Effet des ingrédients

La composition surfacique des particules de poudre est très différente de celle de l’émulsion liquide. Cela signifie que lors de l’atomisation, les composés présents, lactose, protéines, et matière grasse subissent une redistribution.

Par exemple, pour la poudre de lait, la matière grasse et les protéines sont surreprésentées à la surface de la poudre, comparativement à ce qui a été observé dans l’émulsion liquide (Kim, Chen, & Pearce, 2002; Vignolles et al., 2010).

a) Le lactose

Dans une émulsion liquide, le film surfacique composé de protéines est complètement hydraté. Lors du séchage, cette structure est cassée.

Le lactose amorphe prend la place de l’eau dans les émulsions sèches (Fäldt & Bergenst\aahl, 1995). Il est ajouté en vue de protéger les protéines de l’interface en formant un manteau hydratant qui leur permet de rester solubles et stables (Jayasundera et al., 2009). Le lactose n’améliore pas l’efficacité de l’encapsulation de la matière grasse mais permet, couplé aux protéines sériques, de préserver la taille des gouttelettes de matière grasse dans l’émulsion, qu’elle soit liquide ou sèche.

Ce dioside est bien adapté au procédé de séchage en raison de sa faible viscosité, et de sa capacité à former une « vitre » lors de l’enlèvement de l’eau (Vignolles et al., 2009b). Cette vitre permet d’éviter la sortie des autres composés, et donne aux particules de poudre une nature hydrophile plus importante, recherchée lors de la réhydratation (Gharsallaoui et al., 2007).

Etat de l’arte 1" Résultats et discussion Après homogénéisation, s’il n’y a pas de lactose amorphe, les gouttelettes de MG sont beaucoup plus grosses en présence de protéines sériques dénaturées (Vignolles et al., 2009b). Le lactose amorphe engendre une meilleure rétention des composés lipidiques volatils. De plus, il diffuse et diminue ainsi la teneur en eau disponible (au niveau local), entraînant la protection de l’interface entre la fraction hydrophobe et la fraction hydrophile, durant l’homogénéisation et le séchage.

L’ajout de lactose limite la diffusion des substances apolaires en direction de la surface. Sous sa forme amorphe, il limite la diffusion des particules hydrophobes vers la surface, permettant ainsi une meilleure encapsulation (Gharsallaoui et al., 2007).

Dans les poudres laitières, il apparait que le principal composé à l’origine de l’effet collant d’une poudre est le lactose (Gänzle et al., 2008). Selon Jayasundera et al. (2009), lors du séchage de solution à base de protéines et de sucres, l’effet collant dépend également de la température du produit. Cet effet semble pouvoir être évité en séchant le produit à une température supérieure à (Tg-20 °C).

b) La matière grasse

La matière grasse libre de surface (MGLS) se forme lors du séchage. En effet, une fois que la surface des particules n’est plus suffisamment humide, il y a formation d’une croûte. C’est à ce moment là que la matière grasse peut être libérée. Plus la croûte met du temps à se former, plus la matière grasse aura le temps de migrer vers la surface (Vignolles et al., 2007).

Dans le lait, Vignolles et al., (2007) ont montré que la teneur en MGL est corrélée à la taille moyenne des globules gras. Pour un même produit, si la teneur en matière grasse libre est faible, les globules de matière grasse sont petits. Si au contraire la quantité de matière grasse libre est élevée alors une couche de MGL à la surface se forme, et l’intégrité de la gouttelette de matière grasse se dégrade (Vignolles et al., 2007).

Plus la température de fusion de l’huile utilisée est élevée, moins elle diffusera en surface, lors du séchage (Fäldt & Bergenst\aahl, 1995). De même, la vitesse de migration est inversement proportionnelle à la taille de la chaîne d’acide gras composant la matière grasse (Murrieta-Pazos et al., 2012).

Les gouttelettes de matière grasse de moins de 1 µm sont connues pour favoriser la stabilité de l’émulsion et améliorer la rétention de la matière grasse. S’il y a peu de matière grasse libre lors de la remise en suspension de la poudre, cela signifie que les globules gras ont été stables au cours du procédé (Vignolles et al., 2010). Plus il y a de MG, plus il y aura de MGL (Kim et al., 2009b).

La matière grasse de surface n’est pas bénéfique à la qualité de la poudre puisqu’elle favorise l