La déshydratation osmotique et les produits de semi
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LE SUCRE ET LA CONSERVATION DES PRODUITS À BASE DE FRUITS La déshydratation osmotique et les produits de semi-confisage Enrico MALTINI, Département des Sciences Alimentaires, Université d’Udine, Italie Danila TORREGGIANI, I.V.T.P.A., Milan, Italie 1. TRAITEMENTS OSMOTIQUES Solution de sucre(s) hypertonique Ce qu’on appelle déshydratation osmotique dans le domaine de la transformation des fruits, est un procédé de réduction de la teneur en eau obtenue par immersion des fruits, entiers ou en morceaux, dans une solution hypertonique de sucres divers. En principe, l’osmose décrit les mouvements de l’eau et des solutés qui se produisent quand deux solutions sont séparées par une membrane semi-perméable, en raison de la pression osmotique relative de chaque composant. Dans ces conditions, une partie de l’eau sort du fruit, une fraction des matières sèches solubles du sirop entre dans le fruit et une partie des matières sèches du fruit (acides organiques et sels minéraux en particulier) se déplace vers la solution concentrée (figure 1). Sucre(s) Eau Produit Solutés solubles (acides organiques, sucres, sels minéraux) Figure 1 : Transferts de matière dans un traitement osmotique. tation – imprégnation par immersion dans des solutions concentrées » est donc plus pertinente. La sélectivité du procédé par rapport à l’eau et aux solutés, dépend des propriétés de la membrane. Dans la plupart des cas, une relative sélectivité dérive du fait que la membrane est facilement traversée par l’eau en raison de sa petite masse moléculaire, mais elle est traversée par les solutés avec plus de difficultés. Dans le cas des fruits, théoriquement, les membranes cellulaires non endommagées des tissus agissent comme membranes semi-perméables, permettant le passage de l’eau de l’intérieur des cellules vers la solution hypertonique. On a souligné toutefois, que l’« osmose » dans le domaine du traitement des fruits, implique des phénomènes bien plus complexes et moins linéaires, surtout à cause des mécanismes d’imprégnation qui sont toujours associés aux migrations osmotiques proprement dites. La définition de la déshydratation osmotique proposée par Raoult-Wack et Guilbert (1990) comme « un procédé de déshydra- Quels que soient les mécanismes impliqués, tous les échanges osmotiques se déroulent naturellement, à température ambiante, sans changement de phase et sans consommation d’énergie. 2. TRANSFERTS DE MATIÈRE DANS LES TRAITEMENTS OSMOTIQUES Dans un processus de déshydratation par osmose, il y a un certain nombre de variables, primaires ou dérivées, qui changent simultanément. Comme le montre la figure 2, ces variables changent avec des intensités différentes en fonction du temps. L’utilisation pratique des traitements osmotiques se base sur les doubles effets de sortie d’eau et d’entrée de matières sèches. Avec des combinaisons appropriées entre réduction de la teneur en eau et incorporation de matières sèches, on obtient 32 LE SUCRE ET LA CONSERVATION DES PRODUITS À BASE DE FRUITS Du point de vue pondéral, pour ce qui concerne la concentration finale du système ou bien pour la modification de la composition en solutés (ou pour les deux ensemble), l’enrichissement en matières sèches est plus efficace que l’élimination de l’eau : en effet, pour doubler la concentration d’un produit avec 10 % en matières sèches, il faut évacuer 50 % de l’eau, tandis qu’il suffit d’incorporer 10 % de solutés pour obtenir le même résultat. En général, l’entrée de solutés est d’autant plus favorisée, par rapport à la sortie d’eau, que la masse molaire du soluté est faible. Le blanchiment accroît la perméabilité des membranes cellulaires et enlève le gaz des tissus. La réduction de la taille des morceaux réduit la résistance interne au transfert de masse, favorisant aussi l’incorporation des solutés. 