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Concepts de génie alimentaire. Opérations, procédés associés et applications à la conservation des aliments

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Description

Avec le développement des nutraceutiques et des aliments fonctionnels, les aliments deviennent des systèmes de plus en plus complexes. Afin de tirer parti de ce marché en plein développement, l'industrie alimentaire recherche de nouvelles technologies ou opérations unitaires lui permettant de mieux répondre aux besoins des consommateurs. Dans ce contexte de mutation de l'industrie agroalimentaire, Concepts de génie alimentaire présente de manière détaillée l'ensemble des opérations unitaires mises en jeu dans la conservation des aliments.
Dans une première partie, l'ouvrage aborde tous les principes de conservation et notions préliminaires fondamentales (activité de l'eau, propriétés thermophysiques des aliments, transfert de chaleur, etc.), nécessaires pour comprendre les opérations unitaires et les procédés appliqués à la conservation des aliments faisant l'objet de la seconde partie. Les technologies ou opérations unitaires traditionnelles en industrie agroalimentaire (pasteurisation, concentration, etc.) sont ainsi analysées mais aussi les technologies de séparation qui sont appelées à se développer (séparation électromembranaire) ou en plein développement (séparation baromembranaire).
Avec une approche orientée vers la résolution de cas concrets, cet ouvrage permet d'effectuer de nombreux calculs pratiques et par conséquent de résoudre une grande partie des problèmes quotidiens rencontrés en milieu industriel.

Concepts de génie alimentaire s'adresse à tous les professionnels de l'industrie de la transformation alimentaire. Il constitue un outil pratique aux personnes travaillant ou se destinant à travailler dans les industries agroalimentaires ou chimiques, et désirant faire des calculs appliqués. Il sera également utile à tous les étudiants, enseignants et chercheurs dans les domaines de la transformation alimentaire et du génie des procédés.

Introduction. I - Principes de conservation et notions préliminaires. 1 - L'activité de l'eau en conservation des aliments. 2 - Cinétique de réaction et paramètres de prédiction de la durée de vie des aliments. 3 - Fluides et écoulements. 4 - Propriétés thermophysiques des aliments. 5 - Bilans de matière et d'énergie. 6 - Transfert de chaleur. 7 - Notions générales sur les mélanges air-vapeur d'eau. 8 - Transfert de masse. II - Opérations unitaires et procédés de conservation. 9 - Échangeur de chaleur. 10 - Le blanchiment. 11 - La pasteurisation et la stérilisation des aliments. 12 - La réfrigération et l'entreposage réfrigéré. 13 - Congélation des aliments. 14 - Concentration par évaporation. 15 - Le séchage ou la déshydratation des aliments. 16 - Débactérisation, concentration et purification par procédés baromembranaires (L. Bazinet, L. Firdaous et Y. Pouliot). 17 - Déminéralisation, enrichissement et stabilisation par procédés électromembranaires. Annexes. Index.

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Informations

Publié par
Date de parution 07 novembre 2011
Nombre de lectures 137
EAN13 9782743019310
Langue Français
Poids de l'ouvrage 13 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,0592€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

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"-'")/02825
1
Laurent Bazinet est ingénieur et professeur titulaire à l’Université Laval
(Québec, Canada). Il enseigne actuellement le génie des procédés et la
transformation alimentaire au département de sciences des aliments et de nutrition. Ses
intérêts de recherche portent sur l’étude des phénomènes électrodialytiques et
leurs impacts sur les composés bio-alimentaires. En 15 ans de carrière, il a déjà FZWJSY'F_NSJY�+ WFSqTNX(FXYFNLSJ
publié plus de 90 articles scientifiques dans des revues internationales et donné
plus de 170 communications scientifiques.
François Castaigne est ingénieur et professeur émérite à l’Université Laval
(Québec, Canada). Il a enseigné pendant 35 ans les procédés unitaires et la
conservation des aliments. Tout au long de sa carrière scientifique, il a mené à
bien un vaste programme de recherche en génie alimentaire et conservation des
aliments. Il a contribué à la formation de 48 étudiants à la maîtrise et au doctorat.
Durant sa carrière il a publié 110 articles scientifiques dans des revues
internationales, 10 chapitres de livres et 9 brevets.
Avec le développement des nutraceutiques et des aliments fonctionnels, les
aliments deviennent des systèmes de plus en plus complexes, soumis à de nombreuses
réactions de détérioration. Afin de tirer parti de ce marché en plein développement,
l’industrie alimentaire recherche de nouvelles technologies ou opérations unitaires
lui permettant de mieux répondre aux besoins des consommateurs, notamment en
termes de délais et de qualité de conservation des aliments.
Dans ce contexte de mutation de l’industrie agroalimentaire, Concepts de génie
alimentaire présente de manière détaillée l’ensemble des procédés mis en jeu dans
la conservation des aliments.
Dans une première partie, l’ouvrage décrit tous les principes de conservation et
les notions préliminaires fondamentales (activité de l’eau, propriétés
thermophysiques des aliments, transfert de chaleur...), nécessaires à la maîtrise des opérations Concepts de
unitaires mises en œuvre. Les différents procédés de conservation des aliments sont
ensuite analysés dans une deuxième partie à travers l’étude des technologies ou
opérations unitaires traditionnelles utilisées en industrie agroalimentaire (pasteuri- génie alimentairesation, concentration, etc.) et des technologies de séparation qui sont appelées à se
développer (séparation électromembranaire) ou en plein développement (séparation
baromembranaire).
Avec une approche orientée vers la résolution de cas concrets, cet ouvrage Procédés associés et applications
permet d’effectuer de nombreux calculs pratiques et par conséquent de résoudre
une grande partie des problèmes quotidiens rencontrés en milieu industriel.
à la conservation des aliments
Concepts de génie alimentaire s’adresse à tous les professionnels de l’industrie
de la transformation alimentaire. Il constitue un outil pratique pour les personnes
travaillant ou se destinant à travailler dans les industries agroalimentaires ou
chimiques, et désirant faire des calculs appliqués. Il sera également utile à tous les
étudiants, enseignants et chercheurs dans les domaines de la transformation
alimentaire et du génie des procédés.
978-2-7430-1393-6
1393-Bazinet.indd 1 1/07/11 16:15:02
Laurent Bazinet
Concepts de génie alimentaire
François Castaigne
Procédés associés et applications à la conservation des alimentsXIV Concepts de génie alimentaire


Concepts de génie alimentaire
Procédés associés
et applications à la conservation des aliments
Laurent Bazinet
François Castaigne
11 rue Lavoisier
75008 Paris Chez le même éditeur
Génie des procédés appliqués à l’industrie laitière
eR. Jeantet, G. Brulé, G. Delaplace, 2 édition, 2011
Polyphénols et procédés : transformation des polyphénols au travers des procédés
appliqués à l’agro-alimentaire
S. Collin, J. Crouzet, coll. AUF, 2011
Sciences des aliments. Biochimie, microbiologie, procédés, produits.
Volume 1 : stabilisation biologique et physico-chimique
R. Jeantet, T. Croguennec, P. Schuck, G. Brulé, 2006
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Volume 2 : technologie des produits alimentaires
R. P. Schuck, G. Brulé, 2006
Génie industriel alimentaire. Tome 2 : techniques séparatives
eP. Mafart, E. Béliard, 2 édition, 2004
Génie industriel alimentaire. Tome 1 : procédés physiques de conservation
eP. Mafart, 2 édition, 1997
© Lavoisier, 2011
ISBN : 978-2-7430-1393-6
Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages
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du droit de copie (20 rue des Grands Augustins – 75006 Paris), est illicite et constitue une contrefaçon.
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erscientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (Loi du 1 juillet 1992 –
art. L. 122-4 et L. 122-5 et Code pénal art. 425). Table des matières
Introduction...............................................................................................................................................1
Première partie
Principes de conservation et notions préliminaires
Chapitre 1
L’activité de l’eau en conservation des aliments
1. L’activité de l’eau.................................................................................................................................7
1.1 Définition ....................................................................................................................................7
1.2 Relation a et humidité relative...................................................................................................8 w
1.3 Loi de Raoult...............................................................................................................................9
1.4 Mesure de l’activité de l’eau .....................................................................................................10
2. Les isothermes de sorption .................................................................................................................11
2.1 Définition et relation avec la valeur d’a ...................................................................................11 w
2.2 Courbes de désorption et d’adsorption ......................................................................................11
2.3 Hystérèsis.................13
2.4 Détermination théorique de la couche d’eau monomoléculaire.................................................14
2.5 Relation entre isotherme de sorption et entreposage d’un aliment ............................................16
3. Relation entre l’activité de l’eau et la détérioration des aliments........................................................18
3.1 Catégories d’aliments et activité de l’eau..................................................................................18
3.2 Réactions de détérioration des aliments liées à l’a ...................................................................20 w
3.2.1 Oxydation des lipides....................................................................................................20
3.2.2 Brunissement non enzymatique ....................................................................................21
3.2.3 Réactions enzymatiques................................................................................................21
3.2.4 Croissance des microorganismes ..................................................................................22
3.3 Comment baisser l’activité de l’eau ..........................................................................................23
3.4 Les produits à humidité intermédiaire .......................................................................................24
3.4.1 Procédé dit d’infusion humide24
3.4.2 Procédé dit de mélange .................................................................................................26
Conclusion ................................................................................................................................................29
Bibliographie ............................................................................................................................................30
Chapitre 2
Cinétique de réaction et paramètres de prédiction de la durée de vie des aliments
1. Vitesse et ordre de la réaction.............................................................................................................32
1.1 Vitesse de réaction.....................................................................................................................32
1.2 Ordre de la réaction ...................................................................................................................33
1.2.1 Réaction d’ordre zéro....................................................................................................33
1.2.2d’ordre un.......................................................................................................36
1.2.3 Réaction d’ordre deux...................................................................................................38
1.2.4d’ordre trois.39 IV Concepts de génie alimentaire
2. Impact de la température sur la constante de réaction.........................................................................43
2.1 Énergie d’activation ..................................................................................................................43
2.1.1 Définition......................................................................................................................43
2.1.2 Niveau énergétique de la réaction .................................................................................43
2.1.3 Énergie d’activation et chauffage thermique.................................................................44
2.2 La loi d’Arrhénius .....................................................................................................................45
3. Effet des conditions environnementales..............................................................................................47
3.1 Valeur Q .................................................................................................................................47 10
3.2 Généralisation de la valeur du Q en fonction de la température..............................................50 10
4. La destruction ou l’inactivation en fonction du temps ........................................................................51
4.1 Cinétique de la réaction ............................................................................................................51
4.2 Le temps de réduction décimale (D) .........................................................................................52
5. La destruction ou l’inactivation en fonction de la température...........................................................53
5.1 Cinétique de réaction................................................................................................................53
5.2 La valeur Z ................................................................................................................................55
Conclusion ................................................................................................................................................58
Bibliographie ............................................................................................................................................58
Chapitre 3
Fluides et écoulements
1. Types d’écoulement des fluides..........................................................................................................59
1.1 Définition ..................................................................................................................................59
1.2 Écoulement newtonien ..............................................................................................................60
1.3ement non newtonien .......................................................................................................60
1.4 Écoulements plastique et quasiplastique....................................................................................61
2. Viscosimétrie......................................................................................................................................64
3. Écoulement des fluides newtoniens et non newtoniens ......................................................................68
3.1 Écoulement des fluides newtoniens...........................................................................................68
3.2emdes fluides non newtoniens....................................................................................71
Bibliographie ............................................................................................................................................72
Chapitre 4
Propriétés thermophysiques des aliments
1. La chaleur.........................73
1.1 La chaleur massique C .............................................................................................................73 p
1.1.1 Au-dessus du point de congélation de l’aliment............................................................74
1.1.2 En dessous du point de ation de l’aliment ..........................................................78
1.2 La chaleur latente C .................................................................................................................80 L
2. Masse volumique ( ) ..........................................................................................................................81
2.1 Si on ne connaît que la teneur en eau ........................................................................................81
2.2 Si on connaît la composition de l’aliment .................................................................................81
2.2.1 Au-dessus du point de congélation de l’aliment81
2.2.2 En dessous du point de ation de l’aliment82
3. Conductivité thermique (K)................................................................................................................83
3.1 Au-dessus du point de congélation de l’aliment........................................................................84
3.1.1 Si on ne connaît que le pourcentage d’eau ....................................................................84
3.1.2 Si on connaît le pourcentage d’eau et la température....................................................85
3.1.3 Si on connaît la composition de l’aliment et la température (T) ...................................85
3.2 En dessous du point de congélation de l’aliment.......................................................................85
3.2.1 Si on connaît le pourcentage d’eau W...........................................................................85 Table des matières V
3.2.2 Si on connaît la température de congélation commençante
ou de changement d’état (T ) et la température du produit congelé (T) ........................86 e
4. Diffusivité thermique ( )....................................................................................................................87
4.1 Au-dessus du point de congélation de l’aliment........................................................................88
4.1.1 Si on connaît le pourcentage d’eau ...............................................................................88
4.1.2 aît le pourcentage d’eau (W), le pourcentage de gras (F)
et la température (T) .....................................................................................................88
4.2. En dessous du point de congélation de l’aliment.......................................................................88
Bibliographie ............................................................................................................................................89
Chapitre 5
Bilans de matière et d’énergie
1. Les bilans de matière ..........................................................................................................................91
1.1 Principe du bilan de matière ......................................................................................................91
1.1.1 Définitions générales et base de calcul..........................................................................91
1.1.2 Bilan de matière global .................................................................................................93
1.1.3 Bilan de matière sur les composants .............................................................................94
1.2 Bilan de matière relatif à la dilution, la concentration et la déshydratation ...............................96
1.2.1 Dilution.........................................................................................................................96
1.2.2 Concentration................................................................................................................97
1.2.3 Séchage.........................................................................................................................97
1.3 Bilan de matière dans les mélanges de produits ........................................................................98
2. Énergie et bilan d’énergie.................................................................................................................101
2.1 Définitions................................................................................................................101
2.1.1 La chaleur...................................................................................................................101
2.1.2 Énergie consommée pour produire de la chaleur ........................................................101
