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Isothermes de sorption de l’eau DVS et stabilité des aliments
Une isotherme est une courbe qui représente la relation entre la teneur en eau et l’activité de l’eau.
Tous les fabricants de produits alimentaires ont besoin des informations fournies par les isothermes : voici pourquoi.
Les isothermes prédisent les variations de produit dans le temps
Les fabricant de produits alimentaires doivent savoir combien de temps s’écoulera avant que leur produit ne moisisse, se détrempe, se périme, rancisse, se gâte, s’agglomère, cristallise et devienne inacceptable pour le consommateur. L’isotherme de sorption de l’eau est un outil puissant pour prévoir et prolonger la durée de conservation d’un produit. Elle vous permet de :
- Déterminer les valeurs critiques de l’activité de l’eau où se produisent des changements tels que le mottage, l’agglomération et la perte de texture
- Prévoir comment le produit réagira aux modifications d’ingrédients et de formulation
- Fournir une estimation précise de la durée de conservation
- Créer des modèles de mélange
Effectuer des calculs d’emballage - Trouver la valeur de la monocouche (où un produit est le plus stable)
Les isothermes : la clé de la formulation
Une isotherme de sorption de l’eau est une courbe représentant les variations de l’activité de l’eau (aw) lorsque l’eau est adsorbée dans et désorbée d’un produit maintenu à une température constante. Cette relation est complexe et unique pour chaque produit. L’activité de l’eau augmente presque toujours avec la teneur en eau, mais la relation n’est pas linéaire. Dans les faits, les isothermes de sorption de l’eau sont en forme de S (sigmoïde) pour la plupart des aliments et en forme de J pour les aliments qui contiennent des matériaux cristallins ou présentant une teneur élevée en matières grasses.
Une méthode manuelle peu pratique
La méthode classique pour créer un isotherme consiste à placer l’échantillon dans un dessiccateur avec une solution saline dont l’activité de l’eau est connue, jusqu’à ce que le poids de l’échantillon cesse de varier. L’échantillon est ensuite pesé pour déterminer combien d’eau il contient. Chaque échantillon produit un point sur la courbe isotherme.
En raison de la longue durée du processus, les courbes étaient traditionnellement établies en utilisant cinq ou six points de données avec des équations d’ajustement de courbe, telles que GAB ou BET.
Une manière plus rapide de créer des isothermes
La création manuelle d’isothermes de sorption de l’eau est laborieuse. La méthode devait être automatisée. La méthode utilisée en premier - et encore utilisée par la plupart des instruments de sorption de vapeur - est appelée sorption dynamique de vapeur (ou DVS). Un échantillon est exposé à un courant d’air à humidité contrôlée, tandis qu’une microbalance mesure d’infimes variations de poids lorsque le produit adsorbe ou désorbe l’eau. Une fois l’équilibre atteint, l’instrument passe de manière dynamique au niveau d’humidité prédéfini suivant. Les tests durent de deux jours à plusieurs semaines.
La méthode DVS permet d’étudier la cinétique de sorption, à savoir ce qui arrive à un produit lorsqu’il est exposé à certaines humidités et la vitesse à laquelle il adsorbe ou désorbe l’eau. Cependant, la méthode DVS n’est pas très utile pour créer une courbe isotherme à haute résolution, car chaque étape d’équilibre ne produit qu’un seul point sur la courbe isotherme.
Les isothermes DDI révèlent l’inconnue
La méthode de l’isotherme dynamique du point de rosée (DDI) a été conçue pour résoudre ce problème. Elle permet de créer des isothermes à haute résolution qui montrent les détails des courbes d’adsorption et de désorption en mesurant régulièrement l’activité de l’eau et de la teneur en eau (toutes les 5 secondes) lorsque l’échantillon est exposé à de l’air humidifié ou séché. Les courbes DDI contiennent des centaines de points de données et montrent des détails qui n’étaient pas visibles auparavant, tels que les points critiques où se produisent le mottage, l’agglomération, la déliquescence et la perte de texture.
Déterminer les valeurs critiques de l’activité de l’eau
En dépit d’un double emballage et de directives strictes en matière de stockage à température, un fabricant de lait séché par atomisation rencontrait toujours des problèmes d’agglomération.
