Mesure des propriétés élongationnelles de pâtes à pain et

Chaunier et al., Rhéologie, Vol.8, 13-19 (2005)
13
Mesure des propriétés élongationnelles de pâtes à pain et
évaluation de la texture des mies par analyse d’images
L. Chaunier, H. Chiron, G. Della Valle, A-L. Réguerre et T.Dessev*
Unité Biopolymères, Interactions et Assemblages - Institut National de la Recherche Agronomique, INRA.
BP 71627 - 44316 Nantes Cedex 03 - France
* Department of grain, fodder, bread and confectionary products – Higher Institute of Food
and Flavour Industries- Plovdiv 4000 - Bulgarie
Reçu le 17 mai 2005 - Version finale acceptée le 3 août 2005
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Résumé : La structure alvéolaire du pain est le résultat de la croissance de bulles au sein d’un milieu viscoélastique. Le
test de compression uniaxiale en conditions lubrifiées permet de mesurer la viscosité élongationnelle équibiaxiale de
pâtes à pain en grandes déformations (0,1 < εb < 1,25), ainsi que l’indice de rhéodurcissement. Des essais ont été menés
sur quatre farines et les textures des pains évaluées par analyse d’images. Même s'ils ne sont pas directement corrélés à
la structure alvéolaire des mies, les résultats montrent la pertinence du test pour la mesure des propriétés
élongationnelles de pâtes issues de blés différents.
Mots-clé : compression uniaxiale lubrifiée, pâte à pain, structure alvéolaire, viscosité
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1. Introduction
Le comportement rhéologique des pâtons influence
la structure alvéolaire de la mie de pain, ainsi que sa
texture, autant de caractéristiques essentielles pour le
meunier que pour le boulanger (artisanal ou
industriel) et le consommateur [1]. En raison de la
croissance des bulles de gaz (CO2) au cours de la
fermentation, la déformation subie par la pâte à pain
est essentiellement élongationnelle.
Des tests en grandes déformations ont été mis au
point pour mesurer la viscosité, notamment par
compression uniaxiale lubrifiée (LSF, Lubricated
Squeezing Flow) [2], puis adaptés à la pâte de farine
de blé non levurée [3, 4].
Des appareils tels que l’alvéographe, utilisé en
boulangerie pour le contrôle de l’extensibilité des
pâtes, ont aussi été modifiés pour réaliser des
mesures en grandes déformations et compléter les
techniques de caractérisation des propriétés
rhéologiques des pâtes [5].
Les relations entre propriétés rhéologiques et
composition de la farine sont essentiellement basées
sur les protéines de haut poids moléculaires (e.g.
gluten du blé), dans un but de sélection variétale [6].
Les potentiels de panification évalués sur deux
variétés de blé ont été reliés à leurs viscosités
élongationnelles équibiaxiales, en considérant leurs
indices de rhéodurcissement [7].
La même méthode a été appliquée à du gluten
reconstitué, pour plusieurs ratios gluténine/gliadine
et issus de diverses farines, afin de montrer son
aptitude à différencier le comportement des pâtons
[8]. Le volume, ainsi que la structure de la mie de
pain, ont aussi été reliés à leur viscosité
élongationnelle [9, 10]. Les constituants minoritaires
de la farine, notés "CM" (e.g. lipides, protéines de
faible poids moléculaire, pentosanes), étudiés aussi
pour de faibles déformations [11], sont susceptibles
de modifier la structure alvéolaire des mies de pain,
par leurs propriétés moussantes et fluidifiantes [12].
La caractérisation de la structure alvéolaire des mies
par analyse d’images confirme cette hypothèse et
explique le rôle des CM sur les propriétés
élongationnelles des pâtes, déterminées par LSF [13,
14].
