Dans les crèmes glacées, les petits cristaux de glace ronds sont importants pour une texture douce et crémeuse. En général, il est admis que plus la vitesse de congélation est rapide, plus la taille des cristaux de glace est petite. Pourtant, pour certaines matières alimentaires, il existe une limite supérieure pour le taux de congélation. Si la congélation est trop rapide, des contraintes mécaniques sont imposées au matériau alimentaire et des fractures de congélation peuvent se produire. Dans quelques cas, le processus de congélation est utilisé pour structurer des matériaux, comme le plat traditionnel japonais kori-tofu, ou des échafaudages utilisés dans l’ingénierie des tissus biologiques. Il y a quelques années, la WUR, en collaboration avec l’Université technique de Delft et Unilever, a étudié l’utilisation de la lyophilisation pour structurer des soupes de légumes. Ici, la taille des cristaux de glace détermine la taille de l’espace poreux après le séchage, et aide à la réhydratation des légumes lorsqu’ils sont mélangés à la soupe.
Relation entre la taille des cristaux de glace et la vitesse de congélation
Donc, du point de vue de la qualité des aliments congelés, il est important d’avoir une bonne connaissance de la relation entre la taille des cristaux de glace et la vitesse de congélation. Cependant, il n’existe que quelques relations empiriques entre la vitesse de congélation et la taille des cristaux de glace. En outre, pour les aliments manufacturés, d’autres moyens sont utilisés pour contrôler la taille des cristaux de glace, tels que les cryoprotecteurs comme les sucres et les protéines antigel. Cela indique que l’on peut s’attendre à une interaction entre la composition de la matière alimentaire, la vitesse de congélation et la taille des cristaux de glace, mais que dans les relations empiriques, la dépendance de la composition de l’aliment est absente. Par conséquent, Food & Biobased Research a engagé un projet de recherche ciblé sur une compréhension plus théorique de la relation entre le taux de congélation, la composition et la taille des cristaux de glace en utilisant des simulations informatiques avancées.
Modèle de champ de phase pour la croissance des cristaux de glace
Pour obtenir ce détail de compréhension, nous devons plonger dans la gamme micrométrique de la microstructure des aliments, où les cristaux de glace individuels sont résolus dans le modèle informatique développé, où la croissance des cristaux est modélisée en fonction de la composition de la matrice. La méthode la plus avancée dans ce domaine est le modèle de champ de phase, que nous avons utilisé pour décrire la structuration des dispersions comme les mousses et les émulsions, stabilisées par des émulsifiants. Dans la méthode du champ de phase, on peut modéliser simultanément plusieurs éléments individuels des dispersions, tels que les gouttelettes d’émulsion, les bulles de mousse et les cristaux. La méthode permet facilement la rupture et la coalescence de ces éléments dispersés.
La force de la méthode réside dans la façon dont elle traite l’interface entre les phases dispersées et continues. Ici, la méthode suit la proposition d’un célèbre physicien néerlandais, vanderWaals, d’inclure l’interface dans un cadre thermodynamique. En utilisant la méthode du champ de phase, nous avons construit un modèle informatique pour la description des cristaux de glace dans une solution de saccharose, dont le comportement peut être considéré comme représentatif de la crème glacée3. Dans des recherches antérieures, nous avons déjà clarifié la thermodynamique des solutions aqueuses de saccharose4, ainsi que la vitesse de transport de l’eau dans une solution de sucre par diffusion5. Ainsi, pour ces propriétés matérielles, nous disposons de théories prédictives en fonction de la concentration en saccharose pour toute la gamme de 0 à 100%.
Taux de congélation, composition et taille des cristaux de glace
Après avoir développé le modèle informatique, nous avons effectué plusieurs simulations informatiques pour étudier la relation entre le taux de congélation, la composition et la taille des cristaux de glace. Nous avons zoomé sur une petite partie de la matière alimentaire et avons ensemencé plusieurs noyaux pour que les cristaux de glace se développent. Cette partie du matériau alimentaire a ensuite été soumise à une gamme de taux de congélation. Des simulations ont été effectuées pour deux concentrations différentes de saccharose – et une multitude de positions aléatoires différentes des noyaux – afin d’obtenir de bonnes statistiques.