Quand la transition vitreuse devient un problème
Lorsque le lait est séché par atomisation, l’évaporation rapide laisse les sucres à l’état vitreux. Le lactose vitreux a des propriétés totalement différentes de celles du lactose cristallin. En raison de leur faible mobilité, les particules ne s’agglomèrent pas lorsque la poudre est à l’état vitreux. La structure cristalline est un état de moindre énergie, ce qui signifie qu’il y aura toujours des molécules en transition entre l’état vitreux et l’état cristallin. Les problèmes surviennent lorsque le taux de transition atteint un seuil critique.
L’activité de l’eau prédit le taux de transition
À 0,30 aw, plusieurs années seraient sans doute nécessaire pour que tout le lactose devienne cristallin. À 0,40 aw, il faudrait peut-être un mois. Au-delà de 0,43, la transition se fera en quelques heures. Une fois le lactose cristallisé, le lait en poudre est définitivement modifié. La quantité d’eau qu’il contient est très différente, il ne se dissout pas et il n’a pas bon goût. On peut dire qu’il a été complètement gâté.
Les isothermes DDI prévoient le point de transition vitreuse
Le point de transition vitreuse de poudres telles que le lait séché par atomisation peut être déterminé à l’aide d’une isotherme DDI à haute résolution. Les isothermes traditionnels s’appuient sur des modèles leur permettant de remplir l’isotherme entre les points mesurés. Les isothermes DDI mesurent des centaines de points et permettent d’identifier des transitions telles que le point de transition vitreuse pour le lait en poudre séché par atomisation.
La valeur de crête sur le tracé de la deuxième dérivée de l’isotherme identifie la valeur critique du changement de phase à 0,43 aw.
Des tests réguliers et précis sur la ligne de production, avec de meilleures valeurs de contrôle, ont permis au fabricant d’améliorer le taux d’acceptation des produits expédiés.
Créer des modèles de mélange
Un fabricant de pâtisserie industrielle élaborait une recette de gâteau fourré à la crème. La recette comportait le glaçage (teneur en eau d’environ 7 %), la crème (12 %) et le gâteau (15 %). La migration de l’eau au cours de la durée de conservation avait causé auparavant des problèmes de texture, tels que des gâteaux rassis, un glaçage caoutchouteux et une garniture à base de crème liquéfiée qui s’écoulait dans le gâteau.
Créer des modèles de mélange
Un fabricant de pâtisserie industrielle élaborait une recette de gâteau fourré à la crème. La recette comportait le glaçage (teneur en eau d’environ 7 %), la crème (12 %) et le gâteau (15 %). La migration de l’eau au cours de la durée de conservation avait causé auparavant des problèmes de texture, tels que des gâteaux rassis, un glaçage caoutchouteux et une garniture à base de crème liquéfiée qui s’écoulait dans le gâteau.
Les isothermes de sorption de l’eau pour chaque ingrédient ont montré que le glaçage - l’ingrédient le plus sec - présentait l’activité de l’eau la plus élevée (0,79). Les activités de l’eau dans la crème et le gâteau étaient similaires - à savoir 0,66 et 0,61.
Prévoir l’activité de l’eau dans le produit final
La transformation des isothermes en diagrammes de chi a permis de prévoir que l’activité de l’eau dans le produit final serait de 0,67, soit une valeur microbiologiquement sûre pour le gâteau.
Éviter les mauvaises surprises
Le pâtissier a ensuite réussi à cuire et à goûter le gâteau au point d’équilibre de l’activité de l’eau (0,67).
Sélectionner l’emballage
Les mélanges de boissons en poudre en portion individuelle constituent un segment de marché en pleine expansion. L’emballage représente plus de 50 % du coût des matières premières pour ce produit. L’objectif principal de l’emballage est de maintenir le mélange de boissons en dessous du seuil critique d’activité de l’eau pendant toute la durée de conservation du produit.
Cette courbe montre le point de transition vitreuse pour une formulation de boisson particulière :
Calculer la conductance de l’emballage
En utilisant des calculs d’emballage simplifiés (disponibles dans « Principes fondamentaux des isothermes » et sous forme d’outil logiciel), nous avons évalué quatre types d’emballages différents pour ce mélange de boissons, à savoir son emballage d’origine et trois alternatives possibles. Dans des conditions d’excès d’humidité (25° C, 75 % d’humidité), voici les résultats :
Comprendre les changements de formulation
Une entreprise d’aliments pour animaux domestiques a modifié sa formulation afin de fabriquer un produit sans conservateur et contrôlé par l’activité de l’eau. Peu après le lancement du produit, l’entreprise a commencé à recevoir des retours pour cause de détérioration.
