Influence de la composition sur la cristallisation du beurre de cacao
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Influence de la composition sur la cristallisation du beurre de cacao
La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 Influence de la composition sur la cristallisation du beurre de cacao Paul S. DIMICK Pennsylvania State University, College of agricultural Science, Dept. of food Science, University Park, USA Introduction Lors de la formulation et la fabrication industrielle du chocolat, l’ingrédient le plus important est le beurre de cacao. Economiquement, il s’agit de l’ingrédient le plus coûteux dans le chocolat puisqu’il intervient à hauteur d’un tiers dans le prix du produit fini. De plus, des matières grasses additionnelles sont nécessaires dans la formulation car les fèves de cacao n’apportent pas suffisamment de beurre de cacao pour fabriquer le chocolat. Selon l’origine, la composition et les caractéristiques de dureté du beurre de cacao peuvent varier considérablement (1). Durant la fabrication, le processus de cristallisation influence largement les propriétés rhéologiques du produit, lesquelles agissent à leur tour sur la viscosité, le démoulage (contraction), le croquant, la brillance et les caractéristiques de fonte pour la tablette finale. C’est pourquoi il apparaît important d’étudier cette composante “grasse” puisqu’elle intervient sur le comportement du chocolat durant la fabrication et le stockage. L’objectif de l’article est de présenter les effets des composés lipidiques mineurs sur la cristallisation du beurre de cacao avant d’aborder le mécanisme de la cristallisation des lipides dans le cas du beurre de cacao non raffiné. La majorité des matières grasses et des huiles utilisées en tant qu’ingrédient alimentaire sont raffi- nées à l’issue de l’extraction initiale. Le procédé de raffinage peut comporter des étapes de blanchiment, de dégommage, d’alcalinisation, de désodorisation, de fractionnement, d’hydrogénation et éventuellement d’interestérification. Ces traitements réduisent généralement la fraction d’acides gras libres et permettent d’éliminer les composés les plus polaires tels que les phosphatides, les glycolipides, les substances protéagineuses et mucilagineuses. Ainsi, lorsque l’on tente de comprendre le processus de solidification de graisses ou d’huiles raffinées, on se trouve en fait face à un système composé pour l’essentiel de triacylglycérol pur. C’est d’ailleurs ce qui a récemment été montré lors du raffinage du beurre de cacao (2). L’allure de la cristallisation d’un beurre de cacao ayant subi un raffinage classique se caractérise par une réduction de la période d’induction de la cristallisation et par une augmentation de la vitesse de croissance des cristaux. (figure 1). Le beurre de cacao est obtenu par un pressage hydraulique des cotylédons de fèves de cacao, appelés “nibs”, ou, plus spécifiquement à l’issue du pressage de la pâte de cacao. Ce produit non raffiné contient de nombreuses sortes de lipides, autres que les seuls triacylglycérols, ce qui donne un mélange particulièrement complexe (3) (tableau 1). Afin de mieux comprendre le processus de cristallisation d’un tel mélange hétérogène, des connaissances autres que celles fournies par l’étude de systèmes modèles sont nécessaires. 33 La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 Absorbance (500 nm) 2 Non raffiné DCWBDe DCWB CWB CWD 1 0 15 35 55 75 95 115 135 155 175 195 215 235 255 275 295 315 335 Temps (min) Figure 1 : Courbes de cristallisation de beurres de cacao raffinés ou non raffinés provenant du Brésil (Bahia) ; illustration de l’effet du raffinage sur la période d’induction de la cristallisation (1). 1 Absorbance (550 nm) 3 Croissance secondaire 2 Nucléation et Période d'induction secondaire croissance des cristaux L’étude de la croissance des cristaux à des fins de purification fait l’objet d’investigations depuis le début du XVIe siècle. Les noyaux se définissent comme des agrégats contenant au moins le nombre d’atomes ou de molécules qui déterminent la maille cristalline élémentaire (4). Les phénomènes de nucléation sont de nature homogène ou hétérogène. Lorsque la nucléation se produit dans une solution pure, on parle de nucléation homogène. Ceci se produit en l’absence de particules “étrangères” dans la solution, qui pourraient agir comme support de nucléation. Cependant, de nombreuses matières grasses naturelles contiennent des substances endogènes Classe de lipides