Identification des sucres dans les produits alimentaires par diffraction à rayons X

Problématique / Besoin :

La cristallinité des sucres affecte dans une large mesure les propriétés macroscopiques (telles que la texture ou la sensation en bouche) des produits alimentaires. La diffraction des rayons X peut être utilisée pour identifier les sucres dans les produits alimentaires et pour étudier leur cristallinité. 

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction 

Les sucres sont présents naturellement dans de nombreux produits d'épicerie, mais sont également régulièrement ajoutés dans la transformation des produits alimentaires. Ils servent principalement d'édulcorants, mais affectent également de nombreuses autres propriétés telles que la saveur, la couleur ou la sensation en bouche. Les problèmes de santé associés aux sucres libres ont poussé l'Organisation mondiale de la santé (OMS) à recommander une consommation réduite de sucre et de nombreux client recherchent des produits à teneur réduite en sucre. Le terme sucre désigne le plus souvent le saccharose, un disaccharide qui est principalement raffiné à partir de la betterave sucrière ou de la canne à sucre. Cependant, plus généralement, le terme couvre tous les mono- et disaccharides, y compris le glucose, le fructose, le lactose, etc. Tous ces sucres sont très solubles dans l'eau et se trouvent souvent à l'état dissous (par exemple dans les boissons gazeuses). D'autre part, les sucres solides peuvent également être trouvés dans de nombreux produits alimentaires. Les polymorphes cristallins et amorphes se produisent pour la plupart des sucres. Alors que la diffraction des rayons X (XRD) n'a qu'une utilité limitée pour l'étude des sucres dissous, elle peut facilement détecter les sucres cristallins. Etant donné que chaque type de sucre a une structure cristalline différente, les sucres peuvent facilement être différenciés les uns des autres à l'aide de XRD. La XRD a également été utilisée pour étudier la cristallisation des sucres amorphes - un processus qui est souvent indésirable en raison des changements de propriétés nuisibles qui l'accompagnent. Même la quantification des sucres cristallins et amorphes par XRD est possible. Dans ce rapport d'application, les profils XRD de sucres purs et de certains produits alimentaires sucrés sont enregistrés à l'aide du diffractomètre à rayons X automatisé à usages multiples XRDynamic 500 d'Anton Paar. Les sucres cristallins dans les produits alimentaires sont ensuite identifiés à partir des diffractogrammes mesurés.

2. Détails expérimentaux

Quatre sucres purs, trois types de sucre et six produits alimentaires sucrés choisis au hasard ont été broyés pour servir d'échantillons pour cette étude. Les mesures XRD ont été effectuées en géométrie Bragg-Brentano à l'aide du diffractomètre à rayons X pour poudre polyvalent automatisé XRDynamic 500 équipé d'une source à rayons X à tube scellé Cu Primux 3000, d'un monochromateur à faisceau divergent Ni/C et d'un passeur d'échantillons (stage XY) pour 12 échantillons avec capacité de filage. Les balayages ont été effectués dans une plage de 2θ de 5° à 60° avec un écart de 0,01°. La taille du faisceau a été définie par la fente de divergence motorisée et le masque de faisceau avec des ouvertures de 0,2° et 8mm, respectivement. Des fentes motorisées Soller (0,05 rad) ont été utilisées à la fois du côté primaire et du côté secondaire. Astuce : La platine XY avec la plaque adaptatrice pour 12 échantillons (spinning) permet de définir des plans de mesure automatisés pour jusqu'à 12 échantillons. La rotation des échantillons peut être activée séparément pour chaque balayage. 

