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Etude des propriétés physico-chimiques et ...bictel-fusagx.ulg.ac.be/ETD-db/collection/available/FUSAGxetd... · COMMUNAUTE FRANCAISE DE BELGIQUE ACADEMIE UNIVERSITAIRE WALLONIE-EUROPE

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COMMUNAUTE FRANCAISE DE BELGIQUE

ACADEMIE UNIVERSITAIRE WALLONIE-EUROPE

UNIVERSITE DE LIEGE–GEMBLOUX AGRO-BIO TECH

Etude des propriétés physico-chimiques et

technofonctionnelles des crèmes végétales en

relation avec les conditions de reconstitution

Prudent Placide ANIHOUVI

Dissertation originale présentée en vue de l’obtention du grade de

docteur en sciences agronomiques et ingénierie biologique

Promoteur : Pr. C. Blecker

2011

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Résumé :

Au cours de ce travail, une approche intégrée a été adoptée pour étudier les crèmes

végétales dans le but d’avoir une compréhension globale de leurs propriétés. Cette approche a

inclus aussi bien l’influence de la MG et des autres ingrédients de la formulation,

particulièrement celle d’un tensioactif de faible poids moléculaire, le tween 60, que celle du

procédé de fabrication mis en œuvre pour leur préparation.

L’effet de la MG a été traité en adoptant une approche originale qui à consisté à

étudier à la fois le comportement thermique et structural de la MG non émulsionnée (MGNE)

et de la MG émulsionnée (MGE), ce qui a permis de mettre clairement en évidence l’impact

des caractéristiques physico-chimiques de la MG sur les propriétés physico-chimiques et

technofonctionnelles des crèmes. Il est bien établi que de petites différences dans la

composition des MG peuvent avoir de grandes répercussions dans le comportement

technofonctionnel des crèmes. L’influence de la MG sur les propriétés finales des crèmes a

été marquée principalement à travers le comportement de la MG en cristallisation et en fusion,

et à travers les variétés cristallines formées lors de la maturation. L’effet de la température sur

la stabilité des crèmes en fonction de l’évolution physique de la MG a été également mis en

évidence.

L’ajout du tween 60 à la formulation améliore de façon significative les propriétés de

granulométrie, de rhéologie, de stabilité et de foisonnement des crèmes. Cette amélioration

des propriétés des crèmes résulte non seulement de l’effet synergique des molécules

tensioactives du babeurre et celles du T60 pendant l’émulsification mais aussi du déplacement

des protéines des surfaces des globules et de la modification du comportement à la

cristallisation de la MGE.

L’influence du procédé a montré que le choix de l’outil d’émulsification ainsi que les

paramètres opératoires sont effectivement des éléments importants à considérer dans la

reconstitution des crèmes. Nous avons montré qu’il est possible de moduler les propriétés des

crèmes en jouant uniquement sur le procédé.

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Summary :

In this work, an integrated approach was adopted to study vegetal creams in order to

have a global understanding of their properties. This approach included: (i) the influence of

fat and other ingredients of the formulation, particularly a low molecular weight surfactant,

Tween 60 (ii) and the manufacturing process implemented for their preparation.

The effect of fat was investigated by adopting an original approach that consisted in

studying both the thermal and structural behavior of the non-emulsified fat (NEF) and the

emulsified fat (EF). This clearly demonstrated the impact of the physicochemical

characteristics of fat on the physicochemical and technofunctional properties of creams. It

well established that small differences in the composition of fats may have great effects on the

technofunctional behavior of creams. The influence of fat on the final properties of creams

was mainly marked through the crystallization and melting behaviors of fat, and through the

crystalline varieties formed during maturation. The effect of temperature on the stability of

creams based on the physical evolution of the fat was also highlighted.

The addition of tween 60 to the formulation significantly improved the properties of

particle size, rheology, stability and whipping of creams. This improvement was the result of

not only synergistic effect of surfactant molecules of buttermilk and tween 60 during

emulsification but also desorption of proteins from the drop surfaces and modification of

crystallization of the EF.

The study of the influence of the process showed that the choice of the emulsification

method and operating parameters are important considerations in the reconstitution of creams.

It was shown that it was possible to modulate the properties of creams by only modifying the

process.