1,000 0,980 0,960 0,940 0,920 aw 0,900 100 80 WC 60 40 WL (g) WR 20 Parmi les nombreux facteurs influençant le procédé de déshydratation osmotique (DO) (Raoult-Wack, 1994 ; Torreggiani, 1995) certains méritent d’être soulignés : a) conditions opératoires (température, degré d’agitation, rapport fruit/sirop) b) type et concentration du sirop c) espèce du fruit et variété, comme conséquences de la structure spécifique des tissus, du volume de gaz, de la présence de peau ou d’enveloppes (figure 3) d) prétraitements (blanchiment, décirage) e) forme et géométrie des morceaux (figure 4) f) vide plus ou moins poussé. SG (g) 0 0 2 4 6 8 10 12 Temps (heure) Figure 2 : Variables qui changent simultanément dans un processus de déshydratation par osmose : WL = perte d’eau (g) ; SG = incorporation de solutés (g) ; WR = réduction de poids (%) ; WC = teneur en eau (%) ; aw = activité de l’eau (Lerici et al., 1985). des possibilités très diversifiées. Bien que l’effet de déshydratation ait été traditionnellement considéré comme prioritaire, les études et les applications réalisées pendant ces dernières années, ont montré que la flexibilité d’application du procédé est surtout liée à l’incorporation des solutés. 40 g/100 g fruit frais initial Perte en eau Il faut souligner que, du point de vue pratique, l’incorporation de solutés a des effets très importants : cela peut permettre une sorte de formulation du produit fini sans modifier son intégrité structurelle. Par une réduction contrôlée de la teneur en eau et une incorporation sélective de solutés on peut achever une amélioration des : • propriétés nutritionnelles (incorporation de vitamines, sels minéraux) • propriétés organoleptiques et de stabilité (couleur, arôme, consistance) • propriétés fonctionnelles (activité de l’eau et consistance adaptables à l’utilisation prévue) 35 Gain en solutés 30 25 20 15 10 5 0 Pêche « Clingstone » Abricot « Castrese » Abricot « Reale » Pomme Figure 3 : Influence de l’espèce et de la variété sur les transferts de masse pendant l’osmose. Cubes ; 1 heure ; sirop de saccharose 60 % (m/m) ; température ambiante. 33 LE SUCRE ET LA CONSERVATION DES PRODUITS À BASE DE FRUITS g/100 g fruit frais initial 40 35 30 3.2. Ingrédients à base de fruits, comme produits intermédiaires (semi-finis), obtenus par des « combinaisons de techniques » WL cubes SG WL SG oreillons 25 20 Dans ces types de technologies, on utilise une combinaison des différents procédés pour obtenir des modifications contrôlées des propriétés physiques, et éventuellement chimiques. Le but est l’obtention d’ingrédients spécifiquement conçus pour l’usage dans une gamme diversifiée de formulations alimentaires. 15 10 5 0 Abricot Pêche « Clingstone » Figure 4 : Effet de la taille des morceaux de fruits sur les transferts de masse durant l’osmose. 1 heure ; sirop de saccharose 60 % (m/m) ; température ambiante. Les fruits, entiers ou en morceaux, sont très utilisés comme matériaux de base ou comme composants additionnels dans plusieurs formulations alimentaires (Torreggiani et Bertolo, 2001). Ils donnent une image de naturalité et de fraîcheur aux aliments, donnant ainsi une valeur ajoutée très appréciée par les consommateurs. Pour ces utilisations, les fruits doivent maintenir leur arôme et leur couleur naturels, doivent être sans antioxydants et autres produits chimiques, et doivent avoir une consistance agréable. En général, propriétés de fraîcheur sont demandées pour les produits à humidité élevée tels que les salades de fruits ou les crèmes glacées, tandis qu’un certain degré de modification de couleur et d’arôme et un relatif accroissement de la consistance est acceptable pour des produits à plus basse humidité, tels que les tartes et les produits de cuisson. En plus de l’acceptabilité (goût, couleur et texture), les ingrédients à base de fruits doivent avoir des propriétés fonctionnelles adaptées à leur « environnemen » physique et physico-chimique, et contribuer à une durée de vie acceptable de l’aliment. 3. APPLICATIONS Après des traitements osmotiques, on obtient des produits à humidité élevée ou intermédiaire ; donc un traitement ultérieur de stabilisation est nécessaire (baisse ulterieure de l’aw, pasteurisation, déshydratation, congélation). Entre les nombreuses applications possibles, nous avons choisi quelques exemples. 