Cours PPCA Chapitre 1 Eau structure et propeiétés 2025 PDF

Propriétés Physico- Chimiques des Aliments Dr Aouir 4ème année Technologie Alimentaire, ENSA Page 1 Chapitre I: L’EAU Page 2 I. 1. Généralités : L’eau constituant principal, de point de vue quantitatif,  l’organisme huma...

Propriétés Physico- Chimiques des Aliments Dr Aouir 4ème année Technologie Alimentaire, ENSA Page 1 Chapitre I: L’EAU Page 2 I. 1. Généralités : L’eau constituant principal, de point de vue quantitatif,  l’organisme humain, environ 60 %,  la plupart de nos aliments à l’état naturel : lait : 90%, viande environ 75 %, fruits et légumes peuvent atteindre 96 % à l’exception des graines. 3 Page 3 Rôle de l’eau: Régulateur de la température du corps. Transporteur des nutriments et des déchets. Réactif et milieu de réaction Stabilisateur de la conformation des biopolymères Influence l’apparence (structure, texture) et l’appétence (le goût) des denrées végétales et animales. Responsable de la dégradation et de détérioration des aliments. Plusieurs méthodes de conservations des aliments sont fondées au moins partiellement sur l’abaissement de la disponibilité de l’eau (séchage, mobilisation, apport de sel ou de sucre, lyophilisation, cryoconcentration). 4 Page 4 I-2 Structure de la molécule d’eau L’eau est une molécule fort simple, formée de trois (3) atomes et de deux (2) éléments; le poids moléculaire est très faible, 18 daltons.  Elle constitue, en physique, le liquide de référence et en chimie, le solvant de la majorité des composés courants. Toute l’importance biologique de la molécule repose sur sa structure, sa configuration. 5 Page 5  L’angle de liaison HOH est de 104,5° (degrés), ce qui explique la présence de forces de répulsion attraction des charges négatives placées sur l’atome d’oxygène (O). Toutes les propriétés biologiques sont dues à la présence de cet important dipôle permanent: 6 Page 6  A l’état liquide Dans l’eau liquide, à la température de 25°C, les distances intermoléculaires (0.029 nm) sont plus grandes qu’au niveau de la structure moléculaire solide (0.027nm) où la température se situe entre 0° et 4°C; ceci crée: une certaine fluidité au niveau du système dans sa phase liquide On observe davantage d’activité énergétique, plus de mouvements browniens. Les forces d’attraction entre molécules adjacentes diminue. -A son tour l’eau agit sur les propriétés, telles que : -structure, de molécule (protéines) -diffusion, - réactivité des substances en solution. 7 Page 7  divers agents peuvent influencer de façons différentes sur cette structure ; des électrolytes comme Na+, K+ et Cl- fortement hydratés en solution diminuent le nombre de liaison hydrogène entre les molécules d’eau, tandis que les hydrocarbures et les groupes non polaires (ex chaîne latérales des protéines) ont tendance à l’augmenter. Page 8  A l’état solide (glace) les molécules d’eau sont liées entre elles par des liaisons hydrogène, d’où la formation d’un polymère de structure cristalline ; -A T < -183°C toutes les liaisons hydrogènes possibles se trouveraient engagées, -A 0°C, il n’y en aurait qu’environ 50 %, -A 100 °C, il en existerait un certain nombre. l’eau à l’état solide (glace) oú les distances intermoléculaires sont plus réduites (0.027nm). Il existe peu de mouvements de rotation et de translation, les liaisons hydrogène sont plus fortes. 9 Page 9  A l’état de vapeur la molécule d’eau est un monomère.  A l’état gazeux, les distances sont de l’ordre de 0.03 nm, pour une température voisine de 83° à 100°C. Page 10 Les différentes dispositions des molécules d'eau dans ses trois états. 11 Page 11 I. 3. Propriétés physiques et physico-chimiques de l’eau Même si l'eau est (ou devrait toujours être) un liquide inodore, incolore et sans saveur, d'autres propriétés physiques ou chimiques lui confèrent des qualités qu'il faut connaître pour comprendre mieux le rôle fondamental que joue cette molécule sur notre planète aussi bien comme facteur essentiel pour les écosystèmes que comme élément vital pour les êtres vivants. 12 Page 12 Ces propriétés sont importantes en IAA pour les opérations telles : la cuisson, la stérilisation, la concentration, la déshydratation, la congélation. 