CHAPITRE II.3. CARACTÉRISATIONS DE LA QUALITÉ DES PRODUITS APRÈS SÉCHAGE
II.3.5. Activité d’eau
(Eq. II.14)
II.3.5. ACTIVITÉ D’EAU
II.3.5.1. Définition
L’activité d’eau (aw) représente la disponibilité de l’eau d’un produit pour des réactions chimiques, biochimiques, un changement d’état ou un développement de micro-organismes. L’activité d’eau correspond au rapport entre la pression de la vapeur d’eau (p) de l’aliment (pression de la vapeur d’eau à la surface du produit) et la pression de la vapeur d’eau pure (p0) à la même température.
(Eq. II.15)
La valeur de l’activité d’eau varie entre 0 (produit sec au point que toute l’eau est dite liée à l’aliment, et donc sans qualité réactive) et 1 (eau pure).
L’activité d’eau peut être estimée par la formule de Raoult :
(Eq. II.16)
Où n1 : nombre de moles du solvant (Chareau & Cavaillé, 1995).
n2 : nombre de moles du soluté.
L’activité d’eau caractérise les liaisons de l’eau avec la matrice solide. Elle dépend de la composition du produit, de la teneur en eau et, dans une moindre mesure, de la température (Bonazzi et Bimbenet, 2003).
L’activité d’eau d’un produit peut être obtenue en mesurant l’humidité relative de l’air (Kulshreshtha et al., 2009) en équilibre avec ce produit
(Eq. II.17)
L’eau contenue dans un bioproduit peut donc être considérée comme étant formée de :
L’eau « libre » : c’est l’eau retenue par l’effet capillaire dans les pores des aliments, l’eau liée par l’effet osmotique, l’eau d’hydratation des macromolécules et l’eau en tant que solvant. L’eau libre reste mobile au sein du produit et conserve toutes les propriétés de l’eau pure. C’est l’eau disponible.
L’eau « liée » : Elle forme une couche mono moléculaire étroitement associée par divers types de liaison aux protéines et aux glucides. Cette eau est fixe, elle échappe,
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par exemple, à la congélation parce que les interactions eau-macromolécules sont plus fortes que celles des molécules d’eau cristallisées entre elles. Cette eau n’est pas disponible (Frénot and Vierling, 2001).
Il faut considérer qu’il existe des états intermédiaires entre l’eau libre et l’eau liée selon le degré d’affinité entre l’eau et les macromolécules.
La valeur de l'activité de l'eau acceptable pour divers aliments est décrite aux États-Unis, depuis 1979 par la FDA (Food and Drug Administration). Le système de mesure Rotronic, de l'activité de l'eau est conseillé pour établir cette valeur. Les valeurs d'activité de l'eau en relation avec la croissance des micro-organismes dans les produits alimentaires sont présentées dans le Tableau II.3.
Figure II.15 montre les intensités des réactions de dégradation des aliments en fonction de l’aw. Ainsi, c’est lorsque l’aw est comprise entre 0,2 et 0,3 que le produit se conserve le mieux (Vandamme et al., 2007).
Figure II.15. Vitesse de détérioration de l’aliment en fonction de l’activité d’eau aw (Labuza, 1975).
Pour la compréhension du séchage, sans entrer dans les explications physico-chimiques de la forme de ces courbes, qui tiennent aux diverses interactions entre l’eau et les constituants du produit, il est possible de distinguer :
le cas où aw = 1 : le produit contient de l’eau libre (produits biologiques très hydratés). Lors du séchage, l’eau se comporte comme si elle était pure.
le cas où aw 1 : le produit ne contient que de l’eau liée (Bimbenet, 1978). Ainsi, l’élimination de cette eau, dont la pression de vapeur est plus faible que si elle était pure, est plus difficile que s’il s’agissait d’eau libre. Notons cependant que des
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difficultés d’ordre cinétique pour l’extraction de l’eau libre des milieux structurés pourraient facilement induire une confusion à ce niveau (Alaff, 1988). Ainsi, une modification structurale par expansion pourrait souvent accélérer le processus de déshydratation malgré une réduction éventuelle de l’activité de l’eau.
Tableau II.3. Activité d’eau et croissance des micro-organismes dans les produits alimentaires selon FDA.