3.1. Préparation des fruits au sirop « avec traitement minimum » Une première application de la DO consiste à préparer les fruits au sirop du type « minimaly processed foods », proposé pour abricots, pêches, nèfles, kiwis, en moitiés, quartiers aux morceaux. (Maltini et al., 1983). • blanchiment 75 °C pendant 2 minutes (pour sanitisation, sauf pour le kiwi) • déshydratation osmotique (sirop de fructose 60 °Brix + 1 % ac. ascorbique, 30 °C) pendant 2 à 4 heures (moitiés et quartiers) 30 à 40 minutes (cubes 12 12 mm) • emballage en pots de verres (500 g) ou en poches (250 g) avec sirop isotonique (20 à 22 °Brix) • pasteurisation (40 minutes, 75 °C), ou remplissage à chaud (congélation pour le kiwi) • conservation 6 à 12 mois sans réfrigération, 12 à 24 mois avec réfrigération La « compatibilité » des fruits avec l‘aliment, vu comme un système physico-chimique, dépend en premier lieu de la pression de vapeur à l’équilibre, ou activité de l’eau, des composants du système, pour éviter toute migration d’eau (ou pour établir des migrations contrôlées) entre le fruit et l’aliment. Un cas bien connu de migration nuisible est le mouillage de la pâte par les fourrages ou les garnitures, dans les tartes de fruits. En revanche, l’absorption d’eau par des morceaux de fruits partiellement déshydratés permet d’éviter la synérèse dans les yoghourts (Giangiacomo et al., 1994). Les produits obtenus ont de remarquables caractéristiques de fraîcheur étant donné les dommages thermiques très réduits et à cause de l’effet protecteur de sucres sur l’arôme et la couleur. Les fruits ont des teneurs en matière sèche de 24 à 28 % environ avec aw 0,95 et pH < 3,8. Les ingrédients à utiliser doivent être aussi disponibles toute l’année. Finalement, la stabilité 34 LE SUCRE ET LA CONSERVATION DES PRODUITS À BASE DE FRUITS des ingrédients doit être, elle aussi, compatible avec celle prévue pour l’aliment dans les conditions d’entreposage données. La préparation des produits semi-confits à base de fruits doit tenir compte, en premier lieu, du niveau d’humidité relative (aw) requis. Du point de vue technique, il faut différencier les produits à humidité relativement élevée des produits plus déshydratés. Une classification grossière permet de différencier « humidité très élevée » (aw de 0,95 à 1), « humidité élevée » (aw de 0,85 à 0,95) et « humidité intermédiaire » (aw de 0,65 à 0,85). blement de la matière sèche). Cela entraîne une meilleure texture par rapport au produit congelé, une réduction de la perte de jus après décongélation, la réduction du risque de mouillage du substrat alimentaire (Maestrelli et al., 1997 ; Sormani et al., 1999). Avec une plus forte élimination d’eau, jusqu’à 75 % de perte de poids, on aura une aw de 0,98 à 0,95 (accroissement entre 2 et 5 fois de la matière sèche). Les effets sont une réduction ultérieure de la reprise d’humidité qui est associée à une augmentation sensible de la consistance En général, dans le premier cas, il suffit d’un traitement simple de déshydratation partielle par osmose ou bien à l’air chaud, tandis que pour les humidités plus basses, la combinaison des deux procédés est plus adaptée (figure 5). Dans tous les cas, la stabilisation à long terme peut être obtenue par congélation. Par élimination d’eau jusqu’à plus de 80 % de perte de poids, on aura une aw entre 0,95 et 0.85 (5 fois la matière sèche). On n’aura presque pas de reprise d’humidité, mais une forte augmentation de la consistance, jusqu’à la limite de l’acceptabilité (Torreggiani et al., 1988). 