Une pomme intelligente : Utiliser l'analyse granulométrique et la rhéologie pour optimiser la production de cidre

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction

Le cidre est une boisson alcoolisée produite à partir du jus fermenté de pommes. Pour la fabrication, les pommes à haute teneur en tanins sont préférables. Les pommes sont d'abord broyées en une pulpe fine, puis pressées pour en extraire le jus. Le jus est ensuite fermenté, soit en utilisant les levures naturelles présentes dans le jus, soit en le complétant avec des souches de levures contrôlées pour assurer une fermentation homogène. La fermentation se déroule en deux étapes distinctes : d'abord, les levures convertissent le sucre en alcool, puis les bactéries lactiques convertissent l'acide malique naturel en dioxyde de carbone. Ainsi, la maitrise de ces deux procédés permet au fabricant de moduler à la fois le teneur en alcool et le caractère pétillant du produit final. Par rapport aux autres boissons alcoolisées, la fermentation du cidre se déroule à des températures plutôt basses (4 - 15°C). Cela a un impact important sur la durée du processus de fermentation et donc sur la saveur du produit final. 

Pour le cas habituel où la fermentation a lieu dans des cuves, le cidre est siphonné à la fin du processus de fermentation pour éliminer les levures mortes et les particules, résultant en un produit clair et sans sédiments. Afin de créer un produit d'apparence plus naturelle, et également de redonner un peu de douceur et de goût de pomme au cidre, certains fabricants ajoutent un concentré de jus de pomme trouble à la fin du processus. Afin de donner au produit final un aspect trouble attrayant tout en évitant le risque de sédimentation (ce qui est répugnant pour le client), le concentré doit être homogénéisé pour que les particules atteignent une certaine taille. Le processus d'homogénéisation mécanique vise à la fois à réduire la taille des particules et à rétrécir la distribution granulométrique, c'est-à-dire à donner aux particules une taille plus uniforme. 

Dans le présent rapport d'application, l'effet de l'homogénéisation sur la taille des particules dans un concentré de jus de pomme a été étudié à l'aide d'un analyseur de particules Litesizer 500. L'influence du jus de pomme concentré sur le produit final a également été examinée. De plus, nous avons cherché à établir les propriétés rhéologiques du concentré de jus de pomme avant et après homogénéisation à l'aide d'un rhéomètre Anton Paar. 

2. Configuration expérimentale

Caractérisation de la taille de particules

Les concentrés de jus de pomme non homogénéisés et homogénéisés ont été dilués avec de l'eau purifiée. Le produit cidre commercial a été dégazé pendant 15 minutes sur le sonicateur. Un millilitre de chaque échantillon a été transféré dans une cuvette quartz pour la mesure de la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Toutes les mesures ont été effectuées à 25°C sur un instrument Litesizer 500. L'angle de mesure, le filtre et la position de mise au point ont été automatiquement choisis par l'instrument pour chaque échantillon. L'indice de réfraction des échantillons a été fixé à 1,3483 et la viscosité dynamique de l'eau à 25°C (0,89 mPa.s) a été utilisée pour le calcul de la taille des particules.

Caractérisation rhéologique

Les échantillons non dilués ont été mesurés avec un rhéomètre MCR. Un système cône-plaque a été utilisé avec un diamètre de 50 mm et un angle de 1°. La pointe du cône est tronquée, ce qui entraine une taille d'espace minimale de 50 m. Cela limite la géométrie aptitude aux échantillons contenant des particules inférieures à 5 m (10% de la taille de l'intervalle). Etant donné que le Litesizer a déterminé que la taille des particules était bien inférieure à cette limite dans tous les échantillons, le système cône-plan semblait adapté à l'application. C'est le système le plus précis disponible puisque le taux de cisaillement est constant dans tout l'espace. 

3. Résultats et discussion

Résultats de la mesure de la taille des particules

En mode automatique, le Litesizer 500 sélectionne l'angle de mesure en fonction de la valeur de transmission de l'échantillon, qui est mesurée en continu pendant l'expérience. La turbidité élevée des échantillons de concentré de jus de pomme et de cidre a incité l'instrument à sélectionner l'angle de rétrodiffusion pour toutes les mesures.