Triacylglycérols Diacylglycérols Monoacylglycérols Acides gras libres Stérols Glycolipides Phospholipides Gamme % en poids Moyenne % en poids 96.21 - 97.30 0.80 - 1.79 0.02 - 0.04 0.88 - 1.46 0.10 - 0.14 0.30 - 0.80 < 0.10 - 0.20 96.97 1.30 0.03 1.17 0.12 0.46 0.10 (a) Beurres issus de 6 pays d’origine différents Tableau 1 : Composition lipidique du beurre de cacao (a) 34 (provenant de la plante) qui peuvent intervenir comme sites de nucléation et rendre alors la nucléation hétérogène. Ces deux types de nucléation initient la cristallisation et correspondent ainsi au phénomène de cristallisation dite primaire. Lorsque la matière grasse cristallise, les surfaces des cristaux peuvent à leur tour agir comme catalyseur pour la cristallisation secondaire. Durant cette phase secondaire, des cristaux de matière grasse constitués de plusieurs composants peuvent se former. Il s’agit sans doute du processus intervenant lors de la solidification du beurre de cacao non raffiné. La solidification relève d’étapes primaire, secondaire et tertiaire (figure 2). Nucléation secondaire Croissance primaire 1 Période d'induction primaire Nucléation primaire 0 0 100 200 300 400 500 600 Temps (min.) Figure 2 : Phénomènes de cristallisation intervenant pendant la solidification du beurre de cacao. Une période d’induction correspondant à un refroidissement de la solution précède l’initiation de la cristallisation. Cette étape primaire ou de nucléation engendre la solidification de moins d’1 % de la solution (5). L’énergie requise pour une agrégation tridimensionnelle et une orientation des molécules de la solution sous forme de noyaux est supérieure à l’énergie nécessaire au dépôt de molécules à la surface des noyaux. La croissance cristalline se caractérise donc par une croissance rapide des noyaux mais est dépendante du nombre de noyaux, de la surface spécifique, des caractéristiques chimiques et de la vitesse de refroidissement. La croissance cristalline se poursuit jusqu’à ce que les agrégats de matière grasse se touchent. Cela se produit normalement lorsque 50 à 70 % de la solution est solidifié (6). Enfin, l’étape tertiaire est atteinte et c’est ce que l’on appelle le croûtage. A ce stade, il se forme des ponts entre les cristaux de matière grasse et il en résulte un beurre de cacao solide. La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 2 Morphologie des cristaux sion des cristaux d’origine augmente ainsi que leur nombre. Au bout de 10 heures, la taille des cristaux est d’environ 25 à 50 µm et leur forme est du type “aiguille”. La microscopie électronique à balayage ou en lumière polarisée est utilisée pour visualiser le beurre de cacao durant la cristallisation (figure 3). Dans nos premières études, les caractéristiques visuelles des cristaux obtenus à partir d’un beurre de cacao ont été examinées durant une cristallisation statique (7). De nombreuses structures cristallines ont été identifiées : “trempe”, “individuelle”, “paillette”, “lame”, “épineux”, “aiguille”, “nœud papillon”. En lumière polarisée, et dans des conditions de cristallisation statique ou dynamique, les processus de solidification du beurre de cacao sont sensiblement différents et la nature des cristaux obtenus peut varier (8). Une série de cristallisations réalisées à 25°C durant 3 à 10 heures par intervalles d’une heure est présentée figure 4. Les structures cristallines ne sont pas très apparentes avant 3 heures ; celles qui se forment dans les 3 premières heures ne dépassent pas 10 µm et restent finalement peu nombreuses. Lorsque l’incubation statique continue, la dimen- Figure 4 : Structures cristallines lors d’une cristallisation statique à 25°C de 3 à 10 heures par intervalles d’1 heure, montrant la formation de cristaux en sphérulites (8). Figure 3 : Vues microscopiques en lumière polarisée de la croissance cristalline, depuis le germe cristallin en forme de tubule ou “nœud-papillon” jusqu’au cristal en sphérulite ou en “paillettes” (A, C, E, G). Les mêmes cristaux sont visualisés en microscopie électronique à balayage (B, D, F, H) durant la solidification du beurre de cacao. La comparaison de cristaux, obtenus par une cristallisation dynamique à partir d’un lot identique de beurre de cacao provenant de Côte d’Ivoire, révèle un importante différence dans les structures cristallines (figure 5). Les cristaux se forment plus rapidement et ressemblent à des sphérulites symétriques au bout de 4 à 5 heures. Les caractéristiques morphologiques des cristaux varient aussi en