L’évaluation initiale a montré que les prévisions d’altération étaient basées sur des tests d’activité de l’eau effectués à une température inhabituellement basse, à savoir 15º C. Les isothermes réalisées à 15° C, 25° C et 40° C ont montré que si le produit était stocké dans des conditions non conformes (comme c’est souvent le cas pour les aliments pour animaux domestiques), il était probable qu’il s’altérerait.
Enquêter sur la défaillance d’un produit
Après 13 saisons sans aucun problème, un producteur de noix de pécan a vu sa récolte rejetée en raison de problèmes de moisissure. Une isotherme a été créé pour étudier le problème.
Afin d’éviter toute croissance microbienne, les noix de pécan doivent être séchées à 0,60 aw. Comme le montre l’isotherme, 0,60 aw correspond à 4,8 % de teneur en eau dans les noix de pécan. L’isotherme de la noix de pécan est également assez plate dans cette zone de contrôle critique, de sorte qu’une petite variation de la teneur en eau se traduit par une variation importante et potentiellement dangereuse de l’activité de l’eau.
La courbe isotherme montre que les spécifications ont été définies à un niveau trop bas
La courbe isotherme complète montre que le processus du producteur de noix de pécan ne convenait pas pour garantir la sécurité et la qualité de sa récolte. Le producteur de noix de pécan a mesuré la teneur en eau par la perte à la dessiccation. Comme sa spécification de validation était de 5 % et que sa précision était de ± 0,5 %, la teneur en eau réelle de la récolte séchée aurait pu être comprise entre 4,5 % et 5,5 %.
Des conditions de stockage très humides ou un emballage inadéquat ont pu amener les noix de pécan à des niveaux dangereux d’activité de l’eau et entraîner leur détérioration.
En savoir plus sur la durée de conservation
Dans ce webinaire de 30 minutes, Mary Galloway et Zachary Cartwright, chercheurs en agroalimentaire, vous expliquent comment obtenir des réponses aux questions portant sur la durée de conservation. Découvrez comment :
- résoudre les problèmes et les réclamations afin de déterminer pourquoi la durée de conservation prend fin plus tôt que prévu
- prévoir l’impact des changements de recettes sur la durée de conservation
- comparer les effets de différentes options d’ingrédients
- évaluer si une option d’emballage spécifique vous permettra d’atteindre ou d’améliorer la durée de conservation
Études utilisant les isothermes dynamiques du point de rosée (DDI)
Allan, Matthew, et Lisa J. Mauer. « Comparison of methods for determining the deliquescence points of single crystalline ingredients and blends. » (Comparaison des méthodes de détermination des points de déliquescence des ingrédients monocristallins et des mélanges) Food Chemistry 195 (2016) : 29-38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.
Allan, Matthew, Lynne S. Taylor et Lisa J. Mauer. « Common-ion effects on the deliquescence lowering of crystalline ingredient blends. » (Effets des ions communs sur l’abaissement de la déliquescence des mélanges d’ingrédients cristallins) Food Chemistry 195 (2016) : 2-10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.
Barry, Daniel M., and John W. Bassick. « NASA Space Shuttle Advanced Crew Escape Suit Development. » (Développement d’un scaphandre d’évacuation avancé pour la navette spatiale de la NASA) SAE Technical Paper Series, 1995. doi:10.4271/951545.
Bonner, Ian J., David N. Thompson, Farzaneh Teymouri, Timothy Campbell, Bryan Bals et Jaya Shankar Tumuluru. « Impact of Sequential Ammonia Fiber Expansion (AFEX) Pretreatment and Pelletization on the Moisture Sorption Properties of Corn Stover. » (Impact du prétraitement séquentiel par expansion des fibres à l’ammoniac (AFEX) et de la granulation sur les propriétés de sorption de l’humidité des cannes de maïs) Drying Technology 33, no. 14 (2015) : 1768-778. doi:10.1080/07373937.2015.1039127.
Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S., et Carter, A.H. 2016. « Changes in the moisture permeability of grain at the critical water activity from dynamic dew point isotherms. » (Changements dans la perméabilité à l’humidité des grains à l’activité critique de l’eau à partir des isothermes dynamiques du point de rosée) Transactions de l’ASABE. 59(3):1023-1028.