2.2 Vapeur saturante et utilisation des tables de vapeur saturante................................................103
2.3 Bilans d’énergie.......................................................................................................................108
Bibliographie........................109
Chapitre 6
Transfert de chaleur
1. Les transferts de chaleur ...................................................................................................................111
2. Les modes de transfert de chaleur.....................................................................................................112
2.1 Transfert de chaleur par conduction ........................................................................................112
2.1.1 Définition....................................................................................................................112
2.1.2 Taux de transfert de chaleur par conduction ...............................................................113
2.2 Transfert de chaleur par convection115
2.2.1 Définition.....115
2.2.2 Taux de transfert de chaleur par convection................................................................115
2.3 Transfert de chaleur par radiation............................................................................................116
2.3.1 Définition.....116
2.3.2 Taux de transfert de chaleur par radiation...................................................................117
3. Transferts de chaleur stationnaires...........117
3.1 Transfert par conduction dans un corps solide : cas général....................................................117
3.2 de chaleur par conduction à travers des couches successives...................................119
3.3 Transfert par conduction à travers la paroi d’un tuyau ............................................................121
3.4 par co à travers la paroi d’un tuyau multicouche........................................124
3.5 Cas de transferts de chaleur combinés (conduction-convection)
à travers une paroi entourée de deux fluides............................................................................125 VI Concepts de génie alimentaire
3.6 Cas de transferts de chaleur combinés (convection-conduction)
à travers la paroi d’un tuyau ....................................................................................................128
3.7 Détermination des coefficients de transfert de chaleur par convection h.................................132
3.7.1 Invariants de similitude...............................................................................................132
3.7.2 Équations permettant de calculer le coefficient de transfert de chaleur
par convection h..........................................................................................................136
3.8 Corps chauffé par une source radiante : cas général................................................................141
3.9 Taux de transfert par radiation entre deux objets.....................................................................143
3.9.1 Transfert de chaleur par radiation et facteur de forme ................................................143
3.9.2 Évaluation du facteur de forme ...................................................................................144
4. Transferts de chaleur non stationnaires.............................................................................................149
4.1 Chauffage et refroidissement de produits alimentaires solides150
4.1.1 Transferts de chaleur et résistances thermiques associées...........................................150
4.1.2 Approche expérimentale de la cinétique de variation de la température
dans l’aliment..............................................................................................................152
4.1.3 Relation entre la cinétique de variation de la température expérimentale et théorique154
4.1.4 Transfert de chaleur non stationnaire dans des solides
ayant la forme d’un parallélépipède rectangle et d’un cylindre fini ............................157
4.2 Chauffage et refroidissement de produits alimentaires liquides ..............................................161
Bibliographie ..........................................................................................................................................162
Annexes .................................................................................................................................................164
Chapitre 7
Notions générales sur les mélanges air-vapeur d’eau
1. Humidité relative ..............................................................................................................................167
2. Mélange air-vapeur d’eau .................................................................................................................168
3. Température du thermomètre humide T ..........................................................................................169 h
4. Enthalpie de l’air humide..................................................................................................................173
5. Utilisation du diagramme enthalpique de l’air humide ou diagramme psychrométrique..................175
5.1 Diagramme enthalpique...........................................................................................................175
5.2 Détermination de la température de rosée T ...........................................................................178 r
5.3 ination de la température du thermomètre humide T ..................................................179 h
5.4 Détermination de la teneur en eau de l’air lors du chauffage de l’air ......................................180
5.5 Détermination de l’enthalpie de l’air.......................................................................................181
6. Détermination des caractéristiques d’un mélange d’air ....................................................................182
7. Cas du séchage par entraînement d’air : méthode approchée............................................................184
7.1 Bilan de matière ......................................................................................................................184
7.2 Bilan d’énergie ........................................................................................................................184
Bibliographie ..........................................................................................................................................187
Chapitre 8
Transfert de masse
1. Les transferts de masse .....................................................................................................................189
2. Les modes de transfert de masse.......................................................................................................190
2.1 Transfert de masse par diffusion .............................................................................................190
2.1.1 Définition....................................................................................................................190
2.1.2 Taux de transfert de masse par diffusion.....................................................................191
2.2 Transfert de masse par convection ..........................................................................................194
2.2.1 Définition.....194
2.2.2 Taux de transfert de masse par convection..................................................................195 Table des matières VII
2.3 Transfert de masse par migration ............................................................................................196
2.3.1 Définition....................................................................................................................196
2.3.2 Taux de transfert de masse par migration ...................................................................196
3. Transferts de masse stationnaires...........197
3.1 Transfert de masse par diffusion dans un corps : cas général ..................................................197
3.1.1 Cas des liquides ..........................................................................................................198
3.1.2 Cas des gaz..................................................................................................................199
3.2 Transfert de masse par diffusion à travers des couches successives........................................205
3.2.1 Cas des liquides.205
3.2.2 Cas des gaz....207
3.3 Transfert de masse par diffusion dans un cylindre ..................................................................209
3.3.1 Cas des liquides.209
3.3.2 Cas des gaz....211
3.4 Cas de transferts de masse combinés (diffusion-convection) à travers une paroi plane ..........212
3.4.1 Cas des liquides.212
3.4.2 Cas des gaz....214
3.5 Cas de transferts de masse combinés (diffusion-convection) à travers la paroi d’un tuyau.....215
4. Estimation des coefficients de transferts de masse par convection ...................................................218
4.1 Invariants de similitude ...........................................................................................................218
4.1.1 Le nombre de Reynolds : N .....................................................................................218 Re
4.1.2 Le nombre de Sherwood : N218 Sh
4.1.3 Le nombre de Schmidt : N ........................................................................................219 Sc
4.1.4 Le nombre de Lewis : N ...........................................................................................219 Le
4.1.5 Le nombre de Biot : N ..............................................................................................219 Bi
4.2. Équations permettant de calculer le coefficient de transfert de masse par convection.............220
4.2.1 Cas d’un fluide s’écoulant dans un tuyau....................................................................220
4.2.2 ide s’écoulant parallèlement à une paroi plane ........................................220
4.2.3 ideant autour d’une sphère ..........................................................221
4.2.4 Cas d’une cuve munie d’un agitateur..........................................................................222
5. Transferts de masse non stationnaires...............................................................................................222
5.1 Diffusion transitoire ................................................................................................................223
5.2 Diffusion des gaz.....................................................................................................................226
Bibliographie ..........................................................................................................................................228
Seconde partie
Opérations unitaires et procédés de conservation
Chapitre 9
Échangeur de chaleur
1. Principe de fonctionnement d’un échangeur de chaleur....................................................................231
1.1 Fonctionnement d’un échangeur de chaleur ............................................................................231
1.2 Profil de température...............................................................................................................233
2. Différents types d’échangeurs de chaleur .........................................................................................233
2.1 Les échangeurs de chaleur à plaques .......................................................................................233
2.1.1 Généralités..................................................................................................................233
2.1.2 Modes de fonctionnement...........................................................................................234
2.1.3 Configurations ............................................................................................................234
2.1.4 Autres paramètres importants des échangeurs de chaleur à plaques ...........................236
2.2 Les échangeurs de chaleur à spirale.........................................................................................237
2.3 Les échangeurs de chaleur à surface raclée .............................................................................237 VIII Concepts de génie alimentaire
2.4 Les échangeurs de chaleur tubulaires ......................................................................................238
2.5 Les échangeurs de chaleur par infusion vapeur .......................................................................239
3. Transfert de chaleur et évaluation de la taille ...................................................................................240
3.1 Coefficient de transfert de chaleur global................................................................................241
3.2 Paramètres impliqués dans l’évaluation de la taille d’un échangeur de chaleur ......................241
3.3 Récupération de chaleur ..........................................................................................................246
3.3.1 Conceptualisation d’un échangeur à plaque avec section de récupération ..................246
3.3.2 Calcul du taux de récupération....................................................................................246
Bibliographie ..........................................................................................................................................249
Chapitre 10
Le blanchiment
1. Buts du blanchiment et effets sur l’aliment.......................................................................................251
1.1 L’inactivation des enzymes .....................................................................................................251
1.2 Autres fonctions du blanchiment.............................................................................................252
1.3 Les inconvénients du blanchiment...........................................................................................252
2. Les procédés de blanchiment...........253
2.1 Les blancheurs à eau................................................................................................................253
2.2 blancheurs à vapeur ..........................................................................................................255
3. Durée et température de blanchiment ...............................................................................................256
3.1 Les transferts de chaleur..........................................................................................................256
3.2 Résistance au transfert de chaleur............................................................................................257
Bibliographie ..........................................................................................................................................261
Chapitre 11
La pasteurisation et la stérilisation des aliments
1. La pasteurisation...............................................................................................................................263
1.1 But de la pasteurisation, applications et effets sur l’aliment....................................................263
1.1.1 Destruction des microorganismes et barèmes de pasteurisation..................................263
1.1.2 Applications................................................................................................................264
1.1.3 Les effets sur les aliments ...........................................................................................264
1.2 Les procédés de pasteurisation ................................................................................................265
1.3 Durée et température de pasteurisation....................................................................................266
1.3.1 Les calculs reliés à la pasteurisation des aliments liquides .........................................266
1.3.2 Les calculs reliés à la pasteurisatialiments solides...........................................270
2. La stérilisation des aliments..............................................................................................................271
2.1 But de la stérilisation et effet sur l’aliment..............................................................................271
2.1.1 La destruction des microorganismes ...........................................................................271
2.1.2 Les effets sur les aliments271
2.2 Les procédés de stérilisation....................................................................................................273
2.2.1 Les autoclaves discontinus..........................................................................................273
2.2.2autoclaves continus278
2.3 Barème de stérilisation ............................................................................................................282
2.3.1 La valeur stérilisatrice.................................................................................................283
2.3.2 Étude de la pénétration de la chaleur dans une boîte de conserve...............................289
2.3.3 Calcul de la valeur létale d’un traitement thermique...................................................299
2.3.4 Changement dans les conditions de stérilisation .........................................................312
2.3.5 Refroidissement des boîtes de conserves ....................................................................316
2.3.6 Méthode d’ajustement des barèmes de stérilisation ....................................................319 Table des matières IX
2.4 Stérilisation d’aliments faiblement acides dans les procédés continus
à remplissage aseptique ...........................................................................................................319
2.4.1 Détermination du temps de stérilisation dans le cas des produits liquides ..................319
2.4.2 Détermination du temps de stérilisation dans le cas des produits liquides
contenant des morceaux solides ..................................................................................321
Conclusion ..............................................................................................................................................326
Bibliographie ..........................................................................................................................................326
Chapitre 12
La réfrigération et l’entreposage réfrigéré
1. Introduction ......................................................................................................................................327
2. Refroidissement des viandes.............................................................................................................327
2.1 Morphologie du muscle...........................................................................................................327
2.2 Rigidité cadavérique et maturation..........................................................................................328
2.3 Réfrigération des viandes ........................................................................................................330
3. Entreposage des fruits et légumes.....................................................................................................333
3.1 Refroidissement et entreposage réfrigéré ................................................................................333
3.2 Entreposage sous atmosphère contrôlée ou modifiée ..............................................................336
4. Besoins frigorifiques.........................................................................................................................337
4.1 Pertes d’énergie à travers les parois de l’entrepôt....................................................................338
4.2 Pertes d’énergie à travers les fissures ......................................................................................340
4.3 Pertes d’énergie par renouvellement d’air...............................................................................340
4.4 Pertes d’énergie par les portes.................................................................................................341
4.5 Perte d’énergie par production de chaleur à l’intérieur de l’entrepôt.......................................342
4.6 Pertes d’énergie dues à la respiration des fruits et légumes.....................................................342
4.7 Évaluation de la quantité d’énergie à retirer du produit pour baisser sa température
à celle de l’entrepôt .................................................................................................................345
4.8 Puissance de l’installation frigorifique ....................................................................................346
Bibliographie ..........................................................................................................................................348
