Cours Émulsion Alimentaire [PDF]

Zitiervorschau

Science de l’émulsion alimentaire : physicochimique et rhéologique

1

Aspects

Chapitre : Caractéristiques générales des émulsions alimentaires

1.1 Introduction : La plupart des aliments naturels ou traités par des procédés industriels se présentent sous forme d’émulsion, ou étaient dans un état émulsionné pendant leur production. Ces aliments incluent notamment le lait, la crème, les jus de fruit, les potages, les pâtes pour gâteau, les sauces de salade, la mayonnaise, les crèmes liquides, les sauces, le beurre et la margarine. La large diversité des caractéristiques physico-chimiques et organoleptiques exhibée par ces émulsions alimentaires est le résultat des différents types d'ingrédient mis en jeu et des conditions de traitement technologique pour les mettre au point. En dépit de cette diversité, il y a un certain nombre d’aspects fondamentaux communs à ce groupe de produits qui les rend imposables à une étude par une discipline scientifique connue sous le nom de science d'émulsion. La science d'émulsion combine des aspects de la physique, de la chimie, de la biologie, et de la technologie. La science d'émulsion a évolué dans l'industrie alimentaire par l’incorporation d’une autre série de disciplines, telle que la physiologie sensorielle, où les chercheurs essayent de corréler les qualités organoleptiques des émulsions alimentaires (tels que le goût, l'odeur, l'effet dans la bouche, et l'aspect) avec leur composition et leur propriété physico-chimique. Actuellement, il y a une forte tendance à regrouper des domaines de recherche traditionnellement séparés, par l’établissant de corrélations parmi l'effet perçu dans la bouche (la science et la physiologie sensorielles) avec la rhéologie des émulsions (caractéristiques mécaniques), avec les caractéristiques interfaciales et physicochimiques de la phase dispersée (gouttelettes). La fabrication d'un produit alimentaire sous forme d’émulsion avec des particularités spécifiques de qualité dépend du choix de : types de matières premières les plus appropriés (par exemple, l'eau, l’huile, les émulsifiants, les agents épaississants, les sels minéraux, les acides, les bases, les vitamines, les édulcorants, les aromatisants, les colorants, les conservateurs,…) la concentration des matières première les paramètres de contrôle du procédé de fabrication, par exemple, le mélange, l’homogénéisation, la pasteurisation, la stérilisation, le refroidissement, la congélation, la cuisson,… les conditions de stockage (température, humidité exposition à la lumière,…) le transport Traditionnellement, l'industrie alimentaire s'est en grande partie fondée sur le métier et la tradition pour la formulation des produits alimentaires et l'établissement des conditions de traitement. Cette approche est peu convenable pour l'industrie alimentaire moderne, qui doit

rapidement répondre aux exigences du consommateur en matière de qualité, de sécurité et de commodité. 1.2 Définitions Une émulsion se compose de deux liquides non-miscibles (habituellement l’huile et l’eau), avec un des liquides est dispersés sous forme de petites gouttelettes sphériques (phase dispersée ou interne) dans l'autre (phase dispersante ou continue ou externe) (figure 1.1). Dans la plupart des émulsions alimentaires, les diamètres des gouttelettes se situent habituellement quelque part entre 0.1µm et 100 µm. Ces émulsions peuvent être commodément classifiées selon la distribution spatiale relative des phases huileuse et aqueuse : Un système qui se compose de gouttelettes d'huile dispersées dans une phase aqueuse s'appelle huile-dans-eau ou émulsion H/E (O/W), par exemple, le lait, la crème, les sauces de salade, la mayonnaise, les boissons, les potages, et les sauces. Un système qui se compose des gouttelettes d'eau dispersées dans une phase d'huile s'appelle eau dans huile ou émulsion E/H (W/O), par exemple, la margarine et le beurre. La substance qui compose les gouttelettes dans une émulsion est désignée sous le nom de la phase dispersée = phase discontinue ou interne, tandis que la substance qui compose le liquide environnant s'appelle la phase dispersante = continue ou externe.

Figure 1.1 : Un exemple d'une émulsion alimentaire huile en eau (sauce salade) se composant des gouttelettes d'huile dispersées dans un milieu aqueux. La concentration des gouttelettes dans une émulsion est habituellement décrite en terme de fraction de volume de phase de dispersion, φ .

En plus des émulsions classiques E/H ou H/E décrites précédemment, il est également possible de préparer divers types d’émulsions multiples de type huile-dans-eau-dans-huile (H/E/H) ou eau-dans-huile-dans-eau (E/H/E). Par exemple, une émulsion de E/H/E se compose de gouttelettes d'eau dispersées dans de plus grandes gouttelettes d'huile, qui ellesmêmes sont dispersées dans une phase continue aqueuse. Récemment, les chercheurs ont tenté de mettre au point des émulsions multiples stables qui peuvent être employées pour contrôler la libération de certains ingrédients, pour réduire la teneur en graisse des produits alimentaires en émulsion, ou pour isoler deux ingrédients l'un de l’autre qui sont susceptibles de s’interagir.