Carter, B.P., Galloway, M.T., Morris, C.F., Weaver, G.L., et Carter, A.H. 2015. « The case for water activity as a specification for wheat tempering and flour production. » (Arguments en faveur de l’activité de l’eau en tant que spécification pour le tempérage du blé et la production de farine) Cereal Foods World 60(4):166-170.
Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell et Arron H. Carter. « The critical water activity from dynamic dew point isotherms as an indicator of crispness in low moisture cookies. » (L’activité critique de l’eau à partir des isothermes dynamiques du point de rosée en tant qu’indicateur de croustillance dans les biscuits à faible teneur en humidité) Journal of Food Measurement and Characterization 9, nº 3 (2015) : 463-70. doi:10.1007/s11694-015-9254-3.
Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell et Arron H. Carter. « The critical water activity from dynamic dew point isotherms as an indicator of pre-mix powder stability. » (L’activité critique de l’eau à partir des isothermes dynamiques du point de rosée comme indicateur de la stabilité des poudres prémélangées) Journal of Food Measurement and Characterization 9, nº 4 (2015) : 479-86. doi:10.1007/s11694-015-9256-1.
Carter, B.P et S.J. Schmidt. 2012. « Developments in glass transition determination in foods using moisture sorption isotherms. » (Développements dans la détermination de la transition vitreuse dans les aliments à l’aide d’isothermes de sorption de l’eau) Food Chemistry 132:1693-1698.
Coronel-Aguilera, Claudia P., et M. Fernanda San Martín-González. « Encapsulation of spray dried β-carotene emulsion by fluidized bed coating technology. » (Encapsulation d’une émulsion de β-carotène séchée par pulvérisation au moyen d’une technologie d’enrobage à lit fluidisé) LWT - Food Science and Technology 62, nº 1 (2015) : 187-93. doi:10.1016/j.lwt.2014.12.036.
Fonteles, Thatyane Vidal, Ana Karoline Ferreira Leite, Ana Raquel Araújo Silva, Alessandra Pinheiro Góes Carneiro, Emilio De Castro Miguel, Benildo Sousa Cavada, Fabiano André Narciso Fernandes et Sueli Rodrigues. « Ultrasound processing to enhance drying of cashew apple bagasse puree: Influence on antioxidant properties and in vitro bioaccessibility of bioactive compounds. » (Traitement par ultrasons pour améliorer le séchage de la purée de bagasse de pomme de cajou : influence sur les propriétés antioxydantes et la bioaccessibilité in vitro des composés bioactifs) Ultrasonics Sonochemistry 31 (2016) : 237-49. doi:10.1016/j.ultsonch.2016.01.003.
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Hao, Fayi, Lixin Lu et Jun Wang. « Finite Element Simulation of Shelf Life Prediction of Moisture-Sensitive Crackers in Permeable Packaging under Different Storage Conditions. » (Simulation par éléments finis de la durée de conservation des crackers sensibles à l’humidité dans un emballage perméable dans différentes conditions de stockage) Journal of Food Processing and Preservation 40, nº 1 (2015) : 37-47. doi:10.1111/jfpp.12581.
Kuang, Pengqun, Hongchao Zhang, Poonam R. Bajaj, Qipeng Yuan, Juming Tang, Shulin Chen et Shyam S. Sablani. « Physicochemical Properties and Storage Stability of Lutein Microcapsules Prepared with Maltodextrins and Sucrose by Spray Drying. » (Propriétés physicochimiques et stabilité au stockage des microcapsules de lutéine préparées avec des maltodextrines et du saccharose par séchage par atomisation) Journal of Food Science 80, nº 2 (2015). doi:10.1111/1750-3841.12776.
Liu, Wei, Haifeng Wang, Xifeng Gu, Can Quan et Xinhua Dai. « Certification of reference materials of sodium tartrate dihydrate and potassium citric monohydrate for water content. » (Certification des matériaux de référence du tartrate de sodium dihydraté et du citrate de potassium monohydraté pour la teneur en eau) Anal. Methods 8, nº 13 (2016) : 2845-851. doi:10.1039/c5ay03067f.