Chapitre 13
Congélation des aliments
1. Introduction ......................................................................................................................................349
2. Formation des cristaux de glace........................................................................................................349
2.1 Nucléation et taille des cristaux...............................................................................................349
2.2 Recristallisation.......................................................................................................................350
3. Effet de la congélation sur l’aliment.................................................................................................351
3.1 Diagramme de phases de l’eau et eutectique ...........................................................................351
3.2 Effet sur l’eau non congelée ....................................................................................................355
3.3 Effet sur la structure cellulaire.......355
3.4 Détérioration de l’aliment pendant la congélation et l’entreposage à l’état congelé................356
4. Procédés de congélation....................................................................................................................357
4.1 Congélateurs où la production de froid est mécanique ............................................................357
4.1.1 Congélateurs à air .......................................................................................................357
4.1.2eur par immersion.........................................................................................358
4.1.3 Les congélateurs par contact avec une surface froide .................................................359
4.2 Congélation cryogénique.........................................................................................................362
5. Thermodynamique de la congélation................................................................................................364
5.1 Température de congélation commençante T .........................................................................365 e
5.2 Pourcentage d’eau congelée ....................................................................................................367 X Concepts de génie alimentaire
5.3 Variation de l’enthalpie durant la congélation.........................................................................368
6. Évaluation des temps de congélation................................................................................................370
6.1 Méthode de Plank....................................................................................................................371
6.2de Plank modifiée.....................................................................................................374
6.2.1 Évaluation de t376 r
6.2.2 Évaluation de t377 c
6.2.3 ation de t377 e
7. Vitesse de congélation ......................................................................................................................384
8. Évolution de la qualité au cours de l’entreposage.............................................................................384
9. Décongélation...................................................................................................................................390
Bibliographie ..........................................................................................................................................390
Chapitre 14
Concentration par évaporation
1. Principe et types d’évaporateurs .......................................................................................................391
1.1 Principe ...................................................................................................................................391
1.2 Les différents types d’évaporateurs.........................................................................................392
1.2.1 Évaporateur à flot grimpant ........................................................................................393
1.2.2teurs à flot descendant....................................................................................394
1.2.3 Évaporateurs spiralés ..................................................................................................394
1.2.4teur à plaques .................................................................................................395
1.2.5 Évaporateurs à surface raclée......................................................................................395
2. Bilans d’énergie et de matière...........................................................................................................396
2.1 Les bilans d’énergie et de matière dans un évaporateur à un effet...........................................396
2.2 énergie et de matière dans un évaporateur à multiples effets ..............................400
3. Facteurs influençant la qualité du produit alimentaire ......................................................................403
4. Thermocompression et recompression mécanique des vapeurs........................................................405
4.1 La thermocompression ............................................................................................................405
4.2 La recompression mécanique ..................................................................................................406
Bibliographie ..........................................................................................................................................409
Chapitre 15
Le séchage ou la déshydratation des aliments
1. Transfert de chaleur et procédés de séchage .....................................................................................411
1.1 Transfert de chaleur.................................................................................................................411
1.2 Procédés de séchage ................................................................................................................411
2. Les différents appareils de séchage...................................................................................................412
2.1 Four à air chaud.......................................................................................................................412
2.2 Sécheur à plateau.....................................................................................................................413
2.3 Tunnel de séchage.........413
2.4 Sécheur à lit fluidisé ................................................................................................................414
2.5 Sécheur à atomisation..............................................................................................................415
2.6 Sécheur à tambour.........417
2.7 Lyophilisateur..........................................................................................................................418
3. Séchage des aliments par entraînement d’air ....................................................................................420
3.1 Taux de transferts de chaleur et de matière .............................................................................420
3.2 Courbes de séchage .................................................................................................................421
3.2.1 Séchage à vitesse constante.........................................................................................421
3.2.2 à vitesse décroissante ....................................................................................426 Table des matières XI
3.3 Bilan de matière et d’énergie dans un sécheur à entraînement d’air........................................435
3.3.1 Bilan de matière ..........................................................................................................436
3.3.2 d’énergie............................................................................................................437
4. Cas particuliers des aliments liquides : séchage par atomisation ......................................................442
4.1 Temps de séchage pendant la période à vitesse constante .......................................................442
4.2 Temps de séchage pendant la période à vitesse décroissante...................................................447
5. Séchage à tambour............................................................................................................................451
6. S par lyophilisation................................................................................................................454
6.1 Transfert contrôlant le séchage par lyophilisation ...................................................................454
6.2 Détermination des temps de lyophilisation..............................................................................455
6.3 ination des temps de lyophilisation pour des produits granulaires...............................458
7. Influence des paramètres de séchage sur le produit déshydraté ........................................................459
Bibliographie ..........................................................................................................................................460
Chapitre 16
Débactérisation, concentration et purification par procédés baromembranaires
L. Bazinet, L. Firdaous et Y. Pouliot
1. Introduction ......................................................................................................................................461
2. Procédés baromembranaires .............................................................................................................462
2.1 Définition................462
2.2 Les membranes........................................................................................................................463
2.2.1 Matériaux membranaires.............................................................................................463
2.2.2 Configurations membranaires .....................................................................................466
2.3 Modes opératoires ...................................................................................................................468
2.3.1 Boucles de filtration....................................................................................................468
2.3.2 Suivi de la filtration et facteur de concentration volumique (FCV) ...........................469
2.3.3 Filtration en discontinu et en continu..........................................................................470
2.3.4 La diafiltration ............................................................................................................472
3. Applications à la conservation des aliments .....................................................................................473
3.1 Lait et lactosérum............473
TM3.1.1 Production de lait longue conservation (Procédé Bacto-catch ) ..............................474
3.1.2 Épuration des laits de fromagerie476
3.1.3 ion du lactosérum .............................................................................................476
3.1.4 Purification des saumures de fromagerie ....................................................................477
3.2 Jus de fruits et de légumes.......................................................................................................477
3.2.1 Clarification du jus de pomme ....................................................................................477
3.2.2 Stérilisation à froid des jus..........................................................................................479
3.2.3 Concentration des jus..................................................................................................480
3.3 Bière........................................................................................................................................480
3.3.1 Séparation de la maïsche481
3.3.2 Clarification de la bière brute pour assurer sa stabilité colloïdale...............................481
3.3.3 Stérilisation à froid de la bière pour assurer sa stabilité microbiologique ...................483
3.4 Huiles ......................................................................................................................................483
3.4.1 Huile d’olive extra vierge ...........................................................................................483
3.4.2 Huile raffinée ..............................................................................................................485
4. Éléments de théorie et paramètres opératoires..................................................................................486
4.1 Sélectivité des membranes de filtration...................................................................................487
4.1.1 Définition....................................................................................................................487
4.1.2 Coefficient de rejet et transmission des solutés...........................................................489
4.2 Le flux de perméation (J) .......................................................................................................493 XII Concepts de génie alimentaire
4.3 Effet des paramètres opératoires..............................................................................................495
4.3.1 Pression transmembranaire .........................................................................................495
4.3.2 Propriétés des fluides à traiter.....................................................................................499
4.4 Rendements en séparation membranaire .................................................................................500
5. Transport membranaire.....................................................................................................................501
5.1 Rappels et définitions ..............................................................................................................501
5.1.1 Potentiel chimique501
5.1.2 Pression osmotique .....................................................................................................502
5.2 Mécanismes de rétention .........................................................................................................505
5.2.1 Rétention stérique.505
5.2.2 ion chimique506
5.2.3 Rétention électrique506
5.3 Équations de transport membranaire .......................................................................................507
5.3.1 Thermodynamique irréversible ...................................................................................508
5.3.2 Modèle de solution-diffusion ......................................................................................509
5.3.3 Modèle capillaire ........................................................................................................515
6. Polarisation de concentration et colmatage.......................................................................................516
6.1 Polarisation de concentration...................................................................................................517
6.1.1 Description du phénomène..........................................................................................517
6.1.2 Modélisation de la polarisation : théorie du film.........................................................518
6.1.3 Coefficient de transfert de matière..............................................................................521
6.2 Colmatage ...............................................................................................................................523
Conclusion ..............................................................................................................................................525
Bibliographie ..........................................................................................................................................526
Chapitre 17
Déminéralisation, enrichissement et stabilisation par procédés
électromembranaires
L. Bazinet
1. Introduction ......................................................................................................................................527
2. L’électrodialyse................................................................................................................................528
2.1 Définition ................................................................................................................................528
2.2 L’électrodialyseur ou module d’ÉD ........................................................................................528
2.3 Les membranes d’électrodialyse.............................................................................................532
2.3.1 Les membranes monopolaires.....................................................................................532
2.3.2membranes bipolaires...........................................................................................533
2.3.3 Les membranes de filtration535
3. Applications de l’ÉD pour la conservation des aliments...................................................................536
3.1 Stabilisation tartrique des vins par ED avec membranes monopolaires...................................537
3.2 Inhibition du brunissement enzymatique du jus de pomme frais opalescent par ED
avec membranes bipolaires......................................................................................................539
3.3 Enrichissement en polyphénols naturels d’un jus de canneberges par ED
avec membranes de filtration...................................................................................................542
4. Éléments de théorie électrochimique ................................................................................................544
4.1 Quantité d’électricité ...............................................................................................................544
4.2 Équivalent masse transporté ....................................................................................................546
4.3 Flux molaire ............................................................................................................................547
4.4 Nombre de transport................................................................................................................549
5. Phénomène de transport..............550
5.1 Transfert de masse...................................................................................................................551 Table des matières XIII
5.2 Gradients de concentration et concentration de polarisation ...................................................555
5.2.1 Les gradients de concentration....................................................................................555
5.2.2 La polarisation de concentration .................................................................................558
5.3 La densité de courant limite ....................................................................................................559
5.3.1 Calcul de la densité de courant limite .........................................................................559
5.3.2 Détermination de la densité de courant limite.............................................................561
6. Coefficient d’efficacité du courant, consommation électrique
et nombre de protons électrogénérés.................................................................................................564
6.1 Coefficient d’efficacité du courant ..........................................................................................564
6.2 Calcul de la consommation électrique.....................................................................................566
6.3 du nombre de protons ou d’hydroxyles électrogénérés par membrane bipolaire..........566
Conclusion ..............................................................................................................................................568
Bibliographie ..........................................................................................................................................568
Annexes..................................................................................................................................................569
Index.......................571 XIV Concepts de génie alimentaire


Introduction
La diversité des produits alimentaires présents sur les étalages des supermarchés ne
surprend pas les consommateurs qui se sont habitués à voir de plus en plus d’aliments
fabriqués à l’aide de procédés très différents. En effet, au fur et à mesure que les
connaissances augmentent dans les domaines de la microbiologie, de la chimie, du
génie et de l’emballage, l’industrie alimentaire met sur le marché des produits de plus
en plus nombreux dont la qualité s’améliore constamment.