Les résultats montrent une évolution vers des tailles de pic plus petites après le processus d'homogénéisation. De plus, la distribution de la taille des particules est apparue légèrement plus étroite après homogénéisation, indiquant que la taille des particules était également plus uniforme. 

Le pic unique et net de la distribution granulométrique du produit final indiquait que les particules de cidre étaient à la fois plus petites et plus homogènes que dans le concentré de jus de pomme homogénéisé. De plus, l'absence manifeste de grosses particules dans l'échantillon de cidre suggérait que le risque de sédimentation pour le produit final était faible. 

Résultats des mesures rhéologiques

Le comportement d'écoulement rhéologique des deux non homogénéisés et des échantillons homogénéisés ont été testés. Comme on peut le voir, les deux échantillons sont éclaircis par cisaillement. Au début de l'expérience, la viscosité diminue considérablement lorsque le taux de cisaillement augmente. Ceci est dû au structure des échantillons : les particules s'alignent dans la direction du cisaillement et ont donc moins de résistance à l'écoulement, ce qui entraîne une diminution de la viscosité. Cependant, à des taux de cisaillement plus élevés, la viscosité diminue plus lentement et est constante (ou presque constante) vers la fin de l'expérience. Ce comportement d'amincissement par cisaillement initialement fort, puis s'affaiblissant rapidement, est typique des émulsions et autres dispersions. 

Nous avons observé que l'échantillon homogénéisé avait une viscosité dynamique significativement plus élevée que l'échantillon non homogénéisé. Cette différence a été réduite à mesure que le taux de cisaillement augmentait mais a persisté jusqu'à la fin de l'expérience. Dans l'échantillon homogénéisé, les particules sont plus petites mais, comme le concentré n'a probablement pas été dilué après homogénéisation, la concentration en particules est plus élevée. Cela augmente la surface globale des particules dans la solution, provoquant une augmentation de la viscosité dynamique. De plus, nous ne pouvons pas exclure que l'homogénéisation ait entrainé la libération de composés cellulaires végétaux solubles (tels que le sucre) dans le solvant, ce qui aurait pu contribuer davantage à l'augmentation de la viscosité globale. 

L'échantillon homogénéisé a également affiché un comportement d'amincissement nettement plus important que son homologue non homogénéisé. En effet, la viscosité dynamique chute de 27% lorsque le taux de cisaillement augmente de 2 à 20 s-1 pour le concentré homogénéisé alors que la basse est inférieure à 4% pour l'échantillon non homogénéisé dans le même intervalle de taux de cisaillement. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que l'homogénéisation est suscpetible d'avoir un impact notable sur la sensation en bouche du concentré de jus de pomme, car ce facteur sensoriel dépend fortement de la taille des particule ainsi que de la viscosité et du comportement au cisaillement. 

4. Conclusion

Les résultats renvoyés par le Litesizer montrent que l'homogénéisation réduit à la fois la taille des particules dans le concentré de jus de pomme et rétrécit la distribtuion granulométrique. C'est bien l'effet recherché : les particules du concentré doivent avoir une taille calibrée pour que le produit final (cidre) prenne un aspect trouble d'aspect naturel sans risque de sédimentation. Il est intéressant de noter que les différences de taille des particules entre les deux échantillons de concentré étaient parallèles à de nettes différences de viscosité dynamique et de comportement d'amincissement par cisaillement, telles que déterminées par l'expérience menée sur un rhéomètre MCR. Ici, nous voyons que l'échantillon homogénéisé a une viscosité significativement plus élevée mais aussi un comportement de fluidification par cisaillement plus fortement que son homologue non homogénéisé, une caractéristique qui est susceptible d'avoir une influence notable sur la sensation en bouche du produit final. Ainsi, ce rapport démontre que la caractérisation du concentré de jus de pomme en utilisant le potentiel combiné de l'analyse granulométrique et de la rhéométrie permet de surveiller et d'influencer l'apparence, le comportement de sédimentation et la sensation en bouche du cide.