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Table des matières

Introduction générale .......................................................................................... 1

Chapitre 1 : Etude bibliographique ................................................................... 5

1.1. Les émulsions .................................................................................................................. 5

1.1.1. Généralités ................................................................................................................ 5

1.1.1.1. Définition…………………………………………………………………… .. 5

1.1.1.2. Principe de formation et de stabilisation des émulsions…………………… ... 5

1.1.2. Mécanismes de déstabilisation des émulsions ......................................................... 6

1.1.2.1. La coalescence…………………………………………………………….. ..... 7

1.1.2.2. La coalescence partielle…………………………………………………… .... 8

1.1.2.3. Le crémage…………………………………………………………………. . 10

1.1.2.4. La floculation……………………………………………………………… .. 11

1.1.2.5. Le mûrissement d’Ostwald………………………………………………… .. 12

1.1.2.6. L’inversion de phases………………………………………………………...13

1.1.3. Facteurs de déstabilisation des émulsions .............................................................. 13

1.2. Les crèmes végétales : Influence de divers paramètres sur leurs propriétés physico-

chimiques et technofonctionnelles ....................................................................................... 14

1.2.1. Introduction ............................................................................................................ 14

1.2.2. Propriétés granulométriques des crèmes ................................................................ 17

1.2.2.1. Caractérisation de la granulométrie……………………………………….. ... 17

1.2.2.2. Paramètres influençant la granulométrie des crèmes……………………… .. 18

1.2.2.2.1. Paramètres liés à la formulation .............................................................. 18

1.2.2.2.2. Paramètres liés au procédé d’émulsification et la maturation ................ 23

1.2.3. Propriétés rhéologiques des crèmes ....................................................................... 25

1.2.3.1. Comportement rhéologique des crèmes…………………………………… .. 25

1.2.3.2. Facteurs influençant la rhéologie des crèmes……………………………… .. 27

1.2.3.2.1. Distribution des globules gras et leur dépendance du cisaillement ......... 27

1.2.3.2.2. Paramètres liés à la formulation .............................................................. 28

1.2.3.2.3. Paramètres liés aux conditions d’émulsification et de maturation .......... 32

1.2.4. Propriétés de stabilité des crèmes ........................................................................... 34

1.2.4.1. Généralités………………………………………………………………… ... 34

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1.2.4.2. Facteurs influençant la stabilité des crèmes………………………………… 35

1.2.4.2.1. Paramètres liés à la formulation .............................................................. 35

1.2.4.2.2. Effet de la température ............................................................................. 37

1.2.5. Propriétés de foisonnement des crèmes ................................................................. 38

1.2.5.1. Généralités………………………………………………………………… ... 38

1.2.5.2. Caractérisation du foisonnement des crèmes……………………………… .. 39

1.2.5.2.1. Pouvoir foisonnant des crèmes ................................................................ 39

1.2.5.2.2. Stabilité et texture des mousses ................................................................ 40

1.2.5.3. Facteurs affectant l’aptitude au foisonnement et la stabilité des crèmes

foisonnées………………………………………………………………………….. ... 40

1.2.5.3.1. Paramètres liés à la formulation .............................................................. 41

1.2.5.3.2. Paramètres liés au procédé ...................................................................... 43

1.3. Cristallisation de la matière grasse ................................................................................ 46

1.3.1. Cristallisation en phase anhydre ............................................................................. 46

1.3.2. Spécificités de la cristallisation de la MG émulsionnée ......................................... 48

1.3.2.1. Généralités………………………………………………………………… ... 48

1.3.2.2. Facteurs influençant la cristallisation de la MG en émulsion…………….. ... 49

1.3.3. Comportement thermique et polymorphisme ......................................................... 51

1.4. Conclusion ..................................................................................................................... 54

Objectifs et stratégie .......................................................................................... 56

Chapitre 2 : Caractérisation des matières premières ; préparation,

formulation et étude des propriétés physico-chimiques et

technofonctionnelles des crèmes ...................................................................... 59

2.1. Caractérisation des matières premières ......................................................................... 59

2.1.1. Etude des propriétés interfaciales du babeurre et du tween 60 .............................. 60

2.1.2. Etude des MG anhydres (non émulsionnées) ......................................................... 62

2.1.2.1. Détermination de la composition en AG………………………………….. ... 62

2.1.2.2. Détermination de la composition en triacylglycérols……………………… .. 63

2.1.2.3. Détermination de la teneur en MG solides………………………………… .. 63

2.1.2.4. Détermination du profil de fusion des MG……………………………….. ... 64

2.1.2.5. Détermination du profil de cristallisation des MG………………………… .. 66

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2.1.2.6. Détermination des formes polymorphiques et des types d’empilement par

DRX de poudres…………………………………………………………………… ... 66

2.1.2.7. Etude de l’évolution polymorphique en mode dynamique par DRX de

poudres…………………………………………………………………………….. ... 68

2.1.2.8. Etude de la stabilité polymorphique par DRX de poudres…………………...69

2.2. Formulation et procédé de reconstitution des crèmes ................................................... 71

2.2.1. Formulation des crèmes.......................................................................................... 71

2.2.2. Procédés de reconstitution des crèmes ................................................................... 73

2.2.2.1. Procédé usuel par Ultra-turrax……………………………………………. ... 73

2.2.2.2. Procédé avec microfluidiseur……………………………………………… .. 74

2.3. Caractérisation des crèmes ............................................................................................ 76