Il faut reconnaître que l’aliment est un système complexe. Les réactions de
détérioration sont intrinsèques ou extrinsèques à l’aliment. Les réactions intrinsèques
impliquent les éléments qui composent l’aliment : les protéines (putréfaction), les
glucides (fermentation), les lipides (oxydation), les enzymes, les minéraux, les
vitamines, les saveurs, les pigments et l’eau. Les réactions extrinsèques impliquent
des facteurs non compris dans les aliments : les microorganismes et leurs enzymes,
l’oxygène, la lumière, l’humidité, la température d’entreposage. Les détériorations
des aliments deviennent compliquées dans la mesure où toutes ces réactions se
produisent en même temps, à un rythme différent. Quand on parle de la conservation
des aliments, il faut déterminer lesquels de ces facteurs ou de ces réactions sont
susceptibles de détériorer l’aliment en premier. Une fois ces facteurs de détérioration
de l’aliment identifiés, il faut déterminer les moyens nécessaires pour prolonger la
durée de vie de l’aliment.
Les premières opérations liées à la conservation des aliments et qui se rencontrent
dans presque toutes les usines alimentaires sont le chauffage et le refroidissement. Il
est rare que dans une usine alimentaire, le produit ne soit pas chauffé ou refroidi à un
moment ou à un autre. C’est pour cela qu’il est essentiel de bien comprendre ce qu’est
le chauffage et le refroidissement. Ceci implique la bonne connaissance des transferts
de chaleur et des équipements utilisés pour chauffer ou refroidir, tels que les
échangeurs de chaleur. D’autre part, nous introduirons les notions de transferts de
masse qui interviennent dans différentes opérations telles que le séchage, la filtration 2 Concepts de génie alimentaire
membranaire et l’électrodialyse. Nous allons donc voir en détail :
 la réfrigération, parce qu’elle est très importante pour tous les produits frais ;
 la congélation, à cause de sa popularité auprès des consommateurs et parce
qu’elle implique à la fois un refroidissement et un changement de phase (eau 
glace), ce qui a une influence sur la qualité de l’aliment ;
 la concentration, qui est une opération largement utilisée dans l’industrie
laitière ;
 le séchage, à cause de son importance dans l’industrie alimentaire en général et
dans l’industrie laitière en particulier ;
 la stérilisation des conserves et la pasteurisation, parce que dans le monde entier
cette industrie est largement répandue ;
 les procédés de filtration baromembranaires (UF, MF, NF, OI) qui sont
maintenant couramment utilisés en industrie pour séparer ou concentrer ;
 les procédés électromembranaires, des technologies en pleine expansion dans
l’industrie agroalimentaire et des nutraceutiques.
Dans ce livre, nous traiterons des technologies ou opérations unitaires traditionnelles
en industrie agroalimentaire (pasteurisation, concentration, etc.) mais aussi des
technologies de séparation qui sont appelées à se développer (séparation
électromembranaire) ou en plein développement (séparation baromembranaire). En
effet, avec le développement des nutraceutiques et des aliments fonctionnels,
l’industrie alimentaire recherche de nouvelles technologies ou opérations unitaires lui
permettant de tirer parti de ce marché en plein développement. Les techniques
membranaires font partie de ces technologies qui démontrent un potentiel énorme
pour la production de molécules bioactives ou la fabrication d’aliments fonctionnels.
Dans ce sens, nous avons choisi de détailler dans leur chapitre respectif les
applications actuelles et potentielles des technologies de séparation membranaire.
Afin de présenter l’ensemble de ces opérations unitaires mises en jeu dans la
conservation des aliments au sein d’une entreprise alimentaire et pour faciliter la
lecture et la compréhension de cet ouvrage, nous avons séparé les chapitres en deux
parties. La première partie porte sur les principes de conservation et les notions
préliminaires fondamentales (ex. : activité de l’eau, propriétés thermophysiques des
aliments, transfert de chaleur, etc.). Ces principes et notions sont nécessaires à la
compréhension des chapitres contenus dans la seconde partie portant sur les
opérations unitaires et les procédés appliqués à la conservation des aliments. D’un
point de vue pédagogique, comme ce livre s’adresse tout autant à des étudiants, à des Introduction 3
universitaires, ou encore à des industriels de la transformation alimentaire, de
nombreux exemples de calcul ainsi que d’applications concrètes seront présentés. Le
but de cet ouvrage n’est pas de refaire la théorie, qui a déjà été traitée dans de
nombreux livres, mais de donner un outil pratique aux personnes travaillant ou se
destinant à travailler dans les industries agroalimentaires et désirant faire des calculs
appliqués. Ce livre deviendra donc pour eux un instrument important pour régler une
grande partie des problèmes quotidiens.
Enfin, du matériel complémentaire est disponible sur le site internet du livre à
l’adresse suivante : http://www.LaurentBazinet.fsaa.ulaval.ca/Livre-Concepts-GA.html.
Sur ce site vous trouverez la liste des références complètes de chacun des chapitres,
des liens avec des sites d’équipementiers, des démonstrations de certaines démarches
théoriques de calcul, des photos couleurs, des animations ainsi que de nombreux
exercices et problèmes supplémentaires avec leurs corrigés pour chacun des chapitres.
De plus, ce site permettra de rendre ce livre plus attractif et de maintenir le matériel
didactique continuellement à jour. Pour accéder à ces informations privilégiées vous
devrez vous authentifier en utilisant l’identifiant « Concepts-GA » et le mot de passe
« Exercices2011 ». 4 Concepts de génie alimentaire


 
 
 
 
 
Première partie
Principes de conservation et notions
préliminaires
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
 
 L’activité de l’eau en Chapitre
conservation des aliments
1
La plupart des aliments que nous consommons contiennent 20 à 90 % d’eau et ne sont
à l’abri des détériorations biochimiques enzymatiques et microbiennes que s’ils sont
stérilisés ou congelés. Ces détériorations sont dues à une trop grande « disponibilité »
de l’eau présente dans l’aliment. Cette « disponibilité » de l’eau peut être quantifiée
par l’activité de l’eau ou l’a . w
1. L’activité de l’eau
1.1 Définition
L’activité de l’eau est égale au rapport qui existe entre la pression partielle de la
vapeur d’eau dans l’aliment et la pression de vapeur de l’eau pure à la même
température que l’aliment ; cette activité de l’eau est égale à l’humidité relative de
l’air en équilibre avec l’aliment divisé par cent, comme présenté par l’équation
suivante :
Pp HREa   (Éq. 1)w
P 100s
où P = pression partielle de la vapeur d’eau dans l’aliment p
Pde vapeur saturante de l’eau pure à la même température s
HRE = humidité relative à l’équilibre en pourcentage
a = activité de l’eau. w
Comme P , la pression partielle de la vapeur d’eau dans l’aliment, est inférieure ou p
égale à la pression de la vapeur de l’eau pure à la même température, l’activité de
l’eau est comprise entre zéro et un. Plus l’a est proche de un, plus le produit w8 Concepts de génie alimentaire
contiendra de l’eau et, inversement, plus l’a est proche de zéro, moins l’aliment w
contiendra de l’eau.
1.2 Relation a et humidité relative w
Ainsi, lorsqu’un aliment sec (biscuit) est mis dans un air ayant une humidité relative
HR = 60 %, celui-ci va prendre de l’eau à l’air pour se mettre en équilibre avec l’air.
L’aliment aura alors une activité de l’eau de 0,6. Inversement, lorsqu’un aliment riche
en eau (légume) est mis dans un air ayant une humidité relative de 60 %, celui-ci va
perdre de l’eau (sécher) pour se mettre en équilibre avec l’air. L’aliment aura alors
une activité de l’eau de 0,6. La figure 1 illustre la relation entre l’activité de l’eau et
l’humidité relative de l’air pour un produit sec et un produit humide.
Considérons un contenant partiellement rempli avec de l’eau pure et de l’air. À
l’équilibre, l’humidité relative de l’air et la vapeur d’eau dans le contenant scellé est
de 100 %. Cependant, si l’eau pure est remplacée par une solution saturée de NaCl et
d’eau, l’humidité relative de l’air et la vapeur d’eau à l’équilibre seront environ de
75 % à la température de la pièce parce que la pression de vapeur de l’eau au-dessus
de la solution saline est réduite. Ceci implique que plus il y a de composés dans la
phase liquide, plus l’humidité relative à l’équilibre est réduite.
Air Air
60% 60%HR = 60 % HR = 60 %
Eau liquide Eau liquide
Produit sec Produit humide
(Biscuits, poudre, etc…) (Fruits, légumes, viandes, etc…)
0,2 < a <0,5 0,9 < a <1,0 w w
a = 0,6 w
Produit en équilibre
avec l’air
Figure 1. Relation entre l’activité de l’eau et l’humidité de l’air. L’activité de l’eau en conservation des aliments 9
1.3 Loi de Raoult
La loi de Raoult décrit le comportement d’une solution idéale qui contient un soluté
non volatil selon l’équation suivante :
X PsY  (Éq. 2)
PT
où Y = fraction molaire de l’eau dans la phase gazeuse
X = fraction moase liquide
P = pression de vapeur saturante de l’eau à la température d’équilibre s
P = pression totale = pression de l’air ambiant + pression de l’eau dans l’air T
ambiant.
Si la fraction molaire Y dans cette phase gazeuse est considérée comme un gaz parfait
on a :
PpY  (Éq. 3)
PT
où P = pression partielle de la vapeur d’eau dans l’aliment p
L’idée de la loi de Raoult est qu’à mesure que la concentration de l’eau pure diminue,
il y a de moins en moins de molécules d’eau à l’interface entre la phase liquide et la
phase gazeuse. Ceci a pour conséquence de diminuer l’évaporation des molécules
d’eau vers la phase gazeuse. Le réarrangement de l’équation 2 indique que la fraction
molaire de l’eau dans la phase liquide (X) est égale à :
PpX   a (Éq. 4) wPs
ce qui implique que pour une solution idéale à l’équilibre, l’a de l’eau est égale à la w
concentration de l’eau dans la phase liquide. Il faut retenir que les électrolytes comme
les sels se séparent en deux ou plusieurs ions dans une solution. Ainsi, une mole de
+ -NaCl produit deux moles d’ions soit Na et Cl en solution dans l’eau.
La fraction molaire (X) dans un soluté est donc donnée par l’équation suivante :
Y
X  (Éq. 5)
Y  Ys
où Y = fraction molaire de l’eau pure
Y = fraction molaire du soluté. s10 Concepts de génie alimentaire
EXEMPLE
Pouvez-vous prédire l’activité de l’eau à 5 °C d’une solution contenant 5 litres
d’eau (H O) et 2 kg de KCl ? H = 1,008 g/mol, O = 16,000 g/mol, 2
K = 39,098 g/mol et Cl = 35,453 g/mol.
Solution
1- Le nombre de moles d’eau dans 5 litres est :
5 litres  1 000 g/litre 
soit 277,53 moles d’eau. 277,53
18,016 g/mole d'eau
2- Puisqu’il y a deux ions par mole de KCl, le nombre de moles de soluté est :
2 kg  1 000 g/kg  2 
soit 53,65 moles de soluté. 53,65
74,55 g/mole de KCl
3- La fraction molaire du soluté est d’après l’équation 5 :
277,53
soit a = X = 0,838.X   0,838 w
277,53  53,65
La plupart des aliments ne se comportent pas comme des solutions idéales en raison
de plusieurs facteurs comme l’effet capillaire, la dissociation incomplète des ions et
l’eau liée. Cependant, la loi de Raoult donne une approximation très utile de l’activité
de l’eau de certaines solutions. Il est bien évident que quelle que soit la méthode de
calcul utilisée pour prévoir une a , il vaut mieux la vérifier par une mesure w
expérimentale.
1.4 Mesure de l’activité de l’eau
En général, on ne peut pas mesurer directement l’a d’un aliment. En revanche, on w
peut mesurer l’humidité relative d’équilibre (HRE). Cette mesure est basée sur le fait
qu’un aliment ou un morceau d’aliment placé dans un espace restreint va, au bout
d’un certain temps, se mettre en équilibre avec l’air dans cet espace (figure 1). Ainsi
on va avoir égalité entre humidité relative de l’air compris dans cet espace restreint et
l’activité de l’eau dans le produit. Il suffit que cet air soit en contact avec un élément L’activité de l’eau en conservation des aliments 11
sensible qui mesure la pression partielle de vapeur d’eau dans l’air pour obtenir la
mesure de l’humidité relative d’équilibre.