Figure 1.2 : Morphologie d’une émulsion multiple eau dans huile dans eau

2 Chapitre : Stabilité des émulsions: Le terme « stabilité des émulsions » désigne la capacité d'une émulsion à résister aux modifications de ses propriétés dans le temps. Toutes les émulsions alimentaires sont thermodynamiquement instables et se décomposeront par la suite si elles sont stockées assez longtemps. Cette instabilité est due à la division en grand nombre des gouttelettes qui font augmenter considérablement la surface de contact entre la phase dispersée et la phase dispersante. En conséquence, l’énergie de surface au niveau de l’interface huile eau devient importante. W = γ∆ S γ est le coefficient de tension interfaciale huile-eau. Vues les problèmes d’affinité entre les deux espèces huileuse et aqueuse, la surface de contact aura tendance à se réduire, et par la même l’énergie de surface. Dans cette situation l’équilibre du système biphasique est atteint lorsque la surface de contact est minimale. 2.1

Définition du coefficient de tension interfacial

Soit une lame de savon (constituée de deux faces), à l’intérieur d’un cadre métallique dont un des brins, AB est mobile( figure ci-dessous) ; si l’on suppose aucune force vers le bas sur la partie mobile, cette dernière est attirée spontanément vers le haut sous l’action des forces de tension superficielle exercée par la lame de savon. Cette force étant uniformément répartie le long, sur les deux faces de la lame. On définit le rapport :

γ =

F 2L

γ représente le coefficient de tension superficielle, il s’exprime en newton par mètre (Nm-1) ; sa valeur dépend de la nature du liquide et diminue avec la température. Dans le cas où aucune réaction ne s’exerce sur AB, au cours de son déplacement spontané, les forces de tension superficielle effectuent un travail : W=F∆ x Ce travail correspond à une libération d’énergie superficielle (analogue à l’énergie potentielle élastique d’un ressort étiré), que possédait la surface du liquide (la lame du savon ayant 2 faces) : ∆ E=F∆ x = 2γ L∆ x = γ ∆ S  γ =∆ E/∆ S

A

∆ x

B

2.2 Mécanismes d’instabilité des émulsions : Il existe une série de mécanismes physico-chimiques qui peuvent être responsables des changements des propriétés des émulsions, et donc il est nécessaire d'établir lesquels de ces mécanismes sont importants avant d’entreprendre des stratégies efficaces pour améliorer la stabilité. Un certain nombre de mécanismes physiques les plus communs qui sont responsables de l'instabilité des émulsions alimentaires sont illustrés schématiquement sur la figure 1.3.

Figure 1.3 mécanismes d’instabilité des émulsions

2.2.1 Séparation gravitationnelle : Le crémage et la sédimentation : Ce sont deux formes de séparation par effets de la pesanteur différence de densité des deux phases dispersée et dispersante.

et de

-

Le crémage décrit un mouvement ascendant des gouttelettes à cause de leur faible densité par rapport à la phase continue.

-

La sédimentation décrit un mouvement de chute des gouttelettes étant donné qu'elles ont une densité plus élevée que le liquide environnant.

Ces deux formes de séparation sont décrites par la loi de stockes donnant l’expression de la force gravitationnelle qui s’exerce sur la gouttelette en fonction des deux densités:

Où r est le rayon de la gouttelette, ρ 1 et ρ 2 sont les masses volumiques de la phase continue et dispersée respectivement. Si ρ 1 < ρ 2 alors la gouttelette se déplace vers le haut (crémage) Si ρ 1 > ρ 2 alors la gouttelette se déplace vers le bas (sédimentation)

Dans les deux cas, la particule sphérique est en mouvement, alors elle développe une résistance qui se traduit par une force de frottement visqueux. Cette friction hydrodynamique a pour expression : Où η 1 est la viscosité de la phase continue, v est la vitesse de déplacement de la gouttelette. Il est claire que le sens des deux forces sont contraires et donc lorsque la vitesse atteint une valeur terminale, le mouvement sera uniforme, si bien que cette vitesse devient constante. Ainsi, en combinant ces deux équations, on trouve :

