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Caractérisation des aliments

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Description

Problématique / Besoin :

Les processus de formulation, de fabrication et d'emballage des poudres alimentaires nécessitent une cohérence d'un lot à l'autre pour garantir la sécurité et la fidélité des consommateurs. Les informations dérivées de l'expérimentation utilisant les instruments Anton Paar qui déterminent la densité, la taille des particules, la force de cohésion, la compressibilité et la perméabilité peuvent contribuer à la qualité et à la consistance de la poudre alimentaire. Ce rapport d'application se concentre sur le lait en poudre et la farine tout usage, car ce sont des produits omniprésents et des ingrédients cruciaux dans de nombreux autres produits alimentaires et compléments nutritionnels.

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction

La constance de la qualité des aliments garantit la sécurité et la fidélité des consommateurs. Une qualité reproductible est facilement réalisable en utilisant les instruments Anton Paar qui mesurent les propriétés physiques des aliments. Ce rapport se concentre sur la caractérisation physique des poudres car ce sont les ingrédients de base de la plupart des aliments. En fait, les aliments solides, liquides et même gélatineux peuvent être transformés (par exemple, écrasés, pulvérisés ou déshydratés) en poudres tout en conservant l'essence de l'aliment. La caractérisation des poudres permet d'assurer la cohérence d'un lot à l'autre et peut conduire à une plus grande confiance dans la qualité des aliments et à des économies en termes de formulation, de reformulation, d'emballage, de stockage et de transport.

2. Densité, rhéologie et taille des particules

Une connaissance précise de la composition des pouders alimentaires conduit à une formulation fiable - il est facile d'identifier les ingrédients; c'est un défi ou un secret commercial de savoir comment mélanger les ingrédients pour produire un produit final qui sera apprécié de manière fiable. Anton Paar propose une boîte à outils polyvalente pour la caractérisation des poudres alimentaires.

Le centre de recherche Anton Paar a mené des expériences à l'aide d'instruments de caractérisation des particules sur des poudres d'aliments secs, notamment du lait en poudre (préparation pour nourrissons et tout-petits) et de la farine tout usage.

3. Résultats

A l'aide d'un processus de contrôle de la qualité représentatif, des expériences ont été menées pour d'abord mesurer la densité tapée avec l'Autotap. Ensuite, la densité squelettique a été déterminée à l'aide d'un Ultrapyc 1200e. Les résultats de ces tests ont été complétés par des analyseurs sophistiqués supplémentaires de granulométrie et de rhéologie.

Densité tapée et squelettique

Les densités de remplissage initiales pour les laits en poudre étaient similaires à 0,43 et 0,42 g/cm3 pour les préparations de lait en poudre pour nourrissons et tout-petits. Après le taraudagen suivant la procédure standard ASTM 7481-18, ils ont atteint des densités tapées respectives de 0,56 et 0,55 g/cm3. Ce changement de densité tapée a permis de déterminer sa compressibilité, donnant 24,3 et 25,0. La farine tout usage présentait une densité de remplissage initiale de 0,56 g/cm3 et une densité tassée finale de 0,71 g/cm3. La compressibilité était de 21,1. Pour les poudres en lait, les densités squelettiques de 1,19 et 1,08 g/cm3 étaient presque le double des valeurs de densité tassée pour les deux. Le rapport de la densité tapée à la densité squelettique était égal à 0,47 et 0,51, suggérant que ces particules sont loin d'être sphériques. La densité squelettique de la farine tout usage a été déterminée à 1,50 g/cm3. Le rapport de la densité tapée à la densité squelettique était de 0,47. Ces résultats suggèrent que les deux poudres alimentaires ont une fluidité passable et sont des matériaux propices à des flux de processus ininterrompus.

Taille des particules

Lait en poudre : les agrégats primaires (mesures en mode Venturi) de la préparation pour nourrissons se trouvent dans une plage de tailles plus petites que les particules primaires de la préparation pour nourrissons. Fait intéressant, l'analyse de D10, D50 et D90 en mode chute libre n'a indiqué que de petites différences de taille entre les agrégats des deux poudres. Pendant ce temps, un déplacement vers une gamme de taille plus petite pour les particules primaires dans le cas de la préparation pour tout-petits a été observé.

La taille différente des particules primaires mesurées dans le Venturi peut être directement corrélée avec la vitesse de reconstitution et de dissolution de la poudre de lait. La préparation pour nourrissons contient des particules primaires plus grosses, ce qui signifie une surface plus faible que l'échantillon de préparation pour tout-petits. Les particules plus grosses suggèrent en outre une porosité plus élevée pour la préparation pour nourrissons. Pour cette raison, la préparation pour nourrissons se reconstituera plus rapidement dans l'eau. De plus, la fluidité sera également meilleure que celle du lait pour tout-petits en raison de la plus grande taille d'agglomérat mesurée en chute libre.

Rhéologie

Farine : Les mesures de compressibilité fournissent des informations sur la densité apparente (consolidée et non consolidée) de l'échantillon après traitement/stockage à une humidité accrue et à des temps de conditionnement différents. Une exposition accrue à 95% d'humidité relative à 35°C diminue la densité apparente. Ainsi, plus la farine était exposée longtemps à 95% d'humidité relative à 35°C, plus la porosité de la farine était élevée. Ceci est attribué à une augmentation de la taille des particules.

Dans l'ensemble, une teneur en humidité accrue de la farine diminue la densité apparente réalisable lors de la compression. Cela indique un frottement intergranulaire plus élevé ainsi qu'une augmentation de l'angle de repos. Ces phénomènes se reflètent dans l'analyse de cohésion. Cela est vrai pour différents temps d'exposition dans la chambre climatique ainsi que pour différentes procédures de prétraitement avant l'exposition à une humidité et une température élevées.