Il est bien évident que, dans un aliment, à chaque a correspond une teneur en eau w
fixe pour l’aliment. Cependant la relation entre l’activité de l’eau et la teneur en
eau n’est pas linéaire et varie avec chaque aliment ou groupe d’aliments. Cette
relation s’exprime par l’isotherme de sorption.
2. Les isothermes de sorption
2.1 Définition et relation avec la valeur d’aw
L’isotherme de sorption indique à l’équilibre, pour une température déterminée, la
quantité d’eau contenue dans l’aliment en fonction de son a ou de l’humidité w
relative de l’air en équilibre avec l’aliment. On obtient ces courbes en plaçant un
échantillon d’aliment dans une série de contenants fermés hermétiquement
(dessicateur) dans lesquels on maintient une gamme d’humidité relative constante,
puis en déterminant à l’équilibre la teneur en eau dans chacun des échantillons
d’aliments. Cette gamme d’humidité relative peut être obtenue à partir de solutions
salines saturées comme présentées au tableau 1.
2.2 Courbes de désorption et d’adsorption
Selon que l’on parte d’un aliment humide ou d’un aliment sec, on obtient une
courbe de désorption ou d’adsorption. La figure 2 présente ces courbes. En
ordonnée, nous avons la teneur en eau exprimée en gramme d’eau par 100 grammes
de matière sèche et en abscisse l’activité de l’eau de l’aliment. La courbe
d’adsorption peut être divisée en deux régions. Une région (A) où l’eau est sous
forme de couche monomoléculaire correspondant de 3 à 10 % d’eau dans l’aliment.
Cette eau est fortement liée et l’activité de l’eau est très basse, inférieure à 0,3. Une
région (B), où l’eau est soit sous forme de couches multiples, soit condensée dans des
capillaires. Cette eau qui est condensée sera donc capable de dissoudre et de
transporter des solutés et de participer à des réactions spécifiques dans l’aliment.
C’est pourquoi, lors du séchage des aliments, on vise à atteindre la région (A) car
l’eau y est fortement liée et ne participe pas aux réactions chimiques et
microbiologiques (les vitesses de réaction sont donc égales à zéro). 12 Concepts de génie alimentaire
Tableau 1. Activité de l’eau pour certaines solutions salines saturées
à une température de 20 °C.
Solution saturée de sel Activité de l’eau
LiCl . HO 0,14 2
KC H O 0,21 2 3 2
MgCl . 6 HO33 2 2
KCO44 3
Mg(NO ) . 6 HO 0,52 3 2 2
NaCl 0,76
(NH ) SO81 4 42
Li SO85 2 4
K CrO88 2 4
KNO 0,94 3
Na HPO96 2 4
K SO97 2 4
100
90
80
Désorption
Région 3 70
60 Adsorption Région 2
50
40
Région 1
30
20 Région B
10
0 Région A
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Activité de l’eau
Figure 2. Isotherme de sorption d’un aliment.
Lors du séchage, les molécules d’eau les moins liées sont d’abord éliminées et la
dernière fraction extraite correspond aux molécules d’eau de structure, fortement liées
aux macro-molécules par les liaisons électrostatiques. L’activité de l’eau diminue en
même temps que la teneur en eau et on obtient alors la courbe de désorption de l’eau
Teneur en eau (%) L’activité de l’eau en conservation des aliments 13
pour un aliment. Cette courbe de désorption est plus ou moins arbitrairement
découpée en trois régions selon l’activité de l’eau.
Ces trois régions se découpent comme suit :
 0 < a < 0,2 w
À la région 1 correspondent des forces de Van der Waals très intenses
empêchant partiellement le mouvement moléculaire de s’exprimer par une
pression de vapeur saturante. On admet que les molécules organiques, en
particulier les macro-molécules polaires telles que les protéines, sont plus ou
moins saturées par une couche monomoléculaire d’eau qui est étroitement liée
et dont les molécules sont orientées. L’eau se trouve donc dans un état rigide.
Par ailleurs, l’eau de la couche monomoléculaire ne serait pas congelable.
 0,2 < a < 0,6 w
La région 2 correspond à la partie linéaire de la courbe de désorption. Dans
cette région intermédiaire, l’eau se trouve sous forme de couches
polymoléculaires recouvrant partiellement la surface de l’aliment. Il y règne
un équilibre entre les molécules se liant à la couche monomoléculaire et celles
qui, animées d’une énergie suffisante, s’en échappent.
 a > 0,6 w
À la région 3, correspond la fraction d’eau libre qui se trouve à l’état liquide et
qui n’est retenue à la surface de l’aliment que par des forces capillaires. C’est
uniquement sous cette forme que l’eau est utilisable par les microorganismes
et peut permettre les réactions ; c’est pourquoi on l’appelle « eau biologique ».
C’est également sous cette forme que l’eau solubilise les ions, les sels et
d’autres molécules et on l’appelle parfois « eau solvante ».
2.3 Hystérèsis
Comme le montre la figure 3, l’isotherme de désorption n’est pas superposable à
l’isotherme d’adsorption ; c’est ce qu’on appelle l’hystérèse. Pour une même activité
de l’eau, la teneur en eau de l’aliment est plus grande dans le cas de la désorption que
dans le cas de l’adsorption. Ceci est dû aux phénomènes d’adsorption et de désorption
de l’eau dans les capillaires ou les pores de l’aliment qui sont différents dans les deux
cas. 14 Concepts de génie alimentaire
La différence d’activité de l’eau entre l’adsorption et la désorption pour une même
teneur en eau s’explique par la théorie de la bouteille d’encre (figure 3). À
l’adsorption, la condensation se fait à l’intérieur de la bouteille sur la paroi tandis qu’à
la désorption, l’entrée (ou le rayon est plus petit) de la bouteille ou du pore de
l’aliment est bouchée par un ménisque d’eau. On n’a qu’à penser au séchage d’une
bouteille dont le col est plus mince à l’entrée, il faudra beaucoup de temps pour la
sécher alors qu’il sera facile de la remplir. En effet, la formation du ménisque à la
désorption empêche l’eau de s’évaporer à cause de la pression exercée par l’air alors
que l’eau à l’adsorption se lie sur la paroi du col de la bouteille, ce qui lui permet de
s’écouler facilement. C’est pourquoi, pour une teneur en eau déterminée, la pression
est plus élevée (donc l’activité de l’eau est plus élevée) dans le cas de l’adsorption
que dans le cas de la désorption.
Patm
R1
100
Peau
90
R2
80
Désorption
70 d’eau
60
Patm
50 Adsorption
d’eau 40 R1
Patm 30
20 R2
10
0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Activité de l’eau
Figure 3. Théorie de la bouteille d’encre.
2.4 Détermination théorique de la couche d’eau monomoléculaire
Comme nous l’avons vu précédemment, la couche d’eau monomoléculaire (ou l’eau
liée) est un paramètre important dans la conservation d’un aliment, car elle
correspond à la quantité d’eau maximum en dessous de laquelle l’eau n’est plus
disponible pour les réactions chimiques et biochimiques.
Le plus intéressant des modèles théoriques est celui proposé par Brunauer, Emmet et
Teller (B.E.T.) (car il permet de déterminer expérimentalement la teneur en eau
Teneur en eau (%) L’activité de l’eau en conservation des aliments 15
correspondant à la couche d’eau monomoléculaire. Le modèle de B.E.T. est
représenté par l’équation suivante :
a 1 a I 1 w w  (Éq. 6)
M1  a M I M Iw 0 0
où a = l’activité de l’eau w
M = teneur en eau (g/100 g de matière sèche)
M teneur en eau correspondant à la couche monomoléculaire (g/100 g de 0 =
matière sèche)
I = constante.
Il est possible de déterminer expérimentalement M et I à l’aide de la valeur M 0
obtenue à diverses valeurs d’activité de l’eau. Sur le graphique présenté à la figure 4,
1 I 1
l’ordonnée à l’origine est égale à et la pente de la droite est égale à . À
M I M I0 0
partir de ces deux valeurs, il est facile de déterminer M et I. 0
a w
M1  a w
I 1
M I0
1
M I0
0,5
aw
Figure 4. Modèle théorique de B.E.T.
En effet, si on pose que l’équation de la droite, obtenue après report des points sur un
b
graphique, est de la forme théorique y = a + bx, on obtient alors que et I 1 
a
1
. M 0
a  b16 Concepts de génie alimentaire
Le modèle théorique de B.E.T. illustré à la figure 4 s’applique bien aux produits
alimentaires jusqu’à des valeurs de l’activité de l’eau de 0,5 ; au-dessus, le modèle est
inadéquat.
Au tableau 2, nous présentons, pour divers aliments, la teneur en eau maximum
correspondant à la couche monomoléculaire. Cette eau n’étant pas disponible en tant
que solvant, l’aliment sera très stable à la conservation.
Tableau 2. Teneur en eau maximum correspondant
à la couche monomoléculaire dans l’aliment.
Produits Teneur en eau (en %)
Biscuit 4,5
Haricot vert déshydraté 6,2
Lait écrémé en poudre 5,0
Oignon déshydraté 4,5
Pomme de terre déshydratée 6
Viande de bœuf déshydratée 6,5
2.5 Relation entre isotherme de sorption et entreposage d’un
aliment
Les isothermes de sorption permettent de prévoir et de comprendre le comportement
d’un aliment lors de l’entreposage. La première information fournie par l’isotherme
de sorption c’est l’hygroscopicité d’un aliment. L’hygroscopicité est définie comme
l’adsorption de l’humidité de l’air. Cette hygroscopicité mesure l’influence qu’aura
une variation de l’humidité relative ambiante sur la teneur en eau du produit lorsque
celui-ci n’est pas protégé par un emballage étanche.
Sur la figure 5, nous voyons que le saccharose amorphe est beaucoup plus
hygroscopique que le saccharose cristallisé à de faible activité de l’eau (a < 0,5), cew
qui explique pourquoi il est difficile de conserver le sucre glace, alors que le
saccharose cristallisé se conserve bien. L’activité de l’eau en conservation des aliments 17
cristallisé
amorphe
0,5 aw
Figure 5. Isotherme de sorption du sucre cristallisé et du sucre amorphe.
Lorsqu’un produit alimentaire ayant une isotherme de sorption a été déshydraté à une
teneur en eau de M, celui-ci peut reprendre un peu d’eau quand il est mal entreposé
comme présenté à la figure 6. L’aliment passera donc de l’isotherme de désorption à
l’isotherme d’adsorption et son activité de l’eau peut augmenter dangereusement.
M
0 1,0
aw
Figure 6. Effet d’une légère augmentation de la teneur en eau sur
un produit déshydraté présentant un isotherme de sorption à hystérésis.
Les variations de température lors de l’entreposage ou du transport ont un effet
important surtout pour les produits sucrés et les produits dont l’activité de l’eau est
inférieure à 0,5. Nous voyons à la figure 7 que lorsqu’un produit est entreposé à une
humidité relative en équilibre avec l’a , HRE = a × 100, une augmentation de w w
température à T + ∆T va entraîner une déshydratation du produit qui se remettra en
Teneur en eau
Teneur en eau 18 Concepts de génie alimentaire
équilibre avec l’air ambiant. Si on part à T sur la courbe de sorption, on augmente la
température à T + ∆T, la teneur en eau de l’aliment est la même mais l’activité de
+l’eau augmente à a . En se remettant à l’équilibre avec l’air ambiant, l’aliment w
diminue son activité de l’eau à a et la teneur en eau diminue du même coup. En fait w
la déshydratation pourra être supérieure si, comme c’est toujours le cas, l’humidité
relative de l’air diminue lorsque la température augmente.
T - T T + T TM
- +
a a aw w w
Figure 7. Effet d’une variation de la température sur l’isotherme
d’adsorption de l’eau.
3. Relation entre l’activité de l’eau et la détérioration des
aliments
3.1 Catégories d’aliments et activité de l’eau
Les aliments sont classés en trois catégories dépendamment de leur activité de l’eau.