3.3. Déshydrocongélation 3.4. Traitements osmotiques combinés avec séchage à l’air La méthode connue depuis longtemps (Lazar, 1968 ; Huxsoll, 1982) comme « déshydrocongélation » consiste en une déshydratation partielle, généralement à l’air chaud (mais l’osmose peut convenir), suivie par la stabilisation du produit par congélation. Si l’élimination d’eau par séchage à l’air jusqu’à l’aw désirée produit une consistance trop élevée, l’aw peut être réduite par incorporation de solutés, avant la déshydratation à l’air. Dans cette technique, le rôle spécifique de l’osmose est donc l’enrichissement en solutés solubles, plutôt que l’élimination d’eau. Grâce à l’entrée de solutés solubles, l’effet de l’osmose est une réduction considérable de l’activité de l’eau, avec une réduction limitée de la teneur en eau, et donc avec un effet limité sur la consistance du produit. L’enrichissement en matières sèches solubles entraîne une diminution de l’activité de l’eau, sans réduction de la teneur en eau, et donc sans une modification notable de la texture du produit. La consistance des fruits est en fait associée avec l’action plastifiant de l’eau sur les tissus cellulaires et de soutien des fruits, et dépend plus de la matière insoluble et de la teneur en eau que des matières sèches solubles et de l’activité de l’eau. En favorisant l’incorporation de solutés à faible masse moléculaire, on obtient une baisse sensible de l’activité de l’eau, en maintenant en même temps une consistance agréable. En effet, l’activité de l’eau est une fonction thermodynamique (loi de Raoult), tandis que la consistance est une fonction de nature essentiellement cinétique (effet plastifiant de l’eau) (Maltini et al., 1993). Étant partiel, le degré de déshydratation des unités doit être uniforme (= séchage avec agitation ou en lit fluidisé). Il peut être conduit à basse température ( 65 °C bulbe sec), seule l’eau libre sera éliminée. En général, par élimination d’eau jusqu’à 50 % de perte de poids, on aura une aw 0,98 (dou- aw 1,0 Humidité élevée 0,95-1,0 0,9 Humidité réduite 0,85-0,95 0,8 0,7 0,6 Humidité intermédiaire 0,65-0,85 Déshydratation partielle ou Osmose + Congélation Osmose + Déshydratation partielle + Congélation (Osmodéshydrocongélation) Exemples d'aliments • Salade de fruits (0,98-1,0) • Yoghourt (0,97-0,99) • Fromage frais (0,97-0,99) • Crème glacée (0,89-0,92) • Confiture (0,80-0,85) • Produits congelés (–18 °C) (0,84) • Pâtisserie, fourrages, produits de cuisson, etc. (0,75-0,85) • Madeleine (0,73) • Fruit confit (0,70-0,73) • Fruit sec et bonbons Figure 5 : Exemples de relations aw/procédés pour quelques ingrédients à base de fruits. 35 LE SUCRE ET LA CONSERVATION DES PRODUITS À BASE DE FRUITS suivi par une déshydratation limitée. Le diagramme montre les relations entre la composition de phase (= quantité relative des solutés insolubles, solutés solubles et eau), la consistance (en kgf obtenus sur un appareil « shearpress ») et l’activité de l’eau obtenue après un traitement de déshydratation simple (ligne en continu) ou bien après un traitement combiné d’osmose et déshydratation (ligne en discontinu). L’échelle de référence est le pourcentage des solutés dans la phase liquide qui est en corrélation directe avec l’activité de l’eau. Avec des traitements osmotiques typiques, un gain en solutés allant jusqu’à 100 % peut être obtenu pour beaucoup de fruits, dans un temps relativement réduit (35 à 45 minutes) et à température ambiante. Après le traitement osmotique, la déshydratation contrôlée du produit à l’air chaud doit atteindre l’humidité requise. Toutefois, la définition d’un traitement approprié n’est pas simple car les variables en jeu sont nombreuses. Du point de vue pratique, on peut faire référence à des « diagrammes de composition » liés à la « compatibilité fonctionnelle » du matériau, qui peuvent être construits par un nombre limité d’essais expérimentaux (Maltini et al., 1993). Le diagramme présenté sur la figure 6 montre les changements des propriétés physiques et fonctionnelles qui s’établissent dans des abricots en cubes, soit par la seule déshydratation partielle, soit par un procédé de traitement osmotique, 0 Humidité élevée 20 40 60 1 80 0 –2 –5 –10 0,9 – 15 – 16,9 – 20 Humidité 0,8 intermédiaire – 25 – 30 0,7 Température de congélation (°C) Abricots aw Très haute humidité La différence entre les courbes de composition de phases et de consistance dans les mêmes conditions d’activité de l’eau est la conséquence de l’enrichissement en solutés après un traitement initial par osmose de 45 minutes à 25 °C. Les valeurs intermédiaires de composition et de consistance peuvent