Cohésion de Warren Spring

Farine : La méthode Warren Spring est appliquée pour mesurer la cohésion dans des poudres particulièrement cohésives telles que la farine. Le maximum de la courbe représente la valeur de la force de cohésion Warren Spring. Une forte diminution de la force de cohésion après son pic indique une rupture rapide de l'échantillon. En revanche, un pic large et une légère diminution de la force de cohésion au fil du temps indiquent une poudre à rupture lente. Dans ce cas, on observe un comportement intermédiaire, la force de cohésion formant un pic ni pointu ni large, confirmant l'applicabilité de la méthode.

Un prétraitement plus long de l'échantillon de farine dans la chambre environnementale a augmenté la force de cohésion Warren Spring. La teneur en humidité accrue de l'échantillon favorise la formation de ponts capillaires entre les particules. De plus, la chimie de surface altérée des granules d'amidon (absoprtion d'eau) conduit à une nette augmentation des frottements internes et donc à une meilleure cohsion. Ainsi, la cohésion élevée de Warren Spring est causée par de multiples facteurs, tous contribuent à un changement marqué du comportement de l'écoulement.

Perméabilité

Lait en poudre : on obtient des résultats de perméabilité, représentant les résistances à l'écoulement d'air des poudres sous différentes forces de compactage. La formule infantile est notablement plus perméable et plus dépendante du compactage comme le montre le changement important de perméabilité avec les différents compactages.

En général, la perméabilité diminuait avec l'augmentation du stress normal pendant la compression, et la préparation pour nourrissons présentait une perméabilité significativement plus élevée que la préparation pour tout-petits. En soi, cela pourrait être une indication d'une plus grande diversité granulométrique. Cependant, cela pourrait aussi être fonction de la composition chimique. Une plus grande quantité de glucides dans la composition (comme c'est le cas avec la formule pour tout-petits) modifierait naturellement la morphologie des particules, entrainant dans ce cas moins de volume libre et donc une plus faible perméabilité. La dépendance à la compression montre la vulnérabilité de certaines poudres au compactage. On peut s'attendre à ce que les préparations pour nourrissons soient plus susceptibles de produire des caillots après un stockage prolongé par rapport aux préparations pour nourrissons fraiches. Cependant, la formule pour tout-petits montre un comportement de dissolution pire quel que soit le stress appliqué et présentera donc une coagulation dans les deux sens. Ceci a également été observé subjectivement dans les étapes de dissolution.

Farine : Dans le cas d'échantillons de farine, le but des mesures granulométriques est détudier le processus d'agglomération et son impact sur la fluidité du matériau. On peut observer des changements dans la distribution granulométrique (PSD) dus à la formation d'agglomérats pendant le temps de conditionnement. Un déplacement des pics vers une plage de taille plus élevée et un réarrangement de la position des pics se sont produits en raison de l'augmentation des événements d'agglomération.

Le pic détecté vers 300 m dans l'échantillon non conditionné est dû aux agrégats amidon-protéine. Après conditionnement, l'amidon commence a se dissocier des protéines, gonfle et forme des agglomérats avec d'autres granules d'amidon simples. Ce phénomène est responsable de la formation de particules supérieures à 300 µm. Les valeurs de D10, D50 et D90 sont répertoriés et, comme prévu, augmentent avec le temps de conditionnement. Les valeurs pondérées D et les courbes PSD des échantillons soumis à 1 ou 2 h de conditionnement n'apparaissent pas significativement différentes. Cependant, après 24 h de conditionnement, la forte augmentation de la taille des particules indique clairement la formation d'agglomérats plus gros.

Les distributions granulométriques renvoyées par les mesures en mode Venturi diffèrent grandement de celles des mesures en chute libre. Celles-ci sont dépourvues de grosses particules (> 600 m) et sont essentiellement monomodales, ce qui suggère que l'unité Venturi favorise la dispersion des agrégats. Les distributions obtenues pour les échantillons non conditionnés et conditionnés (24 h) sont similaires, mais un léger décalage vers des tailles de particules plus grandes peut être visualisé dans l'aperçu de la distribution cumulative pour l'échantillon conditionné.

L'augmentation des valeurs D10, D50 et D90, bien que clairement détectable, est également limitée. Comme la pression de l'air et le passage dans le tube Venturi provoquent la dispersion des agglomérats, l'effet de l'humidité et de la température sur les particules primaires peut être observé. Ainsi, on pense que le décalage restant résulte du gonflement de granules d'amidon uniques en réponse à l'absorption d'eau.

Lait en poudre : Les deux formules contiennent du lait, des huiles végétales et divers minéraux. La teneur en matière grasse provoque la détection de pics entre 100 nm et 10 µm dans les deux formules. Cependant, la teneur plus élevée en lactose et la présence de maltodextrine déterminent le pic à 2179 nm dans la préparation pour tout-petits.

4. Conclusion

Le centre de recherche Anton Paar a étudié les caractéristiques physiques des poudres de lait et de la farine tout usage à l'aide d'instruments de densité solide, de granulométrie et de rhéologie. Cette méthodologie multi-instruments fournit un processus de test de qualité fiable et reproductible des poudres alimentaires pour aider à assurer la cohérence d'un lot à l'autre, conduisant à la sécurité et à la fidélité des consommateurs. Les aliments ne sont qu'une classe de poudres. Ces techniques peuvent être pertinentes pour d'autres poudres.

Produits utilisés