Les trois catégories sont les aliments à haute humidité (HMF : High Moisture Food),
à humidité intermédiaire (IMF : Intermediary Moisture Food) et à faible humidité
(LMF : Low Moisture Food). Le tableau 3 présente le classement de certains aliments
dans les différentes catégories en fonction de l’activité de l’eau. C’est en fonction de
cette activité de l’eau des aliments que peuvent se produire au cours de l’entreposage
un certain nombre de détériorations.
Ainsi, l’activité de l’eau influence les réactions de détérioration de type biochimique,
enzymatique et microbiologique. Sur la figure 8, nous pouvons observer que c’est à
une activité de l’eau se situant entre 0,2 et 0,3 que les vitesses de détérioration des
aliments sont les plus faibles, ce qui correspond à la couche d’eau monomoléculaire.
Teneur en eau L’activité de l’eau en conservation des aliments 19
Tableau 3. Classement des aliments en fonction de l’a . w
Les aliments à haute humidité (HMF)
0,9 < a < 1 w
Aliments Activité de l’eau
Fruits
Jus de fruits
Légumes
Œufs 0,97 à 1,00
Viande
Beurre
Margarine
Fromage
Pain
0,93 à 0,98
Saucisson sec
Gâteau éponge
Les aliments à humidité intermédiaire (IMF)
0,6 < a < 0,9 w
Aliments Activité de l’eau
Confiture 0,60 à 0,85
Fruits séchés 0,60 à 0,80
Miel 0,60
Sirop d’érable 0,70
Remplissage à tarte 0,65 à 0,71
Salami820,
Pâtisserie industrielle 0,70 à 0,90
Les aliments à faible humidité (LMF)
a < 0,6 w
Aliments Activité de l’eau
Pâtes alimentaires 0,5
Épices 0,5
Œuf en poudre 0,4
Biscuit 0,3
Lait en poudre 0,2
Légumes déshydratés 0,2 20 Concepts de génie alimentaire
Ceci nous démontre qu’il est important de connaître la teneur en eau d’un aliment
correspondant à la couche d’eau monomoléculaire.
Figure 8. Vitesse de détérioration relative des aliments en fonction de
l’activité de l’eau (avec la permission du département de Sciences
des Aliments et de Nutrition, Université Laval).
3.2 Réactions de détérioration des aliments liées à l’aw
Nous allons maintenant décrire brièvement les réactions de détérioration des aliments
en fonction de l’effet de l’activité de l’eau sur celles-ci.
3.2.1 Oxydation des lipides
Nous voyons à la figure 8 que la rancidité se produit à de très basses et à de moyennes
valeurs de l’activité de l’eau. L’oxydation des lipides amène la rancidité qui est due à
l’action de l’oxygène sur les acides gras non saturés par l’intermédiaire de
mécanismes impliquant successivement la formation des radicaux libres, les
peroxydes lipidiques et les composés carbonylés. L’oxydation des lipides produit des
composés volatils à odeurs indésirables qui détruisent les vitamines liposolubles et
forment des composés toxiques.
Les réactions impliquées dans l’oxydation des lipides affectent surtout les produits à
faible et à moyenne a qui contiennent des matières grasses. Les produits qui sont w
affectés dans le cas d’une faible a sont les biscuits et les poudres de lait entier. Les wL’activité de l’eau en conservation des aliments 21
produits qui sont affectés dans le cas d’une a moyenne sont les glaçages à gâteaux, w
les mayonnaises, le beurre et la margarine.
Cette réaction d’oxydation des lipides est très rapide et constitue en général le facteur
limitant de la conservation de ce type de produit. Il faut remarquer que l’action des
anti-oxydants tels que le butylhydroxyanisol (BHA), le butylhydroxy-toluène (BHT)
ou les séquestrants comme l’EDTA est plus efficace quand l’activité de l’eau
augmente légèrement.
3.2.2 Brunissement non enzymatique
Le brunissement non enzymatique provient en général d’une réaction entre un
composé comme un sucre réducteur et un composé aminé comme les protéines, qui,
en présence de chaleur, donne des polymères bruns (réaction de Maillard). La
présence des polymères bruns est désirable dans certains produits comme dans les
biscuits, la croûte de pain, les pommes de terre frites et les chips ou non désirable
comme dans le lait déshydraté, les viandes séchées, la farine de poisson et les fruits
déshydratés. Ces réactions s’accompagnent d’une baisse de la valeur nutritive de
l’aliment due à la perte de l’acide aminé essentiel, la lysine.
La vitesse de brunissement non enzymatique augmente rapidement avec l’a pour w
atteindre un maximum à des a de l’ordre de 0,5 à 0,7. Au-dessus de ces valeurs le w
brunissement diminue à cause du facteur de dilution.
Pour favoriser ces réactions de brunissement, on peut agir sur le pH (entre 6 et 8) et
mettre en présence des composés capables de réagir ensemble (industrie des
amusegueule extrudés comme les biscottes, les craquelins et les bretzels). Pour empêcher
ces réactions de brunissement, il faut, quand c’est possible, diminuer le pH (entre 2,5
et 3,5) et ajouter du SO ou des sulfites. 2
3.2.3 Réactions enzymatiques
Les réactions enzymatiques sont étroitement liées à l’activité de l’eau. C’est ainsi
qu’on n’observe pas de réaction d’hydrolyse dans la région A des courbes de
sorption, c’est-à-dire à de faibles a . En revanche, la vitesse d’hydrolyse augmente w
considérablement au-dessus d’une a de 0,7. Il en est de même pour beaucoup de w
réactions enzymatiques (action des glucoses oxydases ou de polyphénols oxydases).
Cependant, certaines enzymes, comme la lipase, agissent même à des activités de
l’eau très faibles (elle agit même à l’état congelé dans le cas des poissons). Pour
empêcher ces réactions enzymatiques, avant de déshydrater ou de congeler un produit
alimentaire, on effectue un blanchiment qui est un pré-traitement à la chaleur destiné 22 Concepts de génie alimentaire
à détruire les enzymes. Cependant, de tels traitements ne sont guère applicables aux
graines. C’est ainsi que le soya, l’arachide et les graines d’oléagineux en général
nécessitent un séchage poussé pour ralentir l’action des lipases.
3.2.4 Croissance des microorganismes
Le développement des microorganismes dans les aliments est lié étroitement à
l’activité de l’eau en raison de l’influence de la pression osmotique qui agit sur les
échanges entre les microorganismes et le milieu. On peut dire qu’en général, la valeur
optimale pour la croissance des microorganismes est située entre 0,92 et 0,99. En
dessous, la croissance est retardée ou inhibée, ce qui explique la bonne conservation
de certains aliments à humidité intermédiaire tels que la confiture, les fromages et
certaines charcuteries.
Le tableau 4 nous donne une idée générale des valeurs d’activité de l’eau minimales
nécessaires à la croissance des diverses classes de microorganismes. Si on considère
les bactéries responsables d’empoisonnements alimentaires, on peut dire que pour une
activité de l’eau inférieure à 0,95, les bactéries du genre Shigella, Salmonella,
Escherichia coli et Clostridium (responsable de la production de toxine botuline types
A, B et C) sont inhibées. En revanche, Staphylococcus aureus dans des conditions
aérobies peut croître jusqu’à une a de 0,86. w
Tableau 4. a minimum permettant la croissance des microorganismes en général. w
Microorganismes Activité de l’eau
Bactéries 0,91
Levures 0,88
Moisissures 0,80
Bactéries halophiles 0,75
Moisissures xérophiles 0,65
Levures osmophiles 0,60
En ce qui concerne les levures, elles sont capables, dans le cas des osmophiles, de se
développer jusqu’à des activités de l’eau de 0,65. Elles peuvent croître dans des
milieux liquides contenant de 50 à 60 % de sucre ou 10 à 15 % de NaCl. En général,
plus l’a est basse, plus la croissance de ces levures est inhibée donc plus la durée de w
conservation est augmentée. Comme la plupart du temps les produits liquides dans L’activité de l’eau en conservation des aliments 23
lesquels peuvent se développer les levures subissent un traitement thermique, s’il y a
développement de levure, cela ne peut provenir que d’une contamination lors de
l’utilisation du produit. Lorsqu’on ne fait pas de traitement thermique ou pour éviter
les post-contaminations, on peut utiliser des agents de conservation tel le SO et ses 2
sels, les acides benzoïque, parabenzoïque et sorbique et leurs sels. Un des problèmes
de l’utilisation de ces acides est que leur action n’est vraiment efficace qu’à des pH
inférieurs à 4,5.
Les moisissures sont un des problèmes majeurs concernant les produits à humidité
intermédiaire car ceux-ci ne subissent aucun traitement thermique (noix, certaines
charcuteries, fruits séchés, etc.). Comme les moisissures ne se forment qu’en surface,
il faut considérer l’activité de l’eau à la surface et non à l’intérieur du produit
alimentaire (cas des gâteaux, des fruits séchés, etc.). Pour empêcher le développement
des moisissures, on peut conditionner le produit, lorsque c’est possible, dans une
atmosphère qui ne contient pas d’oxygène. Dans les autres cas, on peut utiliser des
agents de conservation tels que les esters de l’acide parahydroxybenzoïque (méthyle,
éthyle et butyle parabène) qui sont actifs à tous les pH, tandis que les autres, comme
les acides benzoïque, propionique et sorbique et leurs sels ne sont actifs qu’à des pH
inférieurs à 5.
3.3 Comment baisser l’activité de l’eau
Pour conserver les aliments tels que les raisins, les dattes, etc., traditionnellement, nos
ancêtres les séchaient au soleil. On les concentrait et on ajoutait du sucre comme dans
les confitures ou du sel comme dans le poisson salé-séché et le beurre salé.
Maintenant ces opérations sont accomplies de manière industrielle. Ainsi, la
déshydratation est appliquée à grande échelle pour produire des laits écrémés ou
entiers en poudre, des fruits séchés, des légumes déshydratés, des purées de pommes
de terre, etc. Une fois déshydratés, ces produits ont une activité de l’eau suffisamment
basse pour qu’ils se conservent sans détérioration biochimique, enzymatique ou
microbiologique.
La concentration est largement utilisée dans le domaine des jus, du lait, des
confitures avec addition de sucre dans certains cas ou de sel dans le cas de soupes
concentrées ou de concentré d’œuf. Le but de la concentration et de l’addition de
sucre ou de sel est d’abaisser l’activité de l’eau. Cependant, ceci n’est pas suffisant
pour une conservation à long terme et on doit associer à cette opération un traitement
à la chaleur pour stabiliser le produit. 24 Concepts de génie alimentaire
La congélation est une technologie dont l’application est plus récente que le séchage
et la concentration et qui, en transformant l’eau en glace, baisse l’activité de l’eau. De
plus, en baissant la température, elle diminue les vitesses de réaction, ce qui augmente
encore l’effet de la baisse d’activité de l’eau.
Les microorganismes peuvent se développer dans l’eau pure jusqu’à une température
de -10 °C, ce qui correspond à une a de 0,91 comme nous pouvons le constater au w
tableau 5. Il est bien évident que dans un aliment qui contient au départ des
substances solubles dans l’eau (sel, sucre), l’activité de l’eau à la même température
sera inférieure.
3.4 Les produits à humidité intermédiaire
Nous connaissons bien les produits à humidité intermédiaire traditionnels tels que les
confitures, le miel, la charcuterie et les pâtisseries dont l’activité de l’eau est comprise
entre 0,6 et 0,9. Depuis quelques années, un certain nombre de produits nouveaux ont
été créés dans cette catégorie d’aliments. C’est d’abord dans le domaine des aliments
pour chiens et chats que ces produits se sont développés, puis dans le domaine des
pâtisseries industrielles ainsi que dans les barres nutritives qui connaissent un bon
succès auprès des consommateurs. Deux procédés sont utilisés pour fabriquer de tels
aliments : le procédé dit d’infusion humide et le procédé dit de mélange.
Tableau 5. Activité de l’eau pure à différentes températures.
Température aw
0 1
-5 0,95
-10 0,91
-15 0,86
-20 0,82
-25 0,78
-30 0,75
-40 0,68
-50 0,62
3.4.1 Procédé dit d’infusion humide
Ce procédé consiste à tremper des aliments dans des solutions de sucre ou de sel dans
le but d’abaisser leur activité de l’eau. L’activité de l’eau en conservation des aliments 25
Le procédé d’infusion humide, connu aussi sous le nom de déshydratation par
osmose, consiste à tremper des fruits coupés en tranches dans des solutions de sucre
ou des légumes dans des solutions de sel à diverses températures et diverses
concentrations de manière à diminuer l’activité de l’eau. Le tableau 6 présente
l’activité de l’eau de solutions saturées de sel, de glucose et de saccharose à 20 °C.