Marquez-Rios, E., V.m. Ocaño-Higuera, A.n. Maeda-Martínez, M.e. Lugo-Sánchez, M.g. Carvallo-Ruiz et R. Pacheco-Aguilar. « Citric acid as pretreatment in drying of Pacific Lion’s Paw Scallop (Nodipecten subnodosus) meats. » (L’acide citrique comme prétraitement dans le séchage des viandes de coquilles Saint-Jacques du Pacifique (Nodipecten subnodosus)) Food Chemistry 112, nº 3 (2009) : 599-603. doi:10.1016/j.foodchem.2008.06.015.
Penner, Elizabeth A., et Shelly J. Schmidt. « Comparison between moisture sorption isotherms obtained using the new Vapor Sorption Analyzer and those obtained using the standard saturated salt slurry method. » (Comparaison entre les isothermes de sorption de l’eau obtenus à l’aide du nouveau Vapor Sorption Analyzer et ceux obtenus à l’aide de la méthode standard de boue saline saturée) Journal of Food Measurement and Characterization7, nº 4 (2013) : 185-93. doi:10.1007/s11694-013-9154-3.
Rao, Qinchun, Mary Catherine Fisher, Mufan Guo et Theodore P. Labuza. « Storage Stability of a Commercial Hen Egg Yolk Powder in Dry and Intermediate-Moisture Food Matrices. » (Stabilité de stockage d’une poudre de jaune d’œuf de poule commerciale dans des matrices pour aliments secs et à teneur en eau intermédiaire) Journal of Agricultural and Food Chemistry 61, nº 36 (2013) : 8676-686. doi:10.1021/jf402631y.
Rao, Qinchun, Andre Klaassen Kamdar, Mufan Guo et Theodore P. Labuza. « Effect of bovine casein and its hydrolysates on hardening in protein dough model systems during storage. » (Effet de la caséine bovine et de ses hydrolysats sur le durcissement des systèmes modèles de pâte protéique pendant le stockage) Food Control 60 (2016) : 621-28. doi:10.1016/j.foodcont.2015.09.007.
Syamaladevi, Roopesh M., Ravi Kiran Tadapaneni, Jie Xu, Rossana Villa-Rojas, Juming Tang, Brady Carter, Shyam Sablani et Bradley Marks. « Water activity change at elevated temperatures and thermal resistance of Salmonella in all purpose wheat flour and peanut butter. » (Changement de l’activité de l’eau à des températures élevées et résistance thermique de Salmonella dans la farine de blé tout usage et le beurre de cacahuète) Food Research International 81 (2016) : 163-70. doi:10.1016/j.foodres.2016.01.008.
Wei, Meilin, Xiaoxiang Wang, Jingjing Sun et Xianying Duan. « A 3D POM–MOF composite based on Ni(ΙΙ) ion and 2,2′-bipyridyl-3,3′-dicarboxylic acid: Crystal structure and proton conductivity. » (Composite 3D POM-MOF basé sur l’ion Ni(ΙΙ) et l’acide 2,2′-bipyridyl-3,3′-dicarboxylique : structure cristalline et conductivité des protons) Journal of Solid State Chemistry 202 (2013) : 200-06. doi:10.1016/j.jssc.2013.03.041.
Wei ML, Sun JJ, Wang XJ « Preparation and proton conductivity evaluation of a silicate gel composite doped with a metal-Schiff-base-POM-MOF. » (Préparation et évaluation de la conductivité protonique d’un composite de gel de silicate dopé avec POM-MOF-base de Schiff-métal.) Journal of Sol-Gel Science and Technology 71, nº 2 (2014) : 324-28. doi:10.1007/s10971-014-3370-0.
Yuan, X., Carter, B.P. et Schmidt, S.J. 2011. « Determining the Critical Relative Humidity at which the Glassy to Rubbery Transition Occurs in Polydextrose using an Automatic Water Vapor Sorption Instrument » (Détermination de l’humidité relative critique à laquelle se produit la transition entre le verre et le caoutchouc dans le polydextrose à l’aide d’un instrument automatique de sorption de la vapeur d’eau) Journal of Food Science, 76(1) : E78-89.
Zabalaga, Rosa F., Carla I.a. La Fuente et Carmen C. Tadini. « Experimental determination of thermophysical properties of unripe banana slices (Musa cavendishii) during convective drying. » (Détermination expérimentale des propriétés thermophysiques des tranches de bananes non mûres (Musa cavendishii) pendant le séchage par convection) Journal of Food Engineering 187 (2016) : 62-69. doi:10.1016/j.jfoodeng.2016.04.020.