6D??? ??? ????6?? ?6?6D?6D98?? ?é??-????é?? ?6? ??? ?-é???6?? ???? ???

Figure 1. Structure chimique de l"amylose [4].

b. Amylopectine ?"8??? ???-????é?8??? ???6? ??? ?????? ????D-??? ????-D??? ??6-?? ?? ???6? ?? )?A.??? ?D?D?????

PFE Ingénieur Étude bibliographique

INSAT 2009 - 8 -

Figure 2. Structure chimique de l"amylopectine avec les deux types de liaisons glucosidiques α-(1-4)

et α-(1-6) [9].? c. Matériel intermédiaire

1.1.1.2. Fraction non glucidique

a?? ?-??6D??? ???? A?8?D?D98?? -??-é???6?? ?? à? ?? ?? ?8? ??D??? 6?6??? ???? ??D????? ?????? ?"?-DAD???

PFE Ingénieur Étude bibliographique

INSAT 2009 - 9 -

Tableau I. Composition non glucidique de différents amidons en fonction de leur origine botanique (en % d"amidon sec) [4]. Variétés Lipides Protéines Cendres Phosphore

Céréales

m?ï????-???? ?.????.??? ?.?? ?.?? ?.???? m?ï???D-?8C? ?.??? ?.?? ?.?? ?.???? ??O????ï?? ?.??? ?.?? ?.?? ?.??? ???D??? ?.?? ?.??? ?? ?? l-??A?? ?? ?.??? ?? ?.??? pDX? ?.??? ?? ?? ?? h?DA??? ?.????.??? ?? ?? ??

Tubercules?

m??D??? ?.?? ?.?? ?.?? ??

Légumineuses?

g?D???D???? ?.?)? ?.?3? ?.????.??? ?.??? g?D??-D?é? ?? ?.??? ?.??? ?.???

Fruits?

m??A8?? ?? ?.??? ?? ?.??? g????? ?? ?.?? ?? ?.??? a. Lipides

Aé??6D?D??6D??? ??8-? ê6-?? -é?8?é-?????? ??-? ???? ??????6?? ????D-???.? ???? ?D?D???? D?6?-???? ???6? ???

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INSAT 2009 - 10 -

b. Fraction minérale

1.1.2. Structure granulaire ?

Figure 3. Formes et taille de granules d"amidon de différentes sources botaniques?????.?

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INSAT 2009 - 11 -

Tableau II. Teneurs en amylose et amylopectine des amidons de différentes sources botaniques?????.?

Source botanique

??d"amylose ? d"amylopectine m?D???D-?8C? ?? ???? ??O????ï?? ???)?? ?????? pDX? ??? )?? g?D?? ??? ??? m??D??? ??? )??

N.B : ??? ?????é???6?? D?? ??86? ?-é?D??-? 98?? ??? 98??D6?6D??" cireux » ?"? H?CO? »? ??? ??A??D???

?D-?8C??6??8??D??8?-DX??D-?8C.

1.1.2.1. Observations morphologiques

- Observations en microscopie optique

FD???? ???6-?? D?D6D??? ??? ?-?D??????? ?8? A-?D?? ?"??D????? ??6? 8??? -éAD??? ??D??? ?-A??D?é?? ??8???6?

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INSAT 2009 - 12 -

a? b c

Figure 4. Microscopie des grains d"amidon de pois : normale (a), en biréfringence (b) et transformé

thermiquement (c) - Observations en microscopie électronique à balayage (MEB)

???? 6-?D6????6?? ??D???? ?8? ??XO??6D98???? ???? A-?D????"??D???? ??? ?-?98?????6? ?6? ?C?????6? 8???

Figure 5. Microscopie électronique à balayage d"amidon de différentes sources : riz (a), blé (b),

pomme de terre (c) et maïs (d) [8].

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INSAT 2009 - 13 -

- Observations en microscopie électronique à transmission (MET)

?"??O?????6D??? 1? ????? ?8?????? 98?? ?"??O?????6D??? ??6? ?D????é?? -??D??????6? ?8? ??D?? ?8? A-?D??

Figure 6. Différents niveaux d"organisation au sein d"un grain d"amidon [4].

1.1.2.2. Organisation moléculaire

a"??O????? ?6? ?"??O?????6D??? ???6? ?D????é??? ?8? ?D???8? ?"??6D6é?? A-??8??D-??? ???D? ?-D?6???D???.?

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INSAT 2009 - 14 -

❖ m?-?F???AD?? ?? 5? ??-??6é-D?6D98?? ???? ??D????? ??? 68??-?8????? ??? ?é-é????? -D?F??? ???

?éA8?D??8?????6????-??D???.??

a?? ??8?? ??8???6?? D?? ??6? ???D?? 98?? ??? ?-D?6???D?D6é????? ??D????? ??6? ?????6D???????6? ?8?? ?8C?

a"??O????? ?6? ?"??O?????6D??? ??6? 8?? ??A-é? ?"?????D?6D??? ??8?? ?8? ??D??? D???-6??6? ?8D???6?

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?"?-A??D??6D??? ?"8?? A-?D?? ?"??D????? ?ê??? ?D? ???? ???è???? 6??6??6? ?"D??8?6-?-? ??? ??????CD6é?

??DA8-???????.????

Figure 7. Modélisation de la structure du grain d"amidon montrant les positionnements possibles et

les interactions entre les différents composants : (1) : microcristaux, (2) : fraction plus ou moins

complexée avec les lipides, (3) : fraction interfaciale rigide [4].

PFE Ingénieur Étude bibliographique

INSAT 2009 - 15 -

1.2. Propriétés physico-chimiques de l"amidon

1.2.1. Propriétés physiques

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2. Transformations hydrothermiques de l"amidon

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Figure 8. Transformation hydrothermique d"un grain d"amidon [4].

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3. Gélatinisation : 3 phénomènes sont observés :

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4. Rétrogradation : ?"??6? ??? Aé?D?D??6D??? ???? ?F?î???? ?D?é?D-??? ?"??O????? ??-? ?????D?6D??? ????

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3. Applications de l"amidon

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4. Technologie d"irradiation

4.1 Généralités

4.1.1. Définition de l"irradiation

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4.1.2. Types de rayonnements utilisés

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4.1.2.2. Les rayons X

4.1.2.3. Les électrons accélérés

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4.2. Mode d"action des rayonnements ionisants

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4.3. Effets de rayonnement ionisant sur la matière

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4.3.1. Effet physique

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4.3.2. Effet thermique

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4.3.3. Effet chimique

4.3.3.1. Radiolyse de l"eau

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4.3.3.2. Effet sensibilisateur de l"oxygène

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