Tableau 6. Activité de l’eau de diverses solutions saturées à 20 °C.
Produits % P/P* aw
Glucose 50 0,90
Saccharose 67 0,86
NaCl 26 0,75
* % P/P: pourcentage poids sur poids ; pour le glucose ceci
veut dire 47 g de glucose pour 100 g de (glucose + eau).
La figure 9 représente le trempage d’un aliment comme un fruit ou un légume dans
une solution de sucre ou de sel. L’eau contenue dans l’aliment sort par osmose et le
sucre ou le sel pénètre dans le produit afin de réduire la pression osmotique créée à la
surface de l’aliment par la solution saturée de sel ou de sucre. Le procédé est appliqué
avec succès aux fruits tels que les pêches, les poires, les pommes, les mangues, les
ananas, les canneberges, etc. En 4 à 8 heures, il est possible d’enlever 50 % d’eau à
des fruits coupés en tranches.
 solution fruit
Tranche Eau
de fruit
ou
Sucre ou sels
de légume
Minéraux, sucre …
Figure 9. Principe de la déshydratation par osmose. π représente la
pression osmotique. 26 Concepts de génie alimentaire
3.4.2 Procédé dit de mélange
Ce procédé consiste à mélanger divers composés de façon à obtenir un aliment ayant
l’activité de l’eau désirée.
Le procédé dit de mélange est surtout utilisé dans la préparation d’aliments pour
chiens et chats, dans le domaine de la pâtisserie industrielle, de la charcuterie et des
aliments composés. Dans ce deuxième procédé, pour atteindre une activité de l’eau
désirée ou pour déterminer l’activité de l’eau d’un produit, on peut utiliser la méthode
dite « d’équivalent saccharose ». Le tableau 7 présente la liste d’équivalents
saccharose de produits utilisés dans l’industrie des gâteaux et confiseries.
Tableau 7. Équivalent saccharose de produits utilisés dans l’industrie alimentaire.
Produits Équivalent saccharose (ES)
Farine de blé, farine de soja dégraissée 0,2
Gras 0,0
Lait écrémé en poudre 1,2
Poudre à pâte 3,
Sel 11,0
Acide citrique ou tartrique 3,0
Sirop de glucose 42DE 0,7
Sirop de glucose 64DE 0,9
Dextrose (glucose) 1,4
Sorbitol 2,0
Glycérol 4,0
Gomme arabique, pectine, amidon, propylène glycol
0,8 max. et autres colloïdes gélifiant
Gélatine, caséine 1,3
Sucre inverti 1,3
Saccharose (sucrose) 1,0
Ainsi la concentration en équivalent saccharose (ES) exprimée en gramme de sucre
par gramme d’eau est donnée par la relation suivante :
n
k m i i
i 1ES  (Éq. 7)
m  mw w0 PL’activité de l’eau en conservation des aliments 27
où k = équivalent saccharose de l’ingrédient i i
m = masse de l’ingrédient i i
m = masse d’eau dans la formulation w 0
m = masse d’eau perdue lors de la cuisson (s’il y a lieu) w P
i = ingrédient de 1 à n
n = nombre d’ingrédients.
Ce qui veut dire que la sommation du poids des ingrédients multipliée par
l’équivalent saccharose de chacun des ingrédients sur la masse d’eau qui reste nous
donne une valeur d’équivalent saccharose qu’on peut ensuite transformer en activité
de l’eau grâce au tableau 9 qui nous présente une correspondance de concentration en
équivalent saccharose et activité de l’eau. À remarquer que la valeur de l’activité de
l’eau baisse à mesure que l’équivalent saccharose s’élève.
Tableau 9. Correspondance entre la concentration en équivalent saccharose et l’a . w
Concentration en équivalent saccharose
aw(en g de saccharose / g d’eau)
0,78 0,95
0,93 0,94
1,07 0,93
1,20 0,92
1,32 0,91
1,44 0,90
1,57 0,89
1,69 0,88
1,82 0,87
1,94 0,86
2,08 0,85
2,20 0,84
2,32 0,83
2,43 0,82
2,55 0,81
2,68 0,80
2,80 0,79
2,92 0,78
3,06 0,77
3,19 0,76
3,32 0,75
3,45 0,74
3,57 0,73
3,73 0,72
3,87 0,71
4,01 0,70 28 Concepts de génie alimentaire
EXEMPLE
Le tableau suivant présente deux formulations différentes de gâteaux afin de
comparer les valeurs d’activité de l’eau. Déterminer laquelle des deux
formulations a la durée de vie la plus longue. Calculer ensuite l’équivalent
saccharose (ES) des ingrédients de la formulation. On considère une perte
d’eau de 10 % à la cuisson.
Solution
On obtient pour la première formulation un équivalent saccharose de 1,23 et
pour la deuxième formulation 1,84. On voit donc que la deuxième formulation
a une activité de l’eau plus basse que la première donc une durée de
conservation plus longue.
Formulation 1 Formulation 2
Ingrédients
Poids (g) ES (g) Eau (g) Poids (g) ES (g) Eau (g)
Farine 100 20 14 100 20 14
Gras 50 – – 50 – –
Sucre 60 60 90 90
Sel 1 11 2 22
Poudre à pâte 2 6 – 6 –
Lait en poudre 5 6 – 5 6 –
Glycérol 3 12 – 7 28 –
Œuf 60 – 45 60 – 45
Eau 45 45
Total 326 115 104 356 172 104
Perte eau à la -10,4 -10,4
cuisson
Eau après la
93,6 93,6 cuisson
ES 115 172
1,23 1,84
m  m 93,6 93,6w w0 P
a 0,91 0,87 wL’activité de l’eau en conservation des aliments 29
Conclusion
Nous avons vu ici l’importance de l’activité de l’eau sur la conservation des aliments,
tant du point de vue biochimique que microbiologique. Il ne faut pas oublier de
mentionner l’influence de l’a sur la texture des aliments qui va affecter les biscuits w
en les ramollissant ou des poudres en favorisant les phénomènes de mottage. En effet,
ces problèmes sont liés à l’emballage des produits et concernent principalement les
produits à faible humidité.
Nous avons pu aussi mesurer toute l’importance du rôle de l’activité de l’eau des
aliments sur l’activité microbienne et les réactions chimiques (enzymes) et
comprendre pourquoi l’activité de l’eau détermine souvent la vitesse de la
détérioration des aliments. Il devient donc évident que les procédés de transformation
des aliments doivent tenir compte de la présence de l’eau dans les aliments car leur
conservation et leur stabilité en dépendent. Nous avons appris de plus qu’il existe
plusieurs façons de diminuer l’activité de l’eau et du même coup de diminuer les
vitesses de réaction des aliments. Ainsi, retirer l’eau des aliments, transformer l’eau
en un composé non actif par la congélation, l’immobiliser dans un gel ou ajouter du
sucre ou du sel comme dans le cas des produits à humidité intermédiaire sont autant
de procédés qui permettent d’atteindre une activité de l’eau désirée.
Bibliographie
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Uncertainty analysis of hygrometer-obtained water-activity measurements of
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paramètres de prédiction de
2 la durée de vie des aliments
Comme nous l’avons vu au chapitre 1, la température et le temps ont une influence
importante sur la croissance ou la mortalité des microorganismes, les réactions
enzymatiques, les réactions chimiques, les détériorations physiques et les réactions
physiologiques des aliments (respiration des fruits et des légumes). La cinétique de la
détérioration est par conséquent une représentation de la détérioration en fonction du
temps et de la température. Si on observe la figure 1 : elle représente une détérioration
d’un aliment quelconque en fonction du temps à différentes températures. On peut par
conséquent tirer deux observations importantes sur la figure. La première est qu’au
bout d’un certain temps, 60 minutes par exemple, la détérioration est plus importante
à 20 °C qu’à 5 °C. La deuxième est que cela prend plus de temps pour obtenir 50 %
de détérioration à 5 °C qu’à 20 °C. On peut donc en déduire que la vitesse de la
détérioration est plus rapide à 20 °C qu’à 5 °C.
100
20°C
10°C
5°C
50
re observation1
e2
0 12060
Temps (min.)
Figure 1. La détérioration en fonction du temps et de la température (avec la permission
du département de Sciences des Aliments et de Nutrition, Université Laval).
Afin de prédire la durée de vie des aliments en relation avec leur qualité, nous
allons étudier la vitesse de la réaction et l’ordre de la réaction en fonction des
conditions de l’environnement comme la température et le temps d’entreposage.
Détérioration (%)32 Concepts de génie alimentaire
1. Vitesse et ordre de la réaction
La destruction des microorganismes, l’inactivation des enzymes et les réactions
chimiques qui résultent de la dénaturation des protéines, du brunissement ou des
altérations des vitamines et des acides aminés peuvent être décrites en termes de
cinétique de réaction. Le changement de la concentration des constituants de
l’aliment par unité de temps est appelé la vitesse de réaction. La vitesse de
réaction n’est pas constante. Elle dépend de la température, des catalyseurs de la
réaction et de la concentration des réactifs. L’ordre de la réaction peut être défini
comme une classification des processus de détérioration en fonction du temps.
1.1 Vitesse de réaction
La réaction suivante représente la détérioration d’un composé A qui se transforme en
un composé B :
kA  B
où k = constante de vitesse de la détérioration.
La vitesse de la réaction, v, est représentée par la disparition du réactif A ou la
production du composé B en fonction du temps, t, par une équation différentielle :
 A   B 
v     (Éq. 1)
t t
où [A] = variation de la concentration du réactif A
[B]éactif B
t = laps de temps écoulé.
Le signe négatif indique la disparition du composé A et le signe positif indique
l’apparition du composé B.
EXEMPLE
Temps (en s) [A] (en mole)
Soit les données de concentration en
0 1
fonction du temps d’une molécule A.
100 0,9
Calculer les vitesses de réactions entre 0
208
et 100 s et entre 200 et 400 s
307
400 0,6 Cinétique de réaction et paramètres de prédiction 33
Solution
1- Vitesse de réaction entre 0 et 100 s
(1- 0,9)
soit v = - 0,001 mol/s.v  -  - 0,001 0-1000-100
(0 -100)
2- Vitesse de réaction entre 200 et 400 s
(0,8 - 0,6)
soit v = - 0,001 mol/s.v  -  - 0,001 200-400200-400
(200 - 400)
On remarque que les vitesses de réactions sont les mêmes dans le temps. La
réaction se fait donc à une vitesse constante.
1.2 Ordre de la réaction
À une température donnée, l’évolution de la concentration en fonction du temps est
donnée par le modèle cinétique chimique qui est représenté ainsi :
C nv    k C (Éq. 2)
t
où C = variation de concentration d’un composé (A ou B) participant à la
réaction (en mol ou mol/L)
t = laps de temps (en s)
C
= la vitesse de la réaction, ou le changement de la concentration de A ou
t
B en fonction du temps
k = la constante de la réaction dont les unités dépendent de l’ordre de la
réaction
n = l’ordre de la réaction (0, 1, 2, etc.) (nombre sans dimension).
1.2.1 Réaction d’ordre zéro
Dans le cas où l’ordre de la réaction est zéro, la vitesse de la réaction est
totalement indépendante de la concentration du composé ; on a alors l’équation
différentielle suivante : 34 Concepts de génie alimentaire
C 0 0  k C  k car C = 1 (Éq. 3)
t
où k = constante de vitesse (en mol/s).
La vitesse est toujours égale à la constante, k, quand les conditions de température, de
pH de l’aliment et autres sont maintenues pour éviter les variations externes.
Par intégration de l’équation, on obtient :
C = C  kt (Éq. 4)0
où C = concentration initiale du composé (en mol/L).
0
Cette équation indique que la concentration du composé est liée au temps par une
relation linéaire. La pente de la droite est égale à la constante de la réaction ;
l’ordonnée à l’origine de la droite est C qui correspond à la concentration initiale du 0
composé, comme illustré à la figure 2.
T °C = constante
C0
Pente = -k
C
0
Temps
Figure 2. Représentation graphique d’une réaction d’ordre zéro.