Le but de cette étude est de mesurer le
comportement rhéologique de pâtes en grandes
déformations, pour des farines aux compositions
variées, provenant de blés différents. Une même
formulation est appliquée à quatre pâtes qui sont
14
Chaunier et al., Rhéologie, Vol.8, 13-19 (2005)
ensuite soumises au test de compression uniaxiale en
conditions lubrifiées. Les pâtes sont aussi panifiées
selon un protocole standardisé. La structure
alvéolaire des mies est alors déterminée par analyse
d’images, afin d’évaluer la relation entre le
comportement élongationnel des pâtes et la texture
des mies de pain après panification.
2. Matériels et méthodes
machine de traction/compression de type INSTRON
1122, équipée d’un capteur de force (Instron Corp.,
Canton, MA, USA).
Chaque cylindre de pâte est compressé jusqu’à une
hauteur finale de 1 mm, à une vitesse constante (V =
0,08, 0,17 et 1,7 mm/s) et à une température de
20°C. La mesure est répétée 4 fois avec une
répétabilité vérifiée pour chaque essai (Fig. 1).
1,E+05
2.1 Préparation des pâtons
V = 0.17 mm/s
1,E+04
σ (Pa)
Quatre farines sont étudiées au cours de ce travail
(Tableau 1). Leur composition variée, notamment en
teneur en protéines, laisse entrevoir des textures
différentes après panification.
1,E+03
Farine Protéines
1
Cendres
Eau
2
Biscuit
9.0
0.57
12.2
*CNS
10.5
0.56
14.0
Gruau
13.5
0.47
15.0
Panif
11.5
0.58
14.3
Tableau 1 : Composition des farines, 1 en pourcentage de
matière sèche (%MS), 2 en pourcentage de matière totale
(%MT); farines fournies par Nutrixo et *Moulins Soufflet
2.2 Essais en compression uniaxiale lubrifiée
Pour ces essais, les farines sont pétries en pâtons de
50 g avec un farinographe Brabender (Brabender
Technologie, Duisburg, D), sans apport de levure.
Le niveau d’hydratation de la pâte a été défini sur la
farine CNS, afin d’obtenir une consistance
suffisamment ferme pour la réalisation des essais en
compression, soit à 9 % en dessous de l’hydratation
nécessaire pour un couple de 500 B.U. (unité
Brabender) mesuré à 62 tr/min (T = 30 °C, tmélange =
3 min). Une teneur en eau finale de 42.7 % MT est
atteinte. Les pâtons sont ensuite divisés en
échantillons de 5 g, nécessaires aux mesures
rhéologiques, puis placés dans des cylindres en
Téflon lubrifiés avec de l’huile de paraffine
(diamètre = 20 mm) et laissés au repos pendant 30
min à 20°C.
Les échantillons sont démoulés en cylindres
homogènes (hauteur h = 14 mm) et placés entre deux
plateaux parallèles en Téflon (diamètre = 20 mm),
lubrifiés avec de l’huile de paraffine. Ce choix
résulte de la forte hydrophobicité de l'huile de
paraffine et de sa très faible viscosité (110-230
mPa.s, à 20°C) par rapport à celle de la pâte Le
plateau supérieur est relié à la traverse mobile d’une
1,E+02
0
0,5
1
εb (-)
Figure 1 : Vérification de la répétabilité sur 4 essais
à V = 0,17 mm/s (farine Gruau)
La lubrification inhibe les cisaillements au niveau
des surfaces des plateaux et assure que la
déformation résultante est essentiellement une
extension biaxiale sur une surface constante. La
force F (N) est directement convertie en contrainte σ
(Pa).
La déformation biaxiale pendant la compression est
calculée selon la méthode utilisée par van Vliet et al.
[3].
εb = 1/2 ln (h(t)/h0)
(1)
où h0 est la hauteur initiale de l'échantillon.
La contrainte croît en fonction de la déformation
biaxiale εb (Fig. 2).