Des captures d’écran de ces simulations informatiques sont présentées dans la figure 1. Les éléments dispersés en bleu foncé sont des cristaux de glace individuels. Le taux de congélation n’est pas très rapide, on peut donc supposer que les cristaux de glace restent approximativement sphériques. Pour comprendre les résultats de la simulation, il est important de savoir que les cristaux de glace ne contiennent pas de sucre, donc la croissance des cristaux de glace implique l’augmentation des concentrations de sucre dans la phase non gelée. L’augmentation de la concentration en sucre conduit à une augmentation du point de congélation, laissant la matrice continue non congelée.
Figure 1 : Instantanés de la croissance des cristaux de glace dans une solution de sucre obtenus via des simulations informatiques pour différents taux de congélation (0,01, 0,03 et 0,10 K/s de haut en bas) observés à différents moments (de gauche à droite). Observez la coalescence de plusieurs cristaux de glace, en particulier au faible taux de congélation (en haut)
Si la congélation se poursuit, les cristaux de glace peuvent empiéter les uns sur les autres, provoquant une augmentation de la concentration en sucre dans le liquide non congelé entre eux, ce qui entraîne une dépression du point de congélation. Par conséquent, une interface plate se développe. Si la vitesse de congélation est trop lente, les sucres ont le temps de diffuser hors de la zone d’impact et les cristaux peuvent coalescer. Au début de la congélation, lorsque l’augmentation locale de la concentration en sucre due à la croissance des cristaux de glace est faible, il y a plusieurs événements de coalescence. Dans la dernière étape de la congélation, la matrice non congelée se rapproche de l’état vitreux – où la diffusion de l’eau et du sucre s’arrête et la croissance des cristaux de glace s’arrête.
À partir des simulations, nous avons déterminé la taille moyenne des cristaux de glace et nous l’avons tracée en fonction de la vitesse de congélation imposée pour deux concentrations différentes de saccharose. Ces résultats sont présentés dans la figure 2.
Une dispersion considérable peut être observée dans les données de simulation, en raison de la stochastique du processus de nucléation. Cependant, en effectuant de nombreuses simulations, on peut ajuster une relation de loi de puissance fiable à travers les données, qui sont affichées comme les lignes passant par les points de données dans la figure 2 (page 00). L’ajustement montre que les exposants de la loi de puissance sont de 0,31 et 0,18 pour une concentration initiale de sucre de 10 % et 15 %, respectivement. Notre relation empirique précédente a un exposant de loi de puissance de 0,25, qui était supposé être indépendant de la composition. Le fait que la valeur empirique soit assez proche des exposants que nous avons trouvés par simulation est très encourageant. En outre, il convient de noter que le modèle de simulation n’a pas nécessité d’ajustement de paramètres, car toutes les propriétés matérielles et thermodynamiques sont connues.
Figure 2 : Taille moyenne des cristaux de glace en fonction du taux de congélation, pour deux concentrations initiales de sucre différentes (10% et 15%, indiquées par la ligne pleine et la ligne pointillée). Le rayon est mesuré en unités de la maille de calcul, qui est d’environ 3 microns, et le taux de congélation 1/tcool est mesuré en termes de taux de diffusion de l’eau 1/tD. (à 0,01K/s si tD/tcool=1) Les points indiquent la taille moyenne d’une seule simulation. Les lignes représentent des relations de loi de puissance, ajustées aux données de simulation
Questions de qualité alimentaire pour les fruits et légumes congelés
Aliments & La recherche biosourcée conclut que le modèle présente effectivement un grand degré de réalisme. En outre, des théories prédictives similaires sur les propriétés matérielles et thermodynamiques sont disponibles pour de nombreux autres matériaux alimentaires. Par conséquent, le modèle est, en principe, applicable à une multitude d’autres matériaux alimentaires. Sur cette base, nous avons lancé un nouveau projet de recherche qui continue à développer et à adapter le modèle aux matériaux alimentaires congelés à structure cellulaire afin d’étudier les problèmes de qualité des aliments congelés pour les fruits et légumes. Le modèle de champ de phase sera intégré dans un modèle multi-échelle – car dans les produits alimentaires, des différences locales de taux de congélation apparaîtront – qui doit être résolu par une approche avancée, où le profil de température est calculé à l’échelle du produit, et la croissance des cristaux de glace à l’échelle microscopique. Le modèle informatique à grande échelle appelle le modèle à petite échelle plusieurs fois pour une multitude d’endroits. Le modèle à micro-échelle rapportera la fraction de glace locale, tandis que le modèle à macro-échelle émettra le gradient de température appliqué au modèle à micro-échelle.