fonction de la température d’incubation. Les cristaux formés à 30 - 34 °C présentent une structure différente et possèdent des points de fusion allant de 33 à plus de 40 °C (7) (figure 6). Les différences au niveau de la composition en triacylglycérols sont aussi importantes (9) (tableau 2). Lorsque la température d’incubation s’élève, la quantité de 1,3 distéaroyl - 2 oléoylglycérol (SOS) augmente, simultanément à une décroissance en 35 La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 1,3 dipalmitoyl - 2 oléoylglycérol (POP) et en 1 palmitoyl - 2 oléoyl - 3 stéaroylglycérol (POS). A ce stade, il a été suggéré que les isolats de beurre de cacao à haut point de fusion se forment par un mécanisme de cristallisation fractionnée, dans lequel les cristaux qui se forment à des températures supérieures possèdent des proportions plus élevées de SOS, triacylglycérols à haut point de fusion. Des analyses thermiques ainsi que des analyses de composition ont eu pour but de répondre à la question suivante : quel est le mécanisme de la cristallisation du beurre de cacao non raffiné ? En outre, quel est le processus de nucléation et quels sont les composants qui interviennent en tant que germes ou semences pour les noyaux. Figure 6 : Vues microscopiques en lumière polarisée de cristaux de beurre de cacao en conditions de cristallisation statique à 30 °C (A), 33 °C (B) et 34 °C (D) (7). Echantillon Beurre pur 26.0°C 28.0°C 30.0°C 32.0°C Type de Triacylglycéride (%) POP POS SOS 14.8 A 12.9 B 10.2 C 8.4 D 8.3 D 45.4 A 45.8 A 45.4 A 43.3 A 37.8 B 28.8 A 32.6 B 39.0 C 43.2 D 46.4 E (a) Pour une colonne donnée, les moyennes suivies de la même lettre ne sont pas significativement différentes à p = 0,05 Tableau 2 : Triacylglycérols POP, POS, et SOS dans les beurres de cacao de Côte d’Ivoire et dans les Cristaux du type sphérulite. Formation à 26, 28, 30 et 32 °C (a) 3 Les germes cristallins Dans notre laboratoire, nous avons observé en 1987 un cristal possédant un haut point de fusion situé à 39,4 °C et correspondant à une morphologie de type “nœud papillon” (10) (figure 7). Ce cristal se trouvait au sein d’une matrice de cristaux de type sphérulites ou “paillettes”. Concernant les compositions en triacylglycérol, ce cristal était riche en SOS. Les germes qui se forment durant les premières étapes de la solidification du beurre de cacao ont été isolés et identifiés comme ayant des points de fusion extrêmement hauts. Figure 5 : Structures cristallines lors d’une cristallisation dynamique entre 2 et 5 heures 30 par intervalle de 30 minutes illustrant la formation de cristaux en sphérulites (8). 36 Lorsque le temps d’incubation augmente de 3 à 12 heures, le point de fusion des cristaux isolés passe d’une valeur élevée de 72,4 °C à environ 33 °C, soit le point de fusion du beurre de cacao (11) La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 MCAL/SEC 1,50 Scan rate : 20,00 deg/min peak from : 311 to 317 0,75 MAX : 314,31 0,00 295,00 300,00 305,00 315,00 310,00 320,00 325,00 TEMPÉRATURE (K) Figure 7 : Profil thermique, obtenu par calorimétrie différentielle à balayage, de cristaux à bas points de fusion et de tubules (ou cristaux en “nœuds papillon”) dont le point de fusion est de 39,4 °C. (figure 8). Les points de fusion des germes cristallins dépassent en général 60 °C. Les cristaux isolés possédaient un point de fusion de 62 °C et le cristal in situ, avant qu’il ne soit isolé, possédait un point de fusion de 63,1 °C (figure 9). La granulométrie de ces cristaux était en moyenne de 10 à 15 µm avec une majorité d’entre eux inférieure à 10 µm. Les germes à haut point de fusion, isolés à partir des beurres de cacao de Côte d’Ivoire après une cristallisation statique, possèdent une composition très différente lorsqu’on les compare au beurre de cacao d’origine dont ils sont issus. On trouve des quantités nettement supérieures en lipides polaires dans les germes issus de beurre de cacao non raffiné (12) (tableau 3). Les glycolipides participent à hauteur de 11 % et les phospholipides pour 6 % dans les germes, tandis qu’il n’y a que 82 % de lipides simples. Le beurre de cacao, qui est constitué principalement de triacylglycérols monoinsaturés, contient normalement moins de 1 % de lipides MCAL/SEC 0,25 21 18 15 0,13 12 9 6 3 0 0,00 40 50 60 70 80 90 TEMPÉRATURE (C) Figure 8 : Profil thermique obtenu par calorimétrie différentielle à balayage de germes cristallins formés au bout de 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 et 21 heures de cristallisation statique à 26 °C (II). 