1,E+06
1,E+05
σ (Pa)
1
1,E+04
1.7 mm/s
0.17 mm/s
0.08 mm/s
1,E+03
1,E+02
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
εb (-)
Figure 2 : Contrainte σ fonction de la déformation εb pour
3 vitesses de compression (farine Gruau)
Chaunier et al., Rhéologie, Vol.8, 13-19 (2005)
15
Pour une déformation donnée (par exemple, εb = 0,1;
0,25; 0,5; 0,75; 1,0), la contrainte est calculée, puis
représentée (Fig. 3) en fonction de la vitesse de
déformation biaxiale, ε&b , définie par :
ε&b =
V
2h(t )
(2)
1,E+06
ηE = M ( ε&b )n-1
avec M coefficient de consistance (Pa.sn) et n indice
d’écoulement.
A vitesse de déformation constante, la Figure 4
permet de tracer la courbe σ = f(εb) (Fig. 5), qui
permet de calculer l'indice de rhéodurcissement, noté
SHI (Strain Hardening Index), défini par :
SHI =
εb = 1.0
εb = 0.75
εb = 0.5
εb = 0.25
εb = 0.1
y = 8.7E+04x0.20
2
σ (Pa)
R = 0.77
y = 5.3E+04x0.21
1,E+04
y = 3.3E+04x0.24
y = 1.9E+04x0.25
(4)
d ln σ
dε b
1,E+07
(5)
•
ε b =cst
εb = 1
εb = 0.75
0.27
y = 1.2E+04x
εb = 0.5
εb = 0.25
1,E+02
0,001
0,01
.
0,1
ηE (Pa.s)
1,E+06
1
εb (s-1)
La viscosité élongationnelle équibiaxiale apparente
ηE est calculée à partir des valeurs de contrainte et
de vitesse de déformation ε&b , pour chaque
déformation εb (Fig. 4) :
η E (ε b ) =
σ
ε&b
(3)
ε b =cte
Le comportement rhéofluidifiant de la pâte est
caractérisé par l’indice n (avec 0 < n < 1), dans la
relation liant ces deux variables :
V = 0.17 mm/s
V = 1.7 mm/s
1,E+04
0,001
0,01
.
0,1
1
εb (s-1)
Pour une déformation donnée, la contrainte
augmente avec la vitesse de déformation biaxiale. La
pente moyenne de ces courbes définit l’indice
d’écoulement n.
Le traitement des résultats pour différentes vitesses
de déformation permet de découpler ces effets.
Ainsi, la contrainte correspondante est déterminée
pour une vitesse de déformation biaxiale constante,
ε&b = 0,01 s-1, typique des valeurs rencontrées lors de
la fermentation [1] (Fig. 3).
y = 86964x-0,8
R2 = 0,98
1,E+05
Figure 3 : Contrainte σ fonction de la vitesse de
déformation biaxiale ε&b pour différentes déformations εb
(farine Gruau)
Figure 4 : Viscosité élongationnelle ηE fonction de la
vitesse de déformation biaxiale ε&b pour différentes
déformations (farine Gruau)
1,E+05
y = 3E+03e2,5x
R2 = 0,99
σ (Pa )
Le mode opératoire choisi entraîne une variation
simultanée de la déformation biaxiale et de la vitesse
de déformation, le régime permanent n’étant jamais
atteint. La pâte ayant une composante élastique et
une composante visqueuse, la contrainte nécessaire
pour déformer l’échantillon dépend de la
déformation et de la vitesse de déformation,
respectivement.
εb = 0.1
V = 0.08 mm/s
1,E+04
SHI
1,E+03
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
εb (-)
Figure 5. Contrainte σ fonction de la déformation εb, pour
ε&b = 0,01 s-1 (farine Gruau, SHI = 2.5)
2.3 Formulation et panification
Afin d’évaluer l’aptitude des farines à la
panification, les pains sont élaborés selon un
protocole normalisé BIPEA (Norme AFNOR NF
V03-716, Tableau 2). Pendant les étapes de
fermentation en masse, puis après division, le CO2
produit par les levures est retenu par la pâte (ρinitial ≈
1.25 g/cm3) de façon à former une mousse solide de
faible densité (mie de type "pain français", ρfinal ≈ 0.2
g/cm3).