13 Page 13 Parmi les propriétés physiques et physico-chimiques de l’eau, certaines concernent plus spécialement les changements d’états et les transferts de chaleurs et de matière, par exemple :  chaleur spécifique, la quantité d'énergie à apporter pour élever d'un kelvin la température de l'unité de masse du produit.  chaleur latente de diffusion et chaleur latente de vaporisation, la chaleur échangée lors d'un changement d'état.  Point de fusion , point d’ébullition et de congélation,  conductibilité thermique, la grandeur introduite pour quantifier l'aptitude d'un corps à conduire de la chaleur.  viscosité.  Tension superficielle, plus élevée que les autres liquides (forces d’attraction entre les molécules élevée) 14 Page 14 D’autres propriétés constante diélectrique, moment dipolaire: confèrent un grand pouvoir de solvatation et permettent à l’eau d’agir comme: solvant dans lequel de nombreuses substances chimiques peuvent y diffuser et réagir entre elles, réactif lui-même peut diffuser et participer à des réactions telle l’hydrolyse notamment. 15 Page 15 propriétés colligatives : L’introduction dans l’eau d’espèces chimiques diverses, en solution ou en suspension colloïdale, crée aussi des propriétés dites colligatives qui dépendent du nombre de molécules présentes, il en est ainsi de :  l’abaissement de la pression de vapeur,  l’abaissement de point de congélation,  l’abaissement de tension superficielle,  l’élévation du point d’ébullition,  l’augmentation de la viscosité, 16 Page 16 NB: Le mot colligatif vient du mot latin colligatus qui signifie liés ensemble, étant donné que ces propriétés sont reliées ensemble par le fait qu'elles dépendent toutes du nombre de particules. suspension colloïdale (suspension d'une ou plusieurs substances, dispersées régulièrement dans une autre substance) Page 17 I-4 Propriétés fonctionnelles de l'eau dans les aliments L'eau a trois fonctions principales dans les aliments. Ces fonctions sont : Fonction de solubilisation (ou dispersion) : L'eau dans les aliments est le solvant des constituants hydrophiles. 18 Page 18  Fonction de structuration : L'eau joue un rôle essentiel dans la configuration des macromolécules alimentaires, notamment les protéines et les glucides. L'eau détermine également la structuration de certains constituants en micelle. C'est le cas, par exemple, des caséines dans le lait. Fonction de mobilisation : L'eau, par rapport aux autres fluides, est le facteur de mobilité le plus répondu dans les produits alimentaires. 19 Page 19  1-5 Teneur en eau La teneur en eau ou l’humidité d’un aliment est la quantité d’eau perdu par la substance lorsqu’on l’amène en équilibre vrai avec une pression de vapeur nulle (humidité relative = 0%). La quantité d’eau perdue est constituée de l’eau fixée par des liaisons hydrogène (eau de sorption, eau retenue par effet capillaire ou osmotique, eau des solutions, eau occluse dans des mailles cristalline et eau de cristallisation) ; l’eau chimiquement liée par des liaisons covalentes est exclue. 20 Page 20 1-5 Teneur en eau (suite) Elle s’exprime en masse d’eau % rapportée : 21 Page 21 L’intérêt de la mesure de % HR La connaissance de la teneur en eau des produits alimentaires est souvent nécessaire et ce pour : - Nécessité technologique : La connaissance de la teneur en eau des aliments est nécessaire pour la conduite rationnelle des opérations de récolte, de séchage, de stockage ou de transformation industrielle. C'est un paramètre essentiel pour l'évaluation et la maîtrise des risques d'altération pendant l'entreposage des denrées alimentaires. 22 Page 22 - Nécessité réglementaire : Dans le cas où des textes réglementaires fixent la teneur limite en eau de certains aliments pour des raisons d'hygiène ou pour garantir la loyauté des transactions commerciale. - Nécessité contractuelle : Dans le cas où des contrats commerciaux exigent une teneur limite en eau dans un aliment. - Nécessité analytique : Les résultats d'analyse des produits alimentaires sont souvent exprimés par rapport à une base fixe (matière sèche ou teneur en eau standard). 