37 La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 est apparu opportun d’étudier la composition de ces lipides polaires pour mieux appréhender la cristallisation. MCAL/SEC 0,50 0,25 A B 0,00 30 50 40 60 70 TEMPÉRATURE (C) Figure 9 : Thermogrammes en calorimétrie différentielle à balayage de germes cristallins à haut point de fusion. (A) germes isolés, (B) germes formés in situ après 6 heures de cristallisation statique à 26,5 °C (II). Les phospholipides isolés à partir des lipides des germes cristallins, d’une part, et des beurres de cacao de Côte d’Ivoire ayant subi une cristallisation statique, d’autre part, se regroupent au sein de 8 espèces (13). On trouve ainsi la lysophosphatidylcholine (LPC), la phosphatidyléthanolamine (PE), le phosphatidylinositol (PI), l’acide phosphatidique (PA), la phophatidylsérine (PS), le phosphatidylglycérol (PG) et le diphosphatidylglycérol (DPG). Les germes et le beurre de cacao d’origine contiennent les mêmes espèces de phospholipides bien que PE (30,4 %) et PC (30,2 %) soient les espèces majoritaires dans les germes. Durant une cristallisation statique, les glycolipides primaires isolés de beurres de cacao et de germes cristallins sont des stéaroyl-glycosides et des stéaroyl-glycosides estérifiés (14). SOS BEURRE DE CACAO POP Les analyses des acides gras de la fraction de lipides simples constituant les germes donnent un résultat de 89 % d’acides saturés contre 63 % pour le beurre de cacao. Les profils en triacylglycérols et leur composition sont présentés respectivement figure 10 et dans le tableau 4. POS polaires. Les germes dont le point de fusion est à 60 °C possèdent 50 % d’acylglycérols trisaturés. Germes cristallins 82.37 B 11.08 B 6.55 B (a) Pour une colonne donnée, les moyennes suivies de la même lettre ne sont pas significativement différentes à p = 0,01 Tableau 3 : Distribution des Lipides dans les beurres de cacao de Côte d’Ivoire et dans les germes cristallins. 38 SOA SSS PSS PPS/OOA PSS XXX 0.37 A SOA 0.89 A SOO 98.75.A PLIO PLIP POO PLIS Beurre de cacao POP Pourcentage moyen en poids SSS GERMES CRISTALLINS SOS Glycolipides Phospholipides PPS/OOA Lipides simples POS Echantillon PLIO PLIP POO PLIS En raison des teneurs élevées en phospholipides trouvées dans les germes à haut point de fusion par rapport au beurre de cacao dont ils étaient issus, il SOO SLIS 4 Composition des germes Figure 10 : Profils en triacylglycérols de beurre de cacao provenant de Côte d’Ivoire, obtenus par chromatographie liquide haute pression sur la fraction de lipides simples (haut) et des germes cristallins (bas) (12). La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 Triacylglycérols (surface en %)(a) Echantillon PLiO Beurre de Cacao 0.6 Germes cristallins tr PLiP 2.2 A(b) 0.8 B POO PLiS POP SOO POS PPS SOS PSS SOA SSS SAA 2.9 A 4.6 A 15.0 A 3.7 A 38.0 A 1.6 A 27.0 A 1.8 A 1.8 A 1.1 A 0.8 B 1.9 B 26.3 B 2.14 1.4 B 4.2 B 2.0 B 10.2 B 11.0 B 11.0 B 28.3 B – (a) Moyenne ± écart-type de trois échantillons avec quatre répétitions (b) Pour une colonne donnée, les moyennes suivies de la même lettre ne sont pas significativement différentes à p = 0,01 Tableau 4 : Composition en triacylglycérols de beurres de cacao de Côte d’Ivoire et de germes cristallins. Il semble y avoir des différences relatives dans les proportions d’acides gras saturés et insaturés associées à la fraction glycolipidique, ce qui peut-être lié aux différences relatives dans les points de fusion de la masse de cacao et des germes cristallins. 5 Cristallisation de beurres de cacao (ORIGINES GÉOGRAPHIQUES DIVERSES) Fréquemment, des composés cristallisant plus facilement agissent comme sites de nucléation pour une croissance ultérieure. Par exemple, on a pu montrer que les micelles polaires de monoacylglycérol agissent comme des impuretés catalytiques dans les systèmes gras complexes. C’est pourquoi les implications des phospholipides et des glycolipides dans l’allure de la cristallisation font l’objet de spéculations intéressantes. Les vitesses de nucléation et de croissance sont influencées par plusieurs facteurs, dont la température et la vitesse de refroidissement, l’agitation, la concentration et, de manière prépondérante dans les systèmes lipidiques, la nature et la présence d’additifs. Il est désormais établi que des beurres de cacao d’origines diverses présentent une composition et une dureté variables. Une tentative d’approche des phénomènes intervenant dans la cristallisation