3. Résultats

Deux mesures ont été effectuées sur le même échantillon de saccharose. La mesure à l'aide du monochromateur multicouche à faisceau divergent Ni/C a pour résultat un bruit de fond considérablement réduit à de faibles angles de diffusion 2θ par rapport à la mesure sans monochromateur utilisant un filtre Ni Kβ. Deux petits pics à 2θ = 10,51° et 2θ = 13,95° ne peuvent être vus que dans la mesure avec le monochromateur alors qu'ils sont cachés en arrière-plan pour le balayage avec le filtre Ni. De plus, des intensités de pic plus élevées sont obtenues avec le monochromateur en utilisant les mêmes paramètres de balayage. Pour ces raisons, toutes les mesures suivantes ont été effectuées uniquement avec le monochromateur afin d'obtenir la meilleure qualité de données. Les différentes structures cristallines des quatre sucres donnent des diffractogrammes complètement différents. Comme pour de nombreux échantillons organiques, les premiers pics de Bragg se produisent à de petits angles de diffusion - pour le saccharose, le lactose et le glucose, même à des valeurs 2θ < 10°. Cela met l'accent sur la nécessité d'un faible bruit de fond à petit 2θ. Pour des angles 2θ plus grands (en particulier pour 2θ>45°), un fort chevauchement des pics se produit même pour ces échantillons monophasiques purs en raison des structures cristallines complexes des échantillons. Ainsi, la plage 2θ basse est la plus intéressante lors de l'étude d'échantillons contenant du sucre à l'aide du XRD.

Pour une comparaison des types de sucre, les diffractogrammes agrandis jusqu'à la plage pertinente de 2θ sont présentés. Sur la première vue, les trois diffractogrammes représentent le diffractogramme du saccharose pur. Pour le sucre cristallisé fin, un examen plus attentif ne révèle également aucune phase supplémentaire. Ceci est attendu puisque le sucre cristallisé est un saccharose hautement concentré avec une pureté d'environ 99,9 %. Le sucre de canne brut se compose généralement de 97 à 99% de saccharose. Cependant, aucunpic supplémentaire n'est visible dans le diffractogramme puisque le reste est un mélange d'humidité et de nombreux composants différents (sucres réducteurs, amidon, etc.) qui ne sont pas tous cristallins. De plus, la mélasse de canne - qui produit la couleur brune du sucre de canne brut malgré sa teneur élevée en saccharose - présente également un fort chevauchement de pic avec le saccharose. 

En revanche, quelques petits pics supplémentaires peuvent être trouvés dans le diffractogramme du sucre conservateur, en particulier lors du tracé des intensités avec une échelle logarithmique. Ceux-ci peuvent être attribués à la pectine, qui représente généralement 1 à 2% dans le sucre conservateur, tandis que 96 à 98% sont du saccharose. Cela met en évidence le potentiel de la XRD pour identifier les phases de traces dans un matériau; ceci est rendu plus en raison du faible bruit de fond de mesure observé dans les données mesurées présentées ici. 

Ici on compare les diffractogrammes du saccharose et du dextrose à ceux de certains produits alimentaires contenant du sucre. Les diffractogrammes de la poudre de crème glacée et du thé instantané montrent le saccharose comme composant principal. Dans les deux produits, des quantités importantes de dextrose sont également observées. Pour les biscuits génoises, tous les pics de Bragg observés peuvent être attribués au saccharose. Cependant, les intensités de pic de saccharose absolues sont beaucoup plus faibles que pour le saccharose pur, ce qui indique que des phases majeures autres que le saccharose cristallin sont également présentes. Etant donné que les composants principaux ont une structure amorphe, ils ne produisent pas de pics de Bragg, mais une large bosse est visible dans le diffractogramme. Ceci est également vrai pour les chips de banane et les bonbons. Une comparaison avec la liste des ingrédients montre que la bosse est principalement causée par l'amidon et l'huile amorphe ou faiblement cristallin pour les chips de banane, alors qu'elle est principalement causée par le sirop de glucose pour les bonbons. De plus, pour les chips de banane et les bonbons, tous les pics de Bragg dans les diffractogrammes peuvent être attribués au saccharose, indiquant que le saccharose est le principal composant cristallin. De petits décalages de pic entre les pics de saccharose des différents échantillons de produits alimentaires peuvent être causés par des teneurs en humidité différentes des sucres. 

4. Résumé

Il a été démontré que les sucres cristallins peuvent être facilement identifiés et analysés à l'aide du XRD à poudre. Le diffractomètre à rayons X pour poudre polyvalent automatisé XRDynamic 500 d'Anton Paar, lorsqu'il est utilisé avec un monochromateur multicouche à faisceau divergent Ni/C, facilite la détection de phases mineures (telles que 1 à 2 % de pectine dans le sucre de conservation) en raison du très faible bruit de fond à petits anglas de diffusion.