16
Chaunier et al., Rhéologie, Vol.8, 13-19 (2005)
Pendant la cuisson, deux phases principales se
succèdent : le volume du pain augmente d’abord par
expansion du gaz produit lors de la fermentation,
puis se stabilise, la structure étant maintenue après
dénaturation thermique des protéines (gluten) et
gélatinisation de l’amidon.
Après refroidissement des pains, leur volume
spécifique est déterminé par déplacement de graines
de colza dans un récipient étalonné (± 0.2 cm3/g) et
la texture de leurs mies est évaluée par analyse
d’images.
Etape
Conditions expérimentales
Pétrissage
40 rpm, 4 min / 80 rpm, 17 min (sel
incorporé à 12 min) à T = 25 °C
Fermentation
en masse
20 min, 75 % HR à T = 27 °C
Divisage
350 g (+ 25 g pour mesure de
pousse), 10 min à Tambiante
Boulage
---
Fermentation
finale
120 min, 75 %HR à T = 27°C
Cuisson
27 min
Refroidissement 120 min à Tambiante
Tableau 2 : Protocole de panification BIPEA (Norme
AFNOR NF V03-716). Farine (2 kg, 100 %), eau
(farinographe + 9 %), sel (2.2 %), levure (2.5 %)
HR : humidité relative
2.4 Acquisition et analyse d’images
Des images des tranches des pains sont acquises
avec un scanner à plat (résolution 300 dpi). Les
images couleurs sont converties en niveaux de gris,
les parois des alvéoles étant les zones claires de
l’image (Fig. 6). Le traitement est fait selon une
méthode d’analyse de texture d’images basée sur la
morphologie mathématique [14]. L’érosion est une
opération de base où un masque (un carré de côté
2n+1 pixels) est appliqué à chaque portion de
l’image. Le niveau de gris du pixel central recouvert
par le masque devient égal au minimum du niveau
de gris des pixels recouverts.
L’érosion a pour effet de diminuer le niveau de gris
de l’image et de faire disparaître les objets dont une
des dimensions est inférieure au côté du masque. La
variation de la somme des niveaux de gris de
l’image est fonction des dimensions des objets, de
leur nombre et aussi de leur niveau de gris initial.
Figure 6 : Courbes granulométriques en niveaux de gris,
(farines Gruau et Panif)
L’étude des variations de la somme des niveaux de
gris lors d’érosions successives donne des
informations de type granulométrique sur les parois.
L’opération duale, la dilatation, attribue au pixel
central la valeur maximale des niveaux de gris vus
au travers du masque. Elle permet d’obtenir une
courbe de granulométrie en niveaux de gris des
alvéoles qui complète celle des parois.
La comparaison des variations des courbes nécessite
de les normaliser par rapport à la taille des tranches
et à leur intensité lumineuse. La Figure 6 illustre les
courbes normalisées obtenues sur deux produits de
texture différente.
La comparaison des courbes pour l’ensemble des
mies de l’étude (8 tranches x 3 pains, pour chaque
farine) se fait par Analyse en Composantes
Principales, qui permet d’établir une carte de
ressemblance. L’interprétation de cette carte se fait
d’après l’ordre dans lequel les images se placent et
la forme des vecteurs propres.
3. Résultats
3.1 Propriétés rhéologiques
Les mesures en compression uniaxiale lubrifiée,
réalisées pour des déformations εb de 0,1 à 1,25,
montrent que les pâtes à pain ont un comportement
élongationnel rhéofluidifiant, décrit par la loi
puissance (Eq. 4). La pâte issue de la farine à la plus
forte teneur en protéines (Gruau) présente une
viscosité élongationnelle bien plus élevée que les
autres (Fig. 7).