du beurre de cacao est de mieux caractériser ces différences. Lorsqu’ils sont présents, les lipides polaires peuvent jouer un rôle significatif dans la formation des noyaux des germes cristallins. La nature amphiphile de ces lipides polaires peut constituer la base de leur implication dans les événements initiaux de la cristallisation. Des beurres de cacao de six zones géographiques différentes ont été analysées simultanément avec leurs isolats de germes cristallins obtenus par cristallisation dynamique (3) (figure.11). Malgré une teneur en eau généralement faible (< 1 %), le beurre de cacao peut s’hydrater plus facilement par le biais des lipides polaires. Il a été démontré que dix molécules d’eau sont associées directement à la tête polaire des PC (15). ABSORBANCE (500 nm) 3 RÉPUBLIQUE DOMINICAINE GHANA CÔTE D'IVOIRE MALAISIE EQUATEUR BAHIA 2 Il semble ainsi raisonnable de suggérer que les traces d’eau présentes dans le beurre de cacao sont associées aux phospholipides et aux glycolipides. Il ressort clairement de nos recherches que ces molécules cristallisent préférentiellement. La polarité des phospholipides peut les rendre énergétiquement aptes à cristalliser à partir de la masse apolaire. Il a été reporté récemment (16) que les espèces de phospholipides observées en microscopie électronique à transmission donnent lieu à des tubules torsadés qui sont analogues aux tubules en “nœud papillon” trouvés dans notre laboratoire en 1985 (7). 1 0 0 200 400 600 TEMPS (min) Figure 11 : Allures de cristallisation lors de la nucléation et de la croissance pour des beurres de cacao issus de six zones géographiques différentes (3). 39 La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 Les beurres à nucléation rapide possèdent de grandes vitesses de croissance cristalline tandis que les autres beurres présentent de faibles vitesses de croissance lorsqu’ils ont atteint la taille critique. Des différences significatives sont notées entre les beurres à nucléation rapide et lente, respectivement (tableau 5). Les beurres de cacao de Malaisie, du Ghana et de Côte d’Ivoire sont classés en tant que beurres à nucléation rapide ou beurres durs. Ceux provenant de l’Equateur, de République Dominicaine et du Brésil sont dits à nucléation lente ou beurres mous. La vitesse de nucléation des beurres dits rapides varie de 78 à 95 minutes, avec une moyenne de 84 minutes. Les beurres à nucléation lente s’échelonnent entre 117 et 300 minutes, avec une moyenne de 231 minutes. Vitesse de nucléation Origine Période d’induction (mn) Rapide Malaisie Côte d’Ivoire Ghana 78 A(a) 80 A 95 AB Lente Equateur Rép. Dominicaine Brésil (Bahia) 117 B 277 C 300 C (a) Pour une colonne donnée, les moyennes suivies de la même lettre ne sont pas significativement différentes à p = 0,05 Tableau 5 : Périodes d’induction des échantillons de beurres de cacao en fonction de leur pays d’origine. 5.1 MORPHOLOGIE Les photographies au microscope donnent des exemples de croissance cristalline durant une cristallisation dynamique. Lors de la nucléation rapide d’un beurre de cacao de Côte d’Ivoire, la morphologie initiale des cristaux s’apparente à des structures fibrillaires en amas (A) qui forment rapidement des structures en sphérulites au du début de la croissance cristalline (B, C, D), (3) (figure 12). Le développement de la morphologie des cristaux dans les beurres à nucléation lente, comme par exemple ceux de l’Equateur, est dominé par la structure en amas de fibrilles jusque dans les dernières étapes de croissance des cristaux (A-D) et les sphérulites ne sont formés qu’en fin de processus (E). (figure 13). 5.2 ANALYSES THERMIQUES La figure 14 présente les thermogrammes ABSORBANCE (500 nm) 3 F d,e 2 c CÔTE D'IVOIRE 1 b a 0 0 200 400 TEMPS (min) 600 Figure 12 : Vues en microscopie de la croissance de cristaux de beurre de cacao de Côte d’Ivoire à nucléation rapide durant des conditions de cristallisation dynamique (3). 