La congélation est utilisée pour préserver la qualité des aliments et prolonger leur durée de vie. Cependant, leur microstructure peut changer avec la formation et l’évolution des cristaux de glace en cours de congélation et de stockage, conduisant à une modification de leur qualité. Il existe peu de données 3D sur les évolutions de la microstructure des produits congelés, or ces informations pourraient être utiles pour optimiser les processus de congélation et de stockage. Les travaux de recherche effectués dans cette thèse ont appliqué à la fois des approches d'imagerie micro-tomographique et de modélisation mathématique pour une meilleure compréhension des interactions procédés-microstructure-qualité dans les fruits et légumes, selon les conditions de congélation et de stockage.Une méthode de visualisation et de traitement d’images micro-tomographiques à rayons X a été développée. Elle est basée sur une acquisition des images à l’état congelé et une segmentation à partir des coefficients d'atténuation de référence des rayons X des différents composants du produit analysé. Des tissus de pomme congelés à différentes vitesses : congélation lente (2,0 °C/min), congélation intermédiaire (12,6 °C/min) et congélation rapide (18,5 °C/min) ont été analysés. Les résultats obtenus ont mis en évidence une déformation cellulaire d’autant plus importante que la vitesse de congélation est faible. Les résultats ont également montré une augmentation de la taille moyenne des cristaux de glace et une baisse de leur nombre avec la diminution de la vitesse de congélation. La méthodologie d'imagerie micro-tomographique à rayons X développée a été utilisée afin d’étudier l’impact de la recristallisation induite par les fluctuations de températures sur l’évolution de la microstructure de carottes surgelées et stockées dans des conditions de températures dynamiques. Le caractère non-destructif de la méthodologie développée a permis de suivre les mêmes échantillons pendant deux mois. L’étude a révélé une augmentation significative de la taille des cristaux de glace pendant la période de stockage, tandis que le nombre de cristaux de glace diminuait. Un modèle de bilan de population couplé à un bilan thermique a été développé afin de décrire les phénomènes de recristallisation qui interviennent lors du stockage des carottes surgelées. Ce modèle prend en compte les phénomènes de changement de phase et de transfert d’eau à l’échelle du cristal et décrit séparément les étapes de dissolution et de croissance des cristaux de glace. Il a été mis en évidence que la recristallisation de la glace était contrôlée par l’étape de dissolution des petits cristaux, notamment en début de stockage. L'analyse de sensibilité sur les paramètres du modèle a montré que ceux liés à la dissolution ont le plus fort impact sur les résultats du modèle. Le modèle a pu être validé en prédisant parfaitement la recristallisation de la glace dans des carottes surgelées et stockées en conditions dynamiques. Enfin, les effets des fluctuations de température sur les changements de qualité des tissus de pomme durant le stockage ont également été étudiés. Des échantillons de tissu de pomme ont été congelés puis stockés dans trois congélateurs différents, réglés à -12 ± 3 °C, -18 ± 3 °C et -23 ± 3 °C. Dans chaque congélateur, trois compartiments ont été créés pour obtenir différentes amplitudes de fluctuations de température : (i) basse (± 0,1 °C), (ii) moyenne (± 0,5 °C) et (iii) grande (± 1,8 °C). La formation de givre, la perte en eau, les changements de couleur et la teneur en acide ascorbique ont été mesurés pendant cinq mois de stockage. Les résultats ont révélé que la qualité des pommes était fortement affectée par les fluctuations de température et la durée de stockage. Des modèles cinétiques décrivant la dégradation de la qualité des produits ont été développés et validés. En plus des modèles cinétiques, un modèle physique a été utilisé pour prédire la formation de givre.