être obtenues avec des traitements osmotiques d’intensité moindre. Le diagramme donne un certain nombre d’informations utiles à la formulation d’un ingrédient compatible avec un usage défini. Notamment, on peut connaître pour chaque activité de l’eau : – la composition de la phase qui donne cette activité ; – la gamme de valeurs de consistances possibles avec cette activité de l’eau ; – la température de congélation (corrélée à l’activité de l’eau) et la fraction d’eau congelable à une température donnée (important, par exemple, pour les crèmes glacées, les sorbets, les desserts congelés) ; – la masse de produit fini par rapport à la masse initiale. 500 300 230 200 113 100 86 0 100 49 74,1 59,6 84,5 2,7 insoluble soluble 60 61,2 46,2 40 38,3 28,1 0 15,8 12,8 20 20 40 60 4. CHOIX ET MAÎTRISE DE SOLUTIONS OSMOTIQUES 60 63 Le choix de la solution osmotique est subordonné à un certain nombre de facteurs plus ou moins importants selon le but de l’opération, parmi lesquels le goût, le pouvoir de dépression de l’aw, la viscosité, le rapport entre perte d’eau et gain en solutés (WL/SG ratio), l’effet stabilisant parfois observé pour le sorbitol (Torreggiani et al., 1995 ; Forni et al., 1997) et le maltose (Torreggiani et Bertolo, 2001), le coût etc. En plus, il faut tenir compte des changements de composition provoqué par l’incorporation des solutés. La figure 7 montre l’effet de la composition des sirops sur la composition finale en sucres de tranches de kiwis (Torreggiani et al., 1994). Unités de poids eau 80 Force (kg) 400 23,3 0 80 Matières sèches solubles Figure 6 : Activité de l’eau (aw), température de congélation, consistance et composition de cubes d’abricots de 10 mm en fonction du pourcentage de matières sèches solubles dans la phase aqueuse (SS (w)) ( ——— , déshydratation ; – – – –, osmose + déshydratation) (Maltini et al., 1993). 36 LE SUCRE ET LA CONSERVATION DES PRODUITS À BASE DE FRUITS FRAIS SORBITOL SG= 5,9 % GLUCOSE SG= 5,4 % Glucose WL= 21,1 % SG= 5,7 % WL= 22,2 % Tableau 1 : Facteurs du procédé qui ont une influence sur le rapport WL/SG (perte en eau/gain en solutés). WL/SG (variable entre 3 et 6). MALTOSE WL= 16,0 % Fructose WL= 18,9 % FRUCTOSE SACCHAROSE SG= 5,6 % réalise dans ce cas une séparation sélective de l’eau), ou bien d’autres fruits si le goût est compatible. Il a été observé que les propriétés osmotiques des jus de pomme et de poire sont comparables à celles du sirop de fructose (le fructose est le composant principal de la plupart des jus) mais le goût et la saveur sont plus agréables (Maltini et al., 1990). En plus, du point de vue commercial, il faut remarquer que les produits obtenus sont entièrement composés par le fruit. En particulier, le jus de pomme clarifié et concentré est largement disponible sur le marché et peut-être utilisé comme agent osmotique pour un grand nombre de fruits. SG= 5,7 % Saccharose Sorbitol WL= 15,0 % Maltose Figure 7 : Effet de la composition des sirops sur la composition finale en sucres de tranches de kiwis. Sirop 60 % (m/m) ; 6 heures ; température ambiante (matières sèches initiales = 14,4 %) (Torreggiani et al., 1994). Parmi les agents osmotiques les plus utilisés on trouve les suivants : • Saccharose • Mélanges saccharose–sucre inverti • Sirops à haute teneur en fructose • Sirop de glucose à différent DE – DE élevé (basse masse moléculaire), faible rapport WL/SG – bas DE (haute masse moléculaire), rapport élevé WL/SG, forte viscosité • Maltose effet stabilisant (accroissement de Tg) • Maltitol/Sorbitol (seulement en mélange avec d’autres sucres), faible wl/sg, effet stabilisant Composition de la solution SG augmente avec réduction du poids moléculaire Concentration de la solution SG est favorisé par les hautes concentrations Température WL est favorisé par les hautes températures Temps WL est favorisé par un temps long Paramètres du produit SG est favorisé par les structures poreuses, les tissus blanchis ou endommagés, la taille réduite des morceaux RÉFÉRENCES Forni, E., Sormani, A., Scalise, S. and Torreggiani, D. (1997). 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