Dans ce nouveau projet, Food & Biobased Research, nous ne nous concentrerons pas seulement sur l’étape initiale de congélation, mais aussi sur le stockage congelé. Pendant le stockage, des fluctuations de température peuvent se produire en raison du refroidissement mécanique, ou de l’ouverture et de la fermeture des portes. On suppose que ces fluctuations de température permettent aux cristaux de glace de se développer davantage, ce qui est désavantageux pour la qualité du produit6. Nous cherchons à savoir si l’abaissement de la température de stockage rend les aliments moins sensibles aux fluctuations de température, et même si une réduction de la consommation d’énergie peut être obtenue. De plus, même lorsque la température de stockage est raisonnablement constante, il y a toujours un grossissement de la distribution des cristaux de glace qui se produit pendant le stockage dans les conditions conventionnelles de -18°C. Ceci est démontré dans la comparaison des aliments avec les aliments de la même catégorie. Ceci est illustré par la comparaison d’aliments congelés par air comprimé et par congélation par déplacement de pression (PSF). Initialement, la taille des cristaux de glace obtenus par PSF est beaucoup plus petite que celle obtenue par congélation conventionnelle par air comprimé. Cependant, après plusieurs semaines de stockage, on constate peu de différence dans la distribution finale de la taille des cristaux de glace, ce qui indique qu’un grossissement s’est produit pendant le stockage des aliments PSF7.
En résumé, le nouveau modèle de simulation est un outil essentiel pour plonger dans les moyens possibles pour l’industrie des aliments surgelés de contrôler la texture des aliments surgelés et la taille des cristaux de glace, dans des domaines tels que 1) la formulation du produit, 2) les conditions de traitement et le taux de congélation. Connaissant l’impact de la formulation et du traitement sur la qualité des aliments congelés, de nouvelles stratégies de stockage congelé peuvent être évaluées en raison de leur impact à la fois sur la qualité du produit et sur les économies d’énergie.
- Voda, A., Homan, N., Witek, M., Duijster, A., van Dalen, G., van der Sman, R., Nijsse, J, van Vliet, L. Van As, H. & van Duynhoven, J. (2012). L’impact de la lyophilisation sur la microstructure et les propriétés de réhydratation de la carotte. Food Research International, 49(2), 687-693
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- Regand, A & Goff HD. « Structure et recristallisation de la glace dans des systèmes modèles de crème glacée stabilisée congelée ». Food Hydrocolloids1 (2003) : 95-102
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A propos de l’auteur
Ruud van der Sman a un MSc en physique appliquée à l’Université de technologie de Delft et un doctorat en ingénierie agricole à l’Université de Wageningen. Il travaille comme chercheur principal à Food & Biobased Research, et professeur assistant à temps partiel à Food Process Engineering – tous deux faisant partie de Wageningen UR (University & Research centre). Ses recherches portent sur la physique de la matière molle des matériaux alimentaires, la modélisation informatique de la structuration des aliments à l’échelle micrométrique et la modélisation de la physiologie. Son expertise dans le domaine de la viande comprend la thermodynamique de la capacité de rétention d’eau, le transfert de chaleur et de masse et la physiologie post-mortem. www.wageningenur.nl/en/fbr