40 La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 ABSORBANCE (500 nm) 3 F e EQUATEUR 2 d 1 c a, b 0 0 200 400 TEMPS (min) 600 Figure 13 : Vues en microscopie de la croissance de cristaux de beurre de cacao de l’Equateur à nucléation lente durant des conditions de cristallisation dynamique (3). d’échantillons de Côte d’Ivoire durant les différentes étapes d’une cristallisation à 26,5 °C (Absorbance de 0,02 à 3,0). L’endotherme des plus bas points de fusion correspond à des polymorphismes de type I à III ; c’est le résultat de la trempe du beurre fondu associé à des cristaux. Les endothermes de la phase solide du beurre de cacao dur sont mesurés au début de la croissance cristalline et la fusion se fait à 28-29 °C. Il s’agit donc de polymorphismes de type IV qui se transforment en polymorphismes du type V et VI (34 °C) pendant la seconde phase de la cristallisation. D’autre par, le beurre provenant de l’Equateur (beurre mou), conserve une structure fibrillaire pendant un temps plus long et se transforme en polymorphismes de type V et VI à points de fusion plus élevés (35-36 °C), sous l’aspect de structures en sphérulites (figure 15). Les relations entre la morphologie et le polymorphisme des graisses ont été étudiées (17). Le fait que le polymorphisme de type V-VI soit un indicateur de la morphologie en sphérulite et, par conséquent, de la dureté des beurres de cacao, n’est pas clairement établi. Cependant, les 6 échantillons étudiés ici indi- quent l’existence d’une relation entre la morphologie des cristaux, le point de fusion de la forme polymorphe et la dureté des beurres (3). 5.3 COMPOSITION CHIMIQUE La caractérisation et l’analyse quantitative des classes de lipides (par exemple les lipides polaires, les acyl-glycérols, les acides gras libres, les stérols et leurs esters) présents dans les germes et dans les beurres de cacao, issus des régions d’origine listées plus haut, ont précisé notre connaissance du processus de solidification. On a constaté des augmentations significatives des concentrations en phospholipides dans 5 des 6 isolats de germes cristallins issus de zones géographiques différentes lorsqu’on les compare aux concentrations respectives des beurres de cacao (18), (tableau 6). Les germes isolés de beurres à nucléation lente ont en moyenne une concentration en phospholipides deux fois supérieure à celle des germes issus de beurres à nucléation rapide. On peut ainsi se demander si les lipides polaires influencent ou non la période d’induction lors de la cristallisation. Les concentrations individuelles en phospholipides suivant la région d’origine ont donc été déterminées sur les différents beurres de cacao. 41 La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 les quantités de PC et PE qui sont les plus fortes au démarrage. 34,5 oC Beurre de cacao de Côte d'Ivoire mélanges solide/liquide Si la polarité des espèces de phospholipides augmente, on constate une augmentation de la période d’induction et une corrélation significative (r2 = 0,76) existe entre la période d’induction et les phospholipides polaires (17).(figure 17). 33,6 oC Polymorphes I – III 31,2 oC Abs. 3,0 Abs. 2,0 Endotherme 29,9 oC Abs. 1,5 Abs. 1,0 29,5 oC Des analyses des triacylglycérols dans les beurres de cacao ont montré des concentrations plus élevées en dioléo-acylglycérols monosaturés dans les beurres à nucléation lente (a) et des concentrations plus fortes en monooléo-acylglycérols disaturés dans les beurres à nucléation rapide (b), (tableau 7). Ces données confirment les variations de composition en SU2 et en S2U, attribuées à la dureté des beurres de cacao (tableau 8). Il n’est pas constaté de Abs. 0,8 29,6 oC Abs. 0,6 28,4 oC 36,2 oC Beurre de cacao d'Equateur mélanges solide/liquide Abs. 0,4 33,6 oC o 29,3 C Abs. 0,2 31,5 oC Polymorphes I – III Abs. 0,02 31,9 oC Abs. 3,0 31,7 oC 0 10 20 30 40 50 60 70 Abs. 2,5 Température (oC) Abs. 2,0 30,2 oC Endotherme Figure 14 : Thermogrammes en calorimétrie différentielle à balayage de beurre de cacao de Côte d’Ivoire durant une cristallisation à 26,5 °C, à différentes étapes de croissance (Unités d’absorption de 0,02 à 3,0) (3). Abs. 1,5 Abs. 1,0 29,9 oC Abs. 0,8 Les beurres à nucléation lente se caractérisent par des teneurs élevées en lysophosphatidyl choline (LPC) et en phosphatidyl inositol (PI) avec de faibles teneurs en phosphatidyl choline (PC), alors que les beurres à nucléation rapide possèdent moins de LPC et de PI mais plus de PC, ceci de manière significative (figure 16). 