23 Page 23 L'activité de l'eau (aw) indique la disponibilité de l'eau d'un milieu pour des réactions chimiques, biochimiques, un changement d'état ou un développement de micro- organismes. Elle correspond au rapport entre la pression de la vapeur d’eau de l’aliment (pression de la vapeur d'eau à la surface du produit) et la pression de la vapeur d’eau pure à la même température °. aw = Pw / Pwo 24 Page 24  La valeur de l'activité de l'eau varie entre 0 (produit sec au point que toute l’eau est liée à l’aliment, et donc sans qualité réactive) et 1 (eau pure et sans soluté, difficile à atteindre et surtout à maintenir). aw o pure =1 aw d’une solution ˂ 1 Cette diminution s’explique par la mobilisation de l’eau par les divers constituants qui abaissent ainsi sa capacité à s’évaporer. 25 Page 25  A même teneur en eau aw est différente. Un autre facteur entre en considération c’est l’humidité relative (HR) est directement proportionnelle à aw. aw = HR/100 A l’équilibre il ya équivalence entre l’humidité de l’air et aw des aliments placés dans cette air , mesure de l’ aw revient à mesurer HR. 26 Page 26 L'aw d'une solution peut être également calculée par la formule de RAOULT : aw = n1/(n1 + n2) n1 = nombre de moles du solvant (eau). n2 = nombre de moles du soluté. 27 Page 27  28 Page 28  L'activité de l'eau d'un aliment dépend de la température. Un changement de 10°C peut causer un changement dans l'aw de 0,03 à 0,2 dépendant du type du produit. Ainsi, la modification de la température peut avoir un effet sur la stabilité d'un produit et joue un rôle important dans la conservation des produits dans un emballage hermétique. 29 Page 29 1-7 Comportement l’eau des solutions lors de la congélation 1-7-1 Activité de l’eau d’une solution à La congélation La congélation consiste à entreposer les aliments à des températures inférieures au point de congélation, généralement -18°C. Elle est utilisée pour la conservation des aliments à long terme (4 à 24 mois). 30 Page 30 Le froid doit son pouvoir de conservation à 2 effets : Un effet thermique d’abaissement des vitesse de réactions biologiques de développement (métabolisme des micoorganismes) et des réactions biochimiques et enzymatiques qui peuvent aussi nuirent à la conservation des aliments. 31 Page 31 Un 2nd effet, l’abaissement de l’activité de l’eau encore plus puissant mais qui n’existe qu’en congélation / surgélation : c’est à dire que l’eau cristallisée devient indisponible pour toutes les réactions (biologiques, chimiques et enzymatiques) ; ceci explique pourquoi la congélation/surgélation permet des durées de conservation beaucoup plus longues que la réfrigération ! 32 Page 32 Une solution diluée soumise à une congélation, dés que la congélation commence il se forme des cristaux de glace, pratiquement à l’état pure, le soluté reste dans la phase liquide et il devient de plus en plus concentré dépassant sont seuil de solubilité, il précipite en même temps que l’eau qui reste sous forme d’un mélange intime glace – soluté solide, c’est ce qu’on appelle le mélange eutectique 33 Page 33  la température de fin de congélation s’appelle température eutectique, (ou cryohydrique), constitue ; o une caractéristique invariable pour un soluté donnée, o reste constante pendant toute la durée de cristallisation du mélange eutectique En pratique, il est difficile d’atteindre ces températures, car très coûteuses. Page 34 1-7-2 Action du froid sur les caractéristiques de l’aliment Pendant la congélation, l’activité métabolique de la plupart des germes pathogènes et d'altération est inhibée. Cependant, les réactions d’altération chimique ne sont pas arrêtées complètement. Les plus importantes de ces réactions sont: l’oxydation enzymatique des lipides; l’hydrolyse des glucides et la lipolyse. Pour en remédier, les industriels procèdent généralement à un blanchiment des produits (cas des légumes surgelées) avant leur congélation. 35 Page 35 Au cours de la congélation les modifications vont être plus importantes que la réfrigération dans la mesure où il y a un changement d’état (passage de l’eau liquide à l’eau solide). Les conséquences du froid négatif ne se verront que plus tard, en décongélation. Les modifications observées sont : 36 Page 36  Augmentation du volume, qui sera fonction de la quantité d’eau présente. Il se produit un déchirement des cellules et des tissus et une exsudation à la décongélation.