2.3.1. Caractérisation rhéologique .................................................................................... 76

2.3.2. Caractérisation granulométrique ............................................................................ 77

2.3.3. Etude de la microstructure ...................................................................................... 77

2.3.4. Caractérisation de la stabilité au cours du temps ................................................... 78

2.3.5. Propriétés de foisonnement .................................................................................... 78

2.3.5.1. Aptitude au foisonnement………………………………………………… ... 78

2.3.5.2. Stabilité des crèmes foisonnées…………………………………………… ... 79

2.3.5.3. Texture des crèmes foisonnées : mise au point de la méthode de

caractérisation……………………………………………………………………… ... 80

2.3.5.3.1. Préparation des échantillons ................................................................... 80

2.3.5.3.2. Méthode de caractérisation ...................................................................... 80

2.4. Etude de la stabilité des crèmes face aux variations de la température ......................... 83

2.4.1. Etude de la sensibilité des crèmes à la gélification en conditions de cisaillement . 84

2.4.2. Etude de la sensibilité des crèmes à la gélification en conditions statiques ........... 84

2.5. Etude des MG émulsionnées ......................................................................................... 86

2.5.1. Etude du comportement thermique de la phase aqueuse ........................................ 86

2.5.2. Etude des MG émulsionnées par ACD .................................................................. 86

2.5.2.1. Etude des courbes de fusion des MG émulsionnées………………………. .. 87

2.5.2.2. Etude des courbes de cristallisation des MG émulsionnées………………. ... 87

2.5.3. Etude des MG émulsionnées par pRMN ................................................................ 87

2.5.4. Etude des MG émulsionnées par DRX .................................................................. 88

2.5.4.1. Etude des cristaux de MG des crèmes…………………………………….. ... 88

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2.5.4.2. Evolution polymorphique des cristaux gras des crèmes pendant le

chauffage…………………………………………………………………………… .. 89

2.6. Etude de la maturation des crèmes ................................................................................ 89

2.6.1. Effet de la vitesse de refroidissement sur la cristallisation des crèmes .................. 89

2.6.2. Effet de la durée de tempérage sur la cristallisation des crèmes ............................ 89

2.7. Influence des autres éléments de la formulation sur les propriétés finales des crèmes. 90

Chapitre 3 : Caractérisation des matières premières .................................... 92

3.1. Introduction ................................................................................................................... 92

3.2. Etude des propriétés interfaciales du babeurre et du tween 60 ..................................... 92

3.3. Etude des MG anhydres (non émulsionnées) ................................................................ 96

3.3.1. Composition en acides gras et en triacylglycérols ................................................. 96

3.3.2. Teneur en MG solides des MG ............................................................................ 100

3.3.3. Détermination des zones de fusion des MG ......................................................... 101

3.3.3.1. Profils ACD de 2ème fusion………………………………………………. 101

3.3.3.2. Profils ACD de 1ère fusion……………………………………………….. . 103

3.3.4. Etude des courbes de cristallisation des MG ........................................................ 105

3.3.5. Détermination des formes polymorphiques par diffraction aux rayons X ........... 107

3.3.6. Etude de l’évolution des formes cristallines en mode dynamique ....................... 111

3.3.6.1. Formes polymorphiques des MG après un refroidissement rapide……….. . 111

3.3.6.2. Formes polymorphiques des MG après un tempérage de 24 h à 4°C…….. . 114

3.3.7. Stabilité polymorphique des MG sous différentes conditions de tempérage ....... 116

3.4. Conclusion ................................................................................................................... 133

Chapitre 4 : Mise en œuvre des MG dans un modèle simplifié de crème

végétale ............................................................................................................. 136

4.1. Introduction ................................................................................................................. 136

4.2. Caractérisation granulométrique ................................................................................. 136

4.3. Caractérisation rhéologique ......................................................................................... 142

4.4. Evaluation de la stabilité au cours du temps ............................................................... 151

4.5. Propriétés de foisonnement ......................................................................................... 155

4.4. Conclusion ................................................................................................................... 160

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Chapitre 5 : Etude du comportement thermique et structural des MG

émulsionnées préparées selon le modèle simplifié ........................................ 164

5.1. Introduction ................................................................................................................. 164

5.2. Etude des MG émulsionnées par pRMN ..................................................................... 165

5.3. Etude des MG émulsionnées par ACD ....................................................................... 167

5.3.1. Etude des courbes de fusion ................................................................................. 167

5.3.2. Etude des courbes de cristallisation ..................................................................... 172

5.4. Etude des MG émulsionnées par DRX ....................................................................... 178

5.4.1. Validation de la méthode de mesure des cristaux de la MG anhydre sur la MG

émulsionnée .................................................................................................................... 179