Le signe de vsockes détermine si la goutte se déplace vers le haut (+) ou vers le bas (-). Comme première approximation, la stabilité des émulsions alimentaires du crémage peut être estimée en utilisant l’équation ci-dessus. Par exemple, une goutte huileuse (ρ 2 = 910 Kg/m3) avec un rayon de 1µm est suspendue dans de l’eau ((ρ 1 = 1000 Kg/m3, η 1= 1mPa.s) va enregistrer un taux de crémage de 17mm par jour. Une émulsion qui enregistre un taux de crémage moins de 1 millimètre par jour, peut être considérée comme stable du crémage. A noter que le crémage commence à voir lieu par la remontée des grosses gouttelettes qui forment une couche de crème, puis vient le tour des moyennes et des petites, comme c’est indiqué sur la figure ci-contre. Dans le cas où l’émulsion alimentaire est concentrée en phase dispersée, alors il convient d’utiliser une autre relation donnant l’expression de la vitesse de crémage qui tient compte des interactions inter-gouttes :

V

dispersé φ est la fraction volumique de la phase dispersée : ϕ = V

dispersant

2.2.2 Floculation et coalescence: La floculation et la coalescence sont gouttelettes.

deux types d'agrégation des

a) La floculation : Elle se produit quand deux gouttelettes ou plus se rapprochent pour former un agrégat auquel cas ces gouttelettes maintiennent leur intégrité individuelle. Selon la nature du produit alimentaire, la floculation peut être soit avantageuse ou nuisible à la qualité des émulsions. Elle accélère la vitesse de séparation par gravitation dans les émulsions diluées. Elle entraîne également une augmentation marquée de la viscosité d'émulsion, et peut même conduire à la formation d'un gel. La floculation est néfaste, dans le cas où certains produits alimentaires doivent avoir une faible viscosité. L'amélioration de la qualité des produits alimentaires à base d'émulsion dépend donc de la bonne compréhension et de la maîtrise des facteurs qui déterminent le degré de formation des floculats et de leur structure ainsi que de la force de cohésion entre les gouttelettes. Le taux de floculation dnT/dt peut être décrit par le modèle suivant :

Où nT est le nombre total des gouttelettes. F est la fréquence de collision, et E est l'efficacité de collision. Le facteur 1/2 apparaît dans l'équation, car une collision entre deux particules conduit à une réduction d'une particule dans le nombre total de particules présentes. La fréquence de collision est le nombre total de rencontres de gouttelettes par unité de temps par unité de volume d'émulsion. Tout facteur qui augmente la fréquence de collision augmente le taux de floculation. Les collisions entre les gouttelettes se produisent en raison de leur mouvement, qui peut être induit par le mouvement brownien, par séparation gravitationnelle, ou par application de forces mécaniques. La fréquence de collision brownienne Fb peut s’exprimée par la relation ci-dessous, où K est la constante de Boltzmann (K ≈ 1,381×10-23 J⋅K-1), T est la température, φ est la fraction volumique de la phase dispersée, η 1 est la viscosité du milieu continu et r est le rayon de la particule. Cette équation explique que la fréquence des collisions entre les gouttelettes peut être réduite en diminuant leur fraction volumique, par augmentation de leur taille, ou en augmentant la viscosité de la phase continue.

Fb =

Pour empêcher les gouttelettes de floculer lors d'une collision, il est nécessaire d'avoir une barrière d'énergie suffisamment élevée répulsive pour les empêcher de s'approcher trop près les unes des autres. La hauteur de cette barrière énergétique détermine la probabilité qu'une collision conduira à la floculation, appelée « l'efficacité de collision ». L'efficacité de collision, E, a une valeur comprise entre 0 (pas de floculation) et 1 (chaque collision conduit à une floculation). b) La coalescence : est le processus par lequel, deux gouttelettes ou plus, fusionnent ensemble pour former une plus grande gouttelette simple. La coalescence étendue de gouttelette peut mener par la suite à une séparation de phase. Pour éviter ce mécanisme, on solidifie le film interfacial des gouttelettes, par la présence des tensioactifs sur la surface.

Egalement, on empêche le crémage ou la sédimentation qui génèrent une élévation de la fraction volumique d’huile ( en haut ou en bas) et donc une augmentation de la fréquence de collision. La stabilité contre la coalescence peut être également améliorée en imposant dans le système des interactions répulsives suffisamment grandes pour éviter aux gouttelettes de fusionner. Ceci peut être réalisé en intervenant sur notamment : le type d'émulsifiant, le pH, la force ionique et la température. c) Le mûrissement d'Ostwald : Se produit au cours du vieillissement des émulsions. Les très petites gouttelettes sont susceptibles de se dissoudre dans la phase continue puis elles intègrent les grosses gouttelettes pour les grandir d’avantage. Ce phénomène est négligeable dans la majorité des émulsions alimentaires parce que la solubilité mutuelle des matières grasses et de l'eau est très faible. Néanmoins, il est important dans les émulsions H/E qui contiennent plus de lipides solubles dans l'eau, par exemple, les huiles aromatiques, ou lorsque la phase aqueuse contient de l'alcool.