( ex à –18°C : + 9 % pour de l’eau ; + 8,3 % pour un jus de pomme ; +4% pour de la framboise entière ; + 8% pour de la viande de bœuf Détérioration des cellules : il se forme des cristaux au cœur des cellules, mais leur taille, leur répartition et leur potentialité de destruction sont différentes suivant la vitesse de congélation comme on le verra plus loin.. 37 Page 37  Dessiccation de la surface : le froid dessèche d’où l’obligation de bien emballer les produits stockés au froid. La dessiccation peut aussi être une réaction vive de sublimation de la glace formée en surface. Cela a lieu lors d’un passage rapide dans une enceinte très froide (vers - 20 °C) : il y a alors « brûlure par le froid ». Exemple : couleur brune des viandes congelées sans emballage adapté. 38 Page 38  Recristallisation progressive (augmentation de leur taille) des cristaux de glace ; modification de la texture des glaces et sorbets ; solution température de surgélation < -18°C (-30°C ou durée de stockage + courte ! Agrégation des protéines musculaires du poisson (un peu viande) d’où exsudation à la décongélation et texture + sèche ; solution : température de surgélation < -18°C (-30°C ou durée de stockage + courte !) 39 Page 39  Givre : c’est un phénomène périodique de lyophilisation qui résulte des fluctuations de températures : quand la température extérieure diminue, et devient inférieure à la température à la surface du produit, il y a migration de la vapeur d’eau par sublimation sur les parois de l’emballage (ou de la chambre froide) et dépôt sur la surface la plus froide sous forme de givre. Ceci est important sur les produits emballés et est un signe de fonctionnement intermittent en cycles longs ou de rupture forte de la chaîne du froid. 40 Page 40  Détériorations biochimiques : En effet, le froid ne dégrade pas toutes les enzymes. On observe : le rancissement des matières grasses sous l’action des lipases, actives aux basses températures et basses aw. Ceci explique la fragilité des poissons gras, des viandes (surtout hachées car les lipases sont alors en contact avec le substrat), et des produits laitiers gras (beurre et fromages) ; la dégradation des pigments colorés par protéolyse : on conseille donc le blanchiment 41 Page 41 Détériorations biochimiques (suite): l’apparition de saveurs désagréables par oxydation, comme le goût de « foin » remarquable sur les légumes verts. On conseille alors l’ajout d’antioxydant tel que l’acide ascorbique (vitamine C) pour limiter le phénomène. Cette réaction est sous le contrôle d’enzymes oxydatives ou par réaction spontanée avec l’oxygène dissous. 42 Page 42 Détériorations biochimiques (suite): l’apparition de taches brunes sur certains végétaux : il s’agit d’un brunissement oxydatif enzymatique (Brunissement Enzymatique) qui correspond à une défense du végétal face à l’agression que représente le choc thermique ; parade : blanchiment de certains légumes avant de les congeler. 43 Page 43 1-7-3 Cinétique de congélation La cinétique de congélation est caractérisée par trois phases (Figure 1). Pendant la première phase, la température du produit diminue rapidement puis se stabilise pendant un certain temps, qui correspond à la deuxième phase, à un niveau équivalent à celui de la formation de la glace. Ensuite, la température reprend sa descente jusqu’à atteindre la température finale désirée ; c’est la troisième phase 44 Page 44  45 Page 45 Selon la vitesse de congélation des aliments, on distingue : 1. La congélation rapide ou surgélation : Les températures auxquelles sont soumis les aliments sont plus basses (entre -30 et -50°C), au cours de laquelle les denrées sont stabilisées par abaissement rapide de la température jusqu’à - 18°C à cœur. Cette technique permet la formation de nombreux et petits cristaux de glace qui ne détériorent pas l'aliment. Seul un faible exsudat se produit lors de la décongélation. 46 Page 46 2. La congélation lente: Le refroidissement de l'aliment s'effectue lentement ce qui entraîne la formation de cristaux de glace de taille relativement importante par rapport à celle des cellules du produit. Les aiguilles tranchantes des cristaux de glace peuvent percer et déchirer la paroi des cellules peu résistantes et favoriser une forte exsudation lors de la décongélation. 