Influence des stabilisants sur la cristallisation d'un semi-liquide alimentaire : Application à la congélation des sorbets

Influence of stabilizers on the crystallization of a semi-liquid food : application to the freezing of sorbets

• Auteur / Autrice : Véronique Masselot
• Direction : Hayat Benkhelifa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : François Puel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Puel, Lazhar Benyahia, Francine Fayolle, Paulo Fernandes, Véronique Bosc
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lazhar Benyahia, Francine Fayolle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure

Croissance cristalline

Aspect moléculaire

Chimie

Desserts glacés

Mots clés libres

Sorbet

Stabilisants

Cristallisation de l’eau

Physico-Chimie des stabilisants

Microstructure des sorbets

Sorbet

Stabilizers

Crystallization of water

Physico-Chemistry of stabilizers;

Microstructure of sorbets

Résumé

Un sorbet est un dessert congelé et aéré, fabriqué à partir d’un mix constitué de jus de fruit concentré, de sucres et de stabilisants. L’étape la plus critique du procédé de fabrication des sorbets est l’étape de congélation-foisonnement qui a lieu dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR) ; c’est lors de cette étape que se forment les cristaux de glace et que l’air est introduit tandis que la solution résiduelle non congelée se concentre en sucres et en stabilisants. La qualité du produit final est fortement liée à la quantité initiale et à la taille des cristaux de glace formés dans l’ECSR ; ils doivent être les plus nombreux et les plus petits possibles. L’objectif scientifique de cette thèse est une meilleure compréhension de l’influence des stabilisants sur la microstructure (taille et nombre de cristaux et de bulles d’air) formée pendant la congélation d’un sorbet.Les propriétés rhéologiques du mix de sorbet avant sa congélation et de la solution résiduelle non congelée ont été explorées et quantifiées en fonction du type de stabilisant utilisé (CMC, HPMC, LBG). Des études de leurs propriétés tensioactives et de la diffusion des molécules d’eau ont été menées et les propriétés thermiques d’équilibre du mix ont été analysées. La microstructure de ces sorbets a été étudiée in situ au cours du procédé de congélation et ex situ en fin de congélation à l’aide d’outils de caractérisation performants (FBRM, Microtomographie à rayons-X et Cryo-MEB).L’ensemble des études réalisées a permis une meilleure compréhension de l’influence des molécules stabilisantes sur la mise en place de la microstructure d’un sorbet et notamment sur la taille et le nombre des cristaux de glace et des bulles d’air. Seul l’HPMC influence significativement la quantité d’air incorporée d’une part, et le nombre et la taille des cristaux de glace d’autre part. Il semblerait que ce stabilisant, en augmentant la fraction d’air, diminue la croissance des cristaux de glace. Les bulles d’air agiraient comme des barrières physiques lors de la congélation. La viscosité des mixes ou solution résiduelles, et la diffusion de l’eau dans ces systèmes ne sont pas des facteurs qui contrôleraient la cristallisation.

A sorbet is a frozen and aerated dessert made from a mix of concentrated fruit juice, sugars and stabilizers. The most critical step in the manufacturing process of sorbets is the freezing-foaming step that takes place in a scraped surface heat exchanger (SSHE). During this step, ice crystals are generated and air bubbles are introduced while the unfrozen residual solution concentrates in sugars and stabilizers. The quality of the final product is strongly related to the quantity and size of ice crystals formed in the SSHE; they must be numerous and as small as possible. The scientific objective of this thesis is a better understanding of the influence of stabilizers on the microstructure (number and size of ice crystals and air bubbles) formed during the freezing process of a sorbet.The rheological properties of the sorbet mix before freezing and of the unfrozen residual solution were explored and quantified according to the stabilizer added (CMC, HPMC, or LBG). Studies of their surfactant properties and of the diffusion of water molecules were carried out and the thermal equilibrium properties of the mix were analyzed. The microstructure of sorbets was characterized in situ during the freezing process and ex situ at the end of freezing using high-performance characterization tools (FBRM, X-ray micro-computed tomography and Cryo-SEM).This study provides a better understanding of the influence of stabilizers on the establishment of the microstructure of a sorbet and in particular on the size and number of ice crystals and air bubbles. HPMC is the only stabilizer that influences the amount of air incorporated, and also the number and size of ice crystals. It appears that this stabilizer, by increasing the amount of air, decreases the growth of ice crystals. The air bubbles would act as physical barriers during freezing. The viscosities of the mix or the unfrozen residual solution, and water diffusion do not influence the crystallization in these systems.