29,7 oC Abs. 0,6 29,8 oC Abs. 0,4 o 29,6 C Abs. 0,2 29,2 oC Abs. 0,02 Si l’on considère les phospholipides en fonction de leur caractère hydrophile, les beurres à nucléation lente se distinguent par un nombre plus important de classes de phospholipides polaires. Une fois encore, l’importance des lipides polaires vis-à-vis de la vitesse de nucléation est évident. Lors de la période initiale de la croissance cristalline de beurre à nucléation lente (origine Equateur), les proportions de LPC et PI sont significativement plus élevées tandis que dans les beurres à nucléation rapide, ce sont 42 0 10 20 30 40 50 60 70 Température (oC) Figure 15 : Thermogrammes en calorimétrie différentielle à balayage de beurre de cacao de l’Equateur à nucléation lente durant une cristallisation à 26,5 °C, pour différentes étapes de croissance (Unités d’absorption de 0,02 à 3,0) (3) La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 Origine Beurre de cacao Nucléation rapide (beurre dur) Malaisie Côte d’Ivoire Ghana Germe cristallin Pourcentage en poids A(1) 0.85 0.80 A 0.81 A 1.70 B 2.95 B 0.50 B Moyenne = 0.82a(2) Nucléation lente (beurre mou) Equateur Rép. Dominicaine Brésil (Bahia) Moyenne = 1.72 a 0.87 A 0.91 A 0.81 A 5.10 B 4.02 B 2.02 B Moyenne = 0.86 Moyenne = 3.68b (1) Pour une ligne donnée, les moyennes suivies d’une lettre majuscule identique ne sont pas significativement différentes à p = 0.05 (2) Pour une colonne donnée, les moyennes générales suivies d’une minuscule identique ne sont pas significativement différentes à p = 0.10 Tableau 6 : Teneur en phospholipides dans les beurres de cacao de différents pays d’origine et dans les isolats de germes cristallins, en fonction de la vitesse de nucléation. différences significatives au niveau de la composition en acides gras libres et en mono-acylglycérols, en diacylglycérols et en stérols, entre les beurres à nucléation lente et rapide et leurs germes cristallins en condition de cristallisation dynamique. ce cristalline est présentée dans le tableau 9. Lorsqu’on isole les cristaux à haut point de fusion, il apparaît clairement une augmentation significative des lipides polaires, simultanément à une chute en BEURRE DE CACAO (LPC + PI)/PC 6 Approche de la 6 cristallisation 5 En fonction des informations disponibles, il est possible d’envisager un mécanisme de formation des cristaux dans le beurre de cacao de pure pression. Une revue des points de fusion et des changements de composition en lipides durant la croissan- % EN POIDS 40 30 B 20 10 R2 = 0,76 4 3 Beurre de cacao à nucléation rapide 2 Beurre de cacao à nucléation lente B A A 1 A A B A A A 0 0 0 LPC PI PC PE PG 100 200 300 400 PÉRIODE D'INDUCTION (MIN) TYPE DE PHOSPHOLIPIDES Figure 16 : Concentration en phospholipides isolés de beurres de cacao à nucléations lentes ou rapides (17). Figure 17 : Effet du rapport LPC (lysophosphatidyl choline polaire) + PI (phosphatidyl choline apolaire) vis-à-vis de la période d’induction de la nucléation lors de la cristallisation des germes (17). 43 La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 Echantillon ciation étroite et interactive entre ces deux classes de lipides. Les chaînes acyl apolaires des phospholipides peuvent s’accrocher en s’intercalant aux chaînes acyl des triacylglycérols, tandis que les têtes polaires, et l’eau qui leur est associée, peuvent se mettre entre les couches de triacylglycérols. Des ajustements moléculaires entre les couches lipidiques de la matrice pourraient alors être facilités. Triacylglycérols (%) POO SOO POS SOS Trisaturés Nucléation rapide Malaisie B 1.1 G 0.9 Côte B 1.8 d’Ivoire G 1.4 Ghana B 2.1 G 2.0 1.8 1.1 2.3 1.9 2.8 2.6 46.9 40.4 46.3 42.6 42.8 39.4 29.8 34.4 24.0 27.7 26.3 28.7 1.8 7.0 1.6 5.9 1.6 4.9 Nucléation lente Equateur B G Rép. B Dominicaine G Brésil B (Bahia) G 3.3 2.5 4.4 4.1 6.7 5.5 45.4 40.1 42.8 41.8 40.2 38.9 24.8 29.0 22.8 23.8 21.7 23.0 1.5 6.5 1.6 5.3 1.7 7.2 2.7 1.9 3.8 3.2 5.8 4.3 On dispose de peu de données physiques sur les phospholipides et, dans une moindre mesure, sur les glycolipides, mais il est intéressant de remarquer que, dans l’hypothèse retenue, la compatibilité des régions correspondant aux têtes polaires dépend de la stabilité structurale des triacylglycérols. Ces régions doivent être suffisamment étendues pour permettre des arrangements moléculaires au sein des couches de triacylglycérols, et aussi pour laisser une place à la cristallisation d’autres composés lipidiques. Leur dimension ne doit cependant pas être trop grande, au risque de détruire la surface en croissance. Tableau 7 : Composition des Triacylglycérols SU2 et S2U dans des beurres de cacao (B) et dans leurs germes cristallins (G) en fonction de la vitesse de nucléation. triacylglycérols. L’énergie thermique et l’eau d’hydratation influencent de façon significative les transitions de phase des phospholipides. Lors de la nucléation et durant les premières étapes de la croissance cristalline, des changements de conformation au sein du cristal en croissance sont nécessaires pour un arrangement