47 Page 47 Page 48  1-7-4 Action de la lyophylisation sur aw Le principe consiste en l'élimination progressive de l'eau du produit préalablement congelé (phase solide) par passage à la phase vapeur, sans passer par la phase liquide. Ce changement d'état s'appelle la sublimation. Elle autorise une conservation à long terme grâce à l’abaissement de l’activité de l’eau Page 49  On commence par congeler le produit liquide, pâteux ou solide à des températures de l’ordre de - 20 °C à -80 °C. On le soumet ensuite à une évaporation sous vide ou dessiccation primaire. Cela permet de faire passer l'eau contenue dans le produit directement de l'état solide à l’état gazeux. On capture la vapeur d’eau ainsi produite par congélation, à l’aide d’un condenseur. Enfin, la dessiccation secondaire permet d’extraire par désorption les molécules d’eau piégées à la surface des produits séchés. Page 50  Pendant la lyophilisation, l'eau passe donc par les changements d'états suivants : Liquide ----> solide -----> vapeur -----> solide Congélation Sublimation Piégeage A la fin de ce cycle, le produit ne contient plus que 1% à 5% d’eau. Page 51 1-8 Activité de l'eau et conservation des aliments L’importance de l’activité de l’eau pour la stabilité des denrées alimentaires lors de traitements et entreposage est illustrée de manière très évidente ci-après. D'une manière générale, une stabilité optimale est obtenue lorsque l'aw est situé entre 0,2 et 0,3. 53 Page 53  54 Page 54 1. Activité de l'eau et les réactions d'oxydation: Le rancissement est une des principales réactions de détérioration des aliments à faible ou moyenne teneur en eau ; il s’observe même pour des activités d’eau comprises entre 0 et 0,2 environ (courbe en rouge). Ceci est dû à l’action de l’O2 sur les doubles liaisons C=C par un mécanisme ou intervient des radicaux libres : composés carbonylés, peroxydes lipidique. 55 Page 55 Conséquences : production de composés volatils indésirables; destruction des vitamines; abaissement, de la solubilité, la digestibilité et la valeur nutritionnelle des protéines. 56 Page 56 Solution :  L’addition d’antioxydants: comme EDTA, BHT, BHA  L’addition de l’eau permet de créer une compétition avec l’O2 pour occuper les cites actifs, en intervenant selon trois manières: Sur les radicaux libres Sur les peroxydes sur les traces de métaux catalysant l’oxydatio 57 Page 57  De cette façon la décomposition et la vitesse d’initiation de l’oxydation son ralenties. Cet effet antioxydant de l’eau augmente jusqu’à ce que l’interface lipidique soit saturée et ne s’accroit plus ensuite. L’action sur les radicaux libres s’étend jusqu’à une aw de l’ordre de 0,5. Page 58 En même temps l’augmentation de la teneur en eau accentue l’action des antioxydants ajoutés: EDTA, BHT, BHA Au delà d’une aw = 0,5 l’oxydation augmente les métaux diffusent et la catalyse l’emporte sur l’effet antioxydant (voir figure). Conclusion: L’oxydation des lipides constitue souvent le facteur limitant de la conservation de certains aliments déshydratés ou à teneur moyenne en eau. 59 Page 59 2.Activité de l'eau et le brunissement non enzymatique (Réaction de maillard) Le BNE aboutit, par une série de réactions compliquées, à la formation de polymères bruns qui ont une odeur ou une flaveur recherchée ou non : -Condensation entre fonction carbonylée et fonction aminée (réaction de Maillard). -Dégradation de composé carbonylé à doubles liaisons conjuguées (acide ascorbique). 60 Page 60 Deux cas de BNE :  BNE désiré (réaction de Maillard) ; -Tous les aliments qu’on fait passer dans le four (pain, Viande rôtie). - Le caféA n’a pas d’odeur, lorsqu’on le chauffe il aura un certain arôme. -Les fruits n’ont pas le même goût que la purée. BNE non désiré ; -Le lait bouilli. - Les jus sont rejetés par le consommateur en cas de BNE. - La farine de viande (BNE diminue la solubilité). 61 Page 61 La vitesse de brunissement non enzymatique augmente rapidement avec l’activité de l’eau et atteint un maximum à des activités comprises entre 0,5 et 0,7 (courbe en gris). Au delà de ces valeurs, la vitesse de cette réaction diminue. 62 Page 62 Tout comme l’oxydation des lipides, le BNE est souvent le facteur limitant de la conservation des aliments à teneur moyenne en eau. C’est aussi une réaction de détérioration gênante lors des opérations de déshydratation où il faut s’efforcer de traverser la zone critique le plus rapidement possible et à une température minimale. 63 Page 63 Prévention : a) Elimination des sucres réducteurs. b) L’addition des sucres réducteurs doit se faire après le traitement thermique. c) Action sur les facteurs encourageant le BNE : - travailler à des basses températures. - aW