Valeur aw Types de microorganismes Produits alimentaires compris dans ces valeurs
1.00 - 0,95
Psoudomonas, Escherichia, Proteus, Shigella, Klebsiella, Bacillus, Clostridium perfringens,
certaines levures
Produits rapidement altérables (frais) aliments et fruits en boites, légumes, viande, poisson et laitage, saucisse cuite, pain cuit; produits alimentaires contenant jusqu’à 40% de
sucre ou 7% de sel
0.95 - 0,91
Salmonella Vibrio parahaemoliticus, Clostridium botulinum, Serratia, Lactobacillus, Pediococcus, certaines moisissures,
levures (Rhodotoruia, Pichia)
Certains fromages (cheddar, suisse, munster, provolone), viande fumée (jambon), quelques concentrés de jus de fruits, produits alimentaires contenant jusqu’à 55% de
sucre (saturés) ou 12% de sel
0,91 - 0,87
Beaucoup de levures (Candida, Torulopsis, Hansenula),
Micrococcus
Saucisse sèche (salami), flans, fromages secs, margarine, produits alimentaires contenant jusqu’à 65% de sucre
(saturés) ou 15% de sel
0,87 - 0,80
La plupart des types de moisissures (Penicillia, Staphyloccocus aureus,
la plupart des Saccharomyces (bailii) spp., Deboryamyces
La plupart des concentrés de jus de fruits, lait concentré sucré, sirops de chocolat, d’érable et de fruits, farines, riz
et légumes secs avec15-17% d’eau; gâteaux aux fruits; saucisses fumées, fondants
0,80 - 0,75 La plupart des bactéries halophiles Marmelades, gelées de fruits, pâte d’amande, fruits confits, certains marshmallows
0,75 - 0,65
Moisissure xérophile (Aspergillus, A. Candidus, Wallemia sebi),
Saccharomyces bisporus
Flocons d’avoine avec 10% d’eau, nougats, fondants, marshmallows, bouillies, mélasses, sucre brut, certains
fruits secs, noix
0,65 - 0,60
Levures osmophiles (Saccharomyces rouxi), certaines
moisissures (Apergillus echinulatus, Monascus bisporus)
Fruits secs avec 15-20% d’eau ; certains toffees et caramels ; miel
0,5
Pas de croissance microbiologique élevée
Pâtes alimentaires avec 12 % d’eau; épices avec 10% d’eau
0,4 Œufs en poudre avec 5% d’eau environ
0,3 Cakes, biscuits secs, croûte de pain… avec 3-5% d’eau
0,2
Poudre de lait avec 2-3% d’eau environ; fruits secs avec 5% d’eau environ, flocons de céréales avec 5% d’eau environ, gâteaux aux fruits, cakes rustiques, biscuits secs.
II.3.5.2. Mesure
Les lois de l’hygrométrie permettent de déterminer les conditions pratiques pour mesurer l’activité d’eau aw. Plusieurs techniques peuvent être utilisées.
Interpolation graphique. Par définition, la valeur de aw est l’humidité à laquelle la substance
n’absorbe ni ne rend de l’humidité à une température donnée. Pour réaliser la mesure, on peut donc utiliser des chambres étanches de mesure à différentes humidités relatives et déterminer
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le gain ou la perte de masse de l’échantillon après équilibre. La ligne obtenue coupera la ligne de modification nulle de la teneur en humidité. Le point d’intersection représente l’aw de
l’échantillon.
Cette méthode est relativement longue à mettre en œuvre (souvent plusieurs heures) et elle nécessite de disposer de plusieurs chambres humides.
Mesure de la pression de vapeur d’eau. La valeur de aw est directement liée à la pression de
vapeur d’eau pour une température constante donnée, il suffit de mesurer cette pression. Abaissement du point de congélation. La détermination de aw peut se faire en mesurant la diminution du point de congélation par rapport à l’eau pure (cette méthode ne convient que pour les solutions).
Méthode du point de rosée. L’échantillon est introduit dans une chambre de mesure hermétique contenant un miroir dont on peut faire varier la température (à l’aide d’un module thermoélectrique à effet Peltier). Le miroir est refroidi jusqu’à ce qu’il apparaisse de la condensation à sa surface. Cette technique de mesure de l’aw repose sur le fait que l’air peut être refroidi jusqu’au point de saturation sans modification de sa teneur en eau.
À l’équilibre, l’humidité relative de l’air présent dans la chambre est égale à l’activité d’eau de l’échantillon. On détermine la température exacte (température de rosée ou point de rosée) à laquelle la condensation de la vapeur d’eau se produit. On note également la température de la surface de l’échantillon. À partir de ces deux températures, on peut déterminer l’activité de l’eau. Cette méthode est très précise mais la manipulation de l’appareillage exige un certain savoir-faire et elle est onéreuse (Mesures, 2003) .
La Figure II.16 présente l'Analyseur de Sorption de Vapeur AquaLab (VSA) (Decagon Devices, Inc, Pullman, USA) qui a été utilisé dans ce travail.
Le VSA est le seul générateur automatique d’isotherme de sorption qui permet d’obtenir des isothermes en utilisant à la fois les méthodes dynamiques et les méthodes statiques. Pour produire les isothermes dynamiques, le VSA utilise la méthode du point de rosée (Bennamoun & Belhamri, 2006). Pour produire les isothermes statiques ou d'équilibre, le VSA utilise une humidité contrôlée et un système d'équilibre, communément appelé méthode dynamique de sorption de vapeur (DVS).
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Figure II.16. Analyseur de sorption de vapeur AquaLab (VSA) (Decagon Devices, Inc, Pullman, USA)