EXEMPLE
Avec les données de l’exemple précédent, tracer la courbe y = f(x) de la
concentration en fonction du temps et déterminer l’équation de la courbe ainsi
que l’ordre de la réaction. Cinétique de réaction et paramètres de prédiction 35
Solution
1- Courbe de la concentration en fonction du temps
Si l’on trace la courbe de la concentration de A (en mole) en fonction du
temps (en seconde) on obtient la figure ci-après :
1,1
1,0 Y = 1 - 0,001 X
2R = 0,99999
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0 100 200 300 400
Temps (s)
2- Équation de la courbe
L’équation de la droite est y = 1 – 0,001 x, où 0,001 la pente de la droite.
D’après l’équation 4 on peut aussi écrire :
[A] = - k t A t t 0
avec k = constante de vitesse de la détérioration.
La pente de la droite est égale à la constante de la réaction.
3- Ordre de la réaction
Comme tous les points sont reliés par une droite nous avons donc une
réaction d’ordre 0.
[A] = - k (t - t ) avec t = 0 s dans ce cas t A  0 0t 0
<=> [A] - = - k (t - t ) A t 0t 0
<=> -([A] - )/(t - t ) = k A t 0t 0
<=> - [A]/ t = k = v = + [B]/ t
L’ordonnée à l’origine de la droite est A  qui correspond à la t 0
concentration initiale du composé.
Concentration de A (mole) 36 Concepts de génie alimentaire
Lorsque C représente la disparition de A, on obtient :
C = C - kt (Éq. 5) 0
car C au temps t est toujours plus petit que C . 0
Lorsque C représente l’apparition du réactif B, on obtient :
C = C + kt (Éq. 6) 0
car la concentration initiale de B est voisine de zéro et à mesure que la réaction
avance la concentration de B augmente.
La figure 2 représente une réaction d’ordre zéro quand la température est constante.
Les réactions typiques dans les aliments qui ont une cinétique de réaction d’ordre zéro
sont les dégradations enzymatiques, la réaction de Maillard et l’oxydation des lipides
(rancidité).
1.2.2 Réaction d’ordre un
Dans le cas où l’ordre de la réaction est un (n = 1), la vitesse de réaction varie
proportionnellement avec la concentration du composé ; on a alors l’équation
différentielle suivante :
C 1 1 k C  k C car C = C (Éq. 7)
t
-1où k = constante de vitesse (en s ).
Par intégration de l’équation, on obtient :
C CLn  k t car intégrale de  LnC (Éq. 8)
CC0
où Ln = logarithme naturel ou népérien.
Donc, il existe une relation linéaire entre le logarithme naturel de la
concentration et le temps. La figure 3 montre ce cas. L’ordonnée à l’origine de la
droite est le logarithme naturel de la concentration initiale du composé A. Cinétique de réaction et paramètres de prédiction 37
T °C = constante
Ln C0
(x , y )1 1y y  y1 2 1Pente  k 
x  x2 1
Ln C
(x , y )2 2y
2
0 x x1 2
Temps
Figure 3. Représentation graphique d’une réaction d’ordre un.
Si le composé est A (la disparition), sa concentration décroît de façon exponentielle
avec le temps. Si on connaît la constante, k, on peut trouver la concentration au bout
d’un certain temps, t, par la relation suivante :
(k t)C = C e (Éq. 9)0
où C = la concentration au temps t
C la concentration initiale = 0
(k t)e = exponentielle de k t.
EXEMPLE
On a une concentration initiale de vitamine A de 0,500 mol/L dans un aliment.
On a trouvé que la constante de dégradation de la vitamine A est de
-1
0,032 jour à 30 °C. Calculer sa concentration au bout de 4 jours.
Solution
k t  -0,032  4 C  C   e  0,500  eA 4 j A 0 j
C  0,440 mol/LA 4 j
Les réactions typiques dans les aliments qui ont une cinétique de réaction d’ordre un,
sont la croissance microbienne (dans la viande et le poisson), la production de
composés non désirables par les microorganismes, la perte de vitamines (par la 38 Concepts de génie alimentaire
stérilisation, le séchage) et la perte de la qualité nutritive des protéines (par le
séchage). La plupart des données obtenues à partir de résultats expérimentaux sur les
aliments indiquent des réactions d’ordre zéro ou un. Il existe toutefois dans le cas
de réactions chimiques plus complexes, des réactions d’ordre deux.
1.2.3 Réaction d’ordre deux
Dans le cas où l’ordre de la réaction est deux (n = 2), la vitesse de la réaction est
égale à la concentration au carré du composé au temps t multipliée par la
constante de la réaction. Par intégration de l’équation générale (Éq. 2), adaptée à
C 2 k Cl’ordre 2, , on obtient :
t
1 1
  k t (Éq. 10)
C C0
C 1 
car intégrale de    2C C 
Si n = 2, on obtient une droite en traçant l’inverse de la concentration en fonction du
-1 -1temps, k est alors exprimé en mol .s (figure 4). Les réactions dans les aliments qui
ont une cinétique de réaction d’ordre deux sont la formation d’hydroxymethylfurfural,
les pertes en thiamine (vitamine B1) et lysine au cours de traitement de chaleur
intense du lait.
a) b)
Temps Temps
Figure 4. Représentation graphique d’une réaction d’ordre 2. a) données
obtenues de la concentration en fonction du temps et b) données de l’inverse
de la concentration en fonction du temps.
Concentration
1/ConcentrationCinétique de réaction et paramètres de prédiction 39
1.2.4 Réaction d’ordre trois
Dans les cas d’une réaction d’ordre trois (n = 3), l’équation générale (Éq. 2) s’écrit
C 3 k C . La vitesse de réaction varie proportionnellement avec la concentration
t
-2 -1cubique du composé et k, la constante de vitesse, est exprimée en mol .s .
Après intégration, on obtient :
1 1
  2 k t (Éq. 11)
2 2C C0
C 1 1 
car intégrale de    3 2C 2 C 
À notre connaissance aucune réaction d’ordre trois dans les aliments n’a été
mentionnée ou décrite dans la littérature. Ces réactions s’adressent davantage à des
réactions chimiques telles que celles mettant en jeu l’oxyde nitrique (NO + X où X2 2
est le chlore, le brome, l’oxygène, l’hydrogène, etc.).
EXEMPLE
Considérons la réaction suivante, se produisant dans un aliment, soit
l’hydrolyse du sucrose : Sucrose + H O  Glucose + Fructose. La 2
concentration du sucrose résiduel (c’est-à-dire, celui qui n’a pas encore été
hydrolysé) a été mesurée dans le temps, à 23 °C. Les données expérimentales
de la réaction sont présentées dans le tableau ci-après.
Dans un premier temps, calculer les trois valeurs manquantes du tableau.
Pourquoi la vitesse de réaction évolue de cette manière ? Avec ces données,
essayer de découvrir quel est l’ordre de la réaction d’hydrolyse du sucrose
dans cet aliment. Enfin, calculer la constante de la réaction. 40 Concepts de génie alimentaire
SConcentration S  S  v Temps Lnsucrose [S] t (min) S S0 0(en mol/L) (en mol/L.min)
0 0,316 1,000 0,000 -
-314 0,300 0,949 -0,052 -1,14 10
-339 0,274 0,867 -0,143 -1,04  10
-360 0,256 0,810 -0,210 -0,86  10
-380 0,238 0,753 -0,283 -0,90  10
-3110 0,211 0,668 0,404 -0,90  10
-314190 0,601 -0,509 -0,70  10
-3170 0,170 0,538 -0,620 -0,67  10
21146 ? ? ?
[S] = concentration en sucrose [S ] = concentration initiale en sucrose à t=0 0
Ln = logarithme naturel ∆ = variation entre deux valeurs
Solution
1- Valeurs manquantes et vitesse de réaction
S  0,146
  0,462À t = 210 min,
S 0,3160
S 
soit Ln  Ln(0,462)   0,772
S0
 S   0,024 3d’où v     0,60.10
t 40
La vitesse de réaction est de signe négatif car c’est la vitesse de disparition
du sucrose. La valeur de la vitesse de réaction (en enlevant le signe négatif)
diminue en fonction du temps. La baisse de la vitesse de réaction est
limitée par la quantité de sucrose résiduel ; quand il n’y aura plus de
sucrose à hydrolyser, la réaction se terminera et la vitesse de réaction
deviendra égale à zéro.
2- Détermination de l’ordre de la vitesse de réaction
La première étape pour vérifier l’ordre de la réaction est de construire
d’abord un graphique de la concentration du sucrose, [S], en fonction du
temps avec les données du tableau précédent : Cinétique de réaction et paramètres de prédiction 41
0,4
0,3
0,2
0,1
0 100 200 300
Temps (min)
D’après cette figure, la réaction n’est pas d’ordre zéro car la concentration
du sucrose en fonction du temps n’est pas linéaire : les points n’entrent
pas tous sur la droite. Vérifions alors si la réaction est d’ordre un en
S 
Lnprésentant un graphique de en fonction du temps : S0
0,0 (14, -0,052)
-0,2
S 
Ln
S -0,40
-0,6
(210, -0,772)
-0,8
1000 200 300
Temps (min)
S 
LnD’après cette figure, la réaction est d’ordre 1, car du sucrose est S0
une fonction linéaire du temps : les points appartiennent tous à une
même droite.
3- Constante de la réaction
On peut alors calculer la constante de la réaction à la température de 23 °C.
Prenons deux points de la droite. La valeur de la constante de la réaction, k,
est donnée par la pente, tel que nous l’avons vu précédemment (figure 4) :
[S] (mol/L) 42 Concepts de génie alimentaire
S 
Ln
S0k  où ∆ = variation entre deux valeurs
t
Donc :
  0,052     0,772  -3 -1k  soit k = - 3,67.10 min
14  210
S 
LnLa représentation de en fonction du temps, comme à la figure S0
précédente, aurait pu aussi se faire sur un papier semi-logarithmique. Ce
S
papier est conçu de façon à placer directement les valeurs de . La S0
figure suivante montre que l’utilisation d’un papier semi-logarithmique
donne une droite comme dans le cas de la figure précédente.
1,0 0,0
0.8 -0,2
-0,4
0.6
-0,6S S 
Ln-0,8S 0.4 S0 0
-1,0
0.2
100 200 3000
Temps (min)
Il faut faire attention en revanche, pour le calcul de la constante de la
réaction, k, car à ce moment il devient nécessaire de transformer les valeurs
S
de en logarithme (Ln). Pour les données à 14 et à 210 min, on a : S0
Ln 0,949  - Ln 0,462  -3 -1soit k = - 3,67 .10 mink 
14 - 210
La même valeur de constante, k, est obtenue, mais avec moins de calculs à
faire. Cinétique de réaction et paramètres de prédiction 43
2. Impact de la température sur la constante de réaction
2.1 Énergie d’activation
2.1.1 Définition
L’énergie d’activation est la quantité d’énergie nécessaire pour initier une réaction
chimique. En effet, pour démarrer une réaction, on doit souvent faire face à une
barrière énergétique, c’est-à-dire apporter un minimum d’énergie pour qu’elle débute.
Cette quantité est exprimée, selon le système international, en joules par mole (J/mol)
ou kilojoule par mole (kJ/mol) de réactif. De façon simple, pour que deux molécules
puissent réagir et que la réaction se produise, le système doit disposer d’une énergie
supplémentaire pour activer les molécules et faire que leurs nuages électroniques
entrent en contact. Pour cela, il leur faut vaincre leur répulsion électrique. Ceci
nécessite qu’elles se heurtent avec un élan suffisant. Cette énergie cinétique
supplémentaire constitue l’énergie d’activation.
2.1.2 Niveau énergétique de la réaction
La réaction sera endothermique si la différence d’enthalpie entre les réactifs et les
produits est positive ( H > 0), exothermique si cette différence est négative ( H < 0) r r
(figure 5) ou encore athermique si cette différence est nulle.
État de transition
(complexe activé)
Énergie Énergie
(kJ) (kJ)
Ea ProduitsRéactifs
  < 0r   > 0r
RéactifsProduits
Progression de la réaction Progression de la réaction
a) Réaction exothermique b) Réaction endothermique
( H < 0) ( H > 0)r r
Figure 5. Énergie d’activation et types de réactions.