5.4.2. Etude des cristaux de MG des crèmes .................................................................. 182

5.4.3. Evolution polymorphique des cristaux gras des crèmes pendant le chauffage .... 187

5.5. Conclusion ................................................................................................................... 191

Chapitre 6 : Etude de la stabilité des crèmes face aux variations de la

température ...................................................................................................... 194

6.1. Introduction ................................................................................................................. 194

6.2. Etude de la sensibilité des crèmes à la gélification en conditions de cisaillement ...... 194

6.2.1. Description de la gélification des crèmes : conditions de survenue du phénomène

........................................................................................................................................ 195

6.2.2. Influence de la taille des globules ........................................................................ 197

6.2.3. Influence de la température et de la durée de tempérage ..................................... 202

6.2.4. Origine de la gélification des crèmes ................................................................... 206

6.2.5. Mécanisme de gélification des crèmes ................................................................. 209

6.3. Etude de la sensibilité des crèmes à la gélification en conditions statiques ................ 212

6.3.1. Influence du taux de solide après le traitement thermique sur la gélification des

crèmes ............................................................................................................................. 213

6.3.2. Granulométrie des crèmes traitées thermiquement .............................................. 215

6.3.3. Cristallisation de la MG dans les globules gras au cours des traitements thermiques

........................................................................................................................................ 217

6.3.4. Mécanisme de gélification des crèmes ................................................................. 222

6.4. Conclusion ................................................................................................................... 223

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Chapitre 7 : Validation des résultats obtenus avec le modèle simplifié sur le

modèle industriel ............................................................................................. 226

7.1. Introduction ................................................................................................................. 226

7.2. Etude de quelques propriétés technofonctionnelles des crèmes commerciales .......... 227

7.2.1. Caractérisation granulométrique .......................................................................... 227

7.2.2. Caractérisation rhéologique .................................................................................. 229

7.2.3. Propriétés de foisonnement .................................................................................. 233

7.3. Effet de la température sur la stabilité des crèmes ...................................................... 234

7.4. Etude du comportement thermique et structural des crèmes commerciales ............... 237

7.4.1. Comportement thermique ..................................................................................... 237

7.4.2. Comportement structural ...................................................................................... 240

7.5. Conclusion ................................................................................................................... 244

Chapitre 8 : Complexification du modèle d’étude : influence des autres

éléments de la formulation sur les propriétés finales

des crèmes......................................................................................................... 247

8.1. Introduction ................................................................................................................. 247

8.2. Influence des autres éléments de la formulation sur les propriétés des crèmes .......... 247

8.2.1. Influence des autres éléments de la formulation sur la granulométrie des crèmes

........................................................................................................................................ 248

8.2.2. Influence des autres éléments de la formulation sur la viscosité des crèmes ....... 249

8.2.3. Influence des autres éléments de la formulation sur la stabilité des crèmes ........ 253

8.3. Influence de l’ajout du tween 60 sur les propriétés des crèmes .................................. 255

8.3.1. Influence de l’ajout du tween 60 sur la granulométrie des crèmes ...................... 255

8.3.2. Influence de l’ajout du tween 60 sur la rhéologie des crèmes.............................. 258

8.3.3. Influence de l’ajout du tween 60 sur la stabilité des crèmes ................................ 262

8.3.4. Influence de l’ajout du tween 60 sur les propriétés de foisonnement des crèmes 265

8.3.5. Amélioration des propriétés des crèmes par le tween 60 : test des hypothèses ... 267

8.3.5.1. Etude du polymorphisme des crèmes complexifiées……………………… 267

8.3.5.2. Etude des profils de fusion et de cristallisation des crèmes complexifiées.. . 269

8.4. Conclusion ................................................................................................................... 271

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Chapitre 9 : Influence du procédé d’émulsification sur les propriétés

finales des crèmes ............................................................................................ 273

9.1. Introduction ................................................................................................................. 273

9.2. Influence des conditions de microfluidisation sur l’état des crèmes ........................... 274

9.3. Influence des paramètres du procédé sur les propriétés finales des crèmes ................ 279

9.3.1. Influence des paramètres du procédé sur la granulométrie des crèmes ............... 280

9.3.2. Influence des paramètres du procédé sur la rhéologie des crèmes ....................... 284

9.4. Conclusion ................................................................................................................... 289

Chapitre 10 : Etude de la maturation des crèmes ........................................ 291

10.1. Introduction ............................................................................................................... 291

10.2. Effet de la vitesse de refroidissement sur la cristallisation des crèmes ..................... 292

10.3. Effet de la durée de maturation sur la cristallisation des crèmes .............................. 297

10.4. Conclusion ................................................................................................................. 300

Conclusions générales ..................................................................................... 301

Références bibliographiques .......................................................................... 312

Annexes