Chaunier et al., Rhéologie, Vol.8, 13-19 (2005)
17
Les valeurs élevées de M et SHI obtenues pour cette
farine sont vraisemblablement dues à sa forte teneur
en protéines, 13,5 %MS (les autres farines
présentant des teneurs en protéines moins
importantes, inférieures à 12 %MS), ce qui traduirait
le renforcement du réseau de gluten.
1,E+07
εb = 1
ηE (Pa.s)
1,E+06
1,E+05
Gruau
Biscuit
Panif
CNS
1,E+04
1,E-02
1,E-01
1,E+00
.
εb (s-1)
3.2 Evaluation en panification
Figure 7 : Courbes de viscosité élongationnelle pour
quatre farines à εb = 1
Les valeurs des indices n et des consistances M
varient d’un facteur 2 pour l’ensemble des pâtes
(Tableau 3).
Farine
SHI
M (Pa.sn)
1,95
CNS
n
52 10
3
0,38
3
0,19
Biscuit
2,06
43 10
Panif
2,10
51 103
0,25
2,50
3
0,20
Gruau
87 10
Pour une vitesse de déformation ε&b constante (ici,
de 0,01 s-1), les variations de σ représentées sur une
échelle logarithmique en fonction de la déformation
εb donnent l'indice de rhéodurcissement SHI (Figs. 5
et 8). CNS, Biscuit et Panif présentent des valeurs
proches de SHI, comprises entre 1,95 et 2,1. Elle est
plus importante pour Gruau : 2,5 (Tableau 3).
1,E+05
y = 3.1E+03e2,50x
R2 = 0,99
2,06x
y = 2.2E+03e
σ (Pa)
y = 2.0E+03e2,10x
1,E+04
1,95x
y = 1.4E+03e
Gruau
Biscuit
Panif
CNS
1,E+03
0,2
0,4
0,6
0,8
Les caractéristiques des pains obtenus sont
présentées dans le Tableau 4. La farine Panif donne
un pain aux caractéristiques optimales pour un
produit de type "pain français", avec un volume
spécifique élevé (6 cm3/g). Les farines CNS, Gruau
et surtout Biscuit donnent des pains plus denses.
Farine
Tableau 3 : Résultats obtenus en compression uniaxiale
lubrifiée
0
La teneur en eau, inférieure de 15 % en valeur
absolue, explique que les valeurs de SHI soient 50 %
plus élevées et l’ordre de grandeur des valeurs de M
environ 10 fois supérieur à celles déterminées par
Rouillé et al. [13].
1
εb (-)
Figure 8 : Détermination des SHI, à ε&b = 0,01 s-1
1,2
Volume
(cm3)
Masse
(g)
Volume spécifique
(cm3/g)
Panif
1593
265
6.0
CNS
1374
271
5.1
Gruau
1370
277
4.9
Biscuit
994
274
3.6
Tableau 4 : Résultats obtenus en panification
Les courbes normalisées de granulométrie en
niveaux de gris, obtenues par analyse de texture
d’images, sont en forme de pic typique de texture
fines (Fig. 6). Pour l’ensemble des mies de l’étude,
cette même forme est obtenue. Une Analyse en
Composantes Principales des courbes donne la carte
de ressemblance des mies de pain (Fig. 9). La
première composante décrit 82 % des variations
entre les textures de mie. Les images se placent sur
son axe de la plus aérée pour les valeurs élevées
(Panif), à la plus fine pour les valeurs les plus faibles
(Gruau). La deuxième composante est moins
significative, avec seulement 12 % des variations
décrites. Les images aux plus faibles valeurs selon
l’axe des ordonnées sont celles qui présentent
essentiellement des parois d’épaisseur moyenne,
contrairement à celle aux valeurs fortes, présentant
une structure plus hétérogène (Biscuit).
4. Discussion
Les farines CNS et Panif donnent des pains aux mies
les plus expansées et aux structures alvéolaires
18
Chaunier et al., Rhéologie, Vol.8, 13-19 (2005)
homogènes, présentant les parois les plus régulières
(Fig. 9). Leurs comportements rhéologiques proches,
en viscosité (M et n voisins) comme en
rhéodurcissement
(SHI),
semblent
donc
caractéristiques de farines à bon potentiel de
panification (Tableaux 3 et 4).
La farine Biscuit présente des résultats équivalents à
ceux obtenus pour CNS et Panif en
rhéodurcissement (SHI ≈ 2), mais avec un
coefficient de consistance de pâte bien plus faible, à
relier certainement à sa faible teneur en protéines
(inférieure à 9 % MS, Tableau 1). La pâte obtenue
après pétrissage présente donc un réseau de gluten
faible, entraînant une mie au volume spécifique
moins important et une structure alvéolaire
hétérogène (Fig. 9).
5. Conclusion
Ces travaux confirment la pertinence du test LSF
pour la mesure des propriétés élongationnelles de
pâtes issues de blés différents. Même si elles ne
déterminent pas directement la structure alvéolaire
des mies de pain, ces propriétés définissent un
intervalle de mesures caractéristiques des farines les
plus prometteuses en panification. Ainsi,
l’évaluation de la viscosité élongationnelle
équibiaxale en grandes déformations permet de
compléter les tests d’aptitude des farines,
actuellement
déterminée
empiriquement
en
meunerie et en boulangerie. Une analyse plus fine de
la composition des farines et l’évaluation de l’effet
de chaque étape de panification sur les propriétés
rhéologiques des pâtes permettraient de préciser leur
influence sur la texture finale des mies de pain.
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier Antoine Nachon
(IUT Sciences et Génie des Matériaux, Nantes) pour
son assistance technique.
Références
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baking quality. Cereal Foods World, 35, 237-244 (1990).
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Lubricated squeezing flow: a new biaxial extensional
rheometer. J. Rheol., 25, 433-443 (1981).
Figure 9 : Carte de ressemblance des mies de pain
Les résultats obtenus pour la farine Gruau lors des
tests LSF mettent en évidence sa viscosité
particulièrement élevée, en lien avec sa forte teneur
en protéines. Cette farine donne pourtant des pains
assez expansés (Tableau 4), mais présentant une
structure alvéolaire très fine (Fig. 9).
Contrairement à ce qui avait été obtenu pour des
pâtes de même farine et de compositions différentes
pour les constituants mineurs [13], les
caractéristiques de texture des mies ne sont pas
corrélées directement aux valeurs des propriétés
élongationnelles, même si celles-ci diffèrent
sensiblement. La poursuite de ces travaux requerra
donc l’élargissement du domaine expérimental à des
farines de compositions intermédiaires et à l’étude
de l’évolution du comportement rhéologique des
pâtes au cours des étapes de panification, jusqu’à la
cuisson.
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[Abridged English version]
Bread crumb cellular structure results from bubbles growth in a viscoelastic dough whose elongationnal
properties may be characterized. Lubricated squeezing flow (LSF) allows to measure extensional biaxial
viscosity for large deformations (0.1 < εb < 1.25), as well as Strain Hardening Index (SHI), for a constant rate of
deformation. Trials have been performed on various flours (proteins content from 9 to 14 %, dry basis), leading
to breads whose crumbs texture was evaluated by images analysis. Results confirm the efficiency of the LSF
test to measure dough elongationnal properties, even if no straight correlations were found between flours
composition and crumbs cellular structure. A deeper analysis of minor components content in flours and the
evaluation of rheological behaviour of dough along breadmaking process should allow to enhance the
understanding of their influence on crumbs texture.
Keywords : Lubricated squeezing flow, dough, cellular structure, viscosity