des triacylglycérols qui cristallisent. Les phospholipides moyennement hydratés peuvent agir comme surfaces de glissement au sein de la matrice cristalline, permettant de diminuer les contraintes de conformation dans le cristal en croissance. Etant données les possibilités de liaisons hydrogène et d’interactions hydrophobes entre les chaînes de phospholipides non polaires et les triacylglycérols voisins, on peut imaginer qu’il existe une asso- Point de Echantillon fusion (°C) Beurre 32 - 34 de cacao Cristallisation dynamique Germes 34 - 47 cristallins Cristallisation statique Germes 55 - 62 cristallins Germes 62 - 72 cristallins Composition (% en poids) TG PL GL 96.2 0.4 0.9 92.1 2.0 2.6 87.7 4.0 6.0 82.4 6.6 11.1 Tableau 9 : Points de fusion et distribution des classes de lipides dans les beurres de cacao et dans les germes cristallins. Triacylglycérols (%) Pays d’origine Amérique du Sud Amérique Afrique Asie Dureté (a) Nombre 15 8 17 24 POO SOO POP POS SOS 3.4 A 2.7 B 2.2 C 1.2 D 5.7 A 5.3 AB 4.7 B 2.9 C 19.0 A 18.6 A 18.4 A 18.6 A 38.0 A 38.9 B 39.1 B 40.0 C 26.0 A 26.9 A 28.2 B 30.8 C (a) Surface (en %) de l’endotherme du polymorphe de type II Tableau 8 : Composition en triacylglycérol et dureté des beurres de cacao de différents pays d’origine. 44 24.4 A 26.0 A 28.5 B 35.7 B La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 VOLUMES DES TÊTES POLAIRES PHOSPHATIDYLCHOLINE 350 Å 3 PHOSPHATIDYLETHANOLAMINE 3 250 Å Figure 18 : Volume de la tête polaire de la phosphatidyl choline et de la phosphatidyl éthanolamine (19). ture centrale (figure 19). Des acylglycérols trisaturés, portant une double chaîne carbonée et ayant de hauts points de fusion (SSS, PSS, PPS), peuvent s’associer à ce centre de nucléation polaire (figure 20). L’étape suivante est l’association de triacyl glycérols monoinsaturés à triple chaîne (SOS, POS, POP), avec enfin l’addition des triacylglycérols diinsaturés de plus bas points de fusion (POO, SOO, PLIO). Ce processus de transition peut être accéléré par la présence de lipides polaires, de monoacylglycérols, de diacyl glycérols, de stérols et d’acides gras libres. Les glissements entre les couches et les associations au sein de chacunes d’entre elles peuvent fournir une transition énergétiquement suffisante pour permettre différentes conformations ; Ces La comparaison des volumes des têtes polaires des PE, les phospholipides majoritaires des germes cristallins, avec les PC, l’espèce prédominante dans le beurre de cacao, montre que les têtes des PE ont un volume significativement plus faible (19), (figure18). G P P G G G Le volume des têtes polaires peut déterminer si l’insertion d’un triacylglycérol est possible et ne va pas interférer avec la structure de la matrice du cristal en croissance. Ainsi, lors des étapes initiales de la cristallisation, les lipides polaires en mésophase hexagonale inverse (HII) et l’eau à l’état de traces vont servir de struc- G D P G G G PGD E E G G G P E E P E G G E G P GG E G G DG P P P P D P G G G D G P D P G P P G G P G G P G P G E E D E G G E E P E D MONO- & DIACYLGLYCEROLS P PHOSPHOLIPIDES E EAU TRIACYLGLYCEROLS G E G G P GLYCOLIPIDES P G D G G P G G GLYCOLIPIDES D MONO- & DIACYLGLYCEROLS P PHOSPHOLIPIDES E EAU Figure 19 : Proposition de structure initiale (mésophase hexagonal inversée HII) de germes cristallins à lipides à haut point de fusion, montrant la coque polaire de phospholipides, de glycolipides, de mono- et diacylglycérols et d’eau. Figure 20 : Proposition de structure intermédiaire de germes cristallins ayant des lipides à haut point de fusion, montrant le noyau polaire, avec la surface constituée de triacylglycérols saturés à double chaîne. conformations pourraient constituer l’origine des noyaux cristallins pour la cristallisation finale dans le beurre de cacao. Bibliographie • 1. Gutshall-Zakis, A.L. Dimick, P.S. (1993). Influence of various refining treatments on the crys- 45 La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94 tallization behavior of hard and soft cocoa butters and formulated dark chocolate., The Manufacturing Confectionner, 73 (9), 117-123. • 2. Chaiseri, S. & Dimick, P.S. (1987). Cocoa butterits composition and properties., The Manufacturing Confectionner, 67 (9), 115-122. • 3. Chaiseri, S. (1992). Simple Lipid composition of crystals during the solidification of cocoa butter., Thesis, The Pennsylvania State University, University Park, pp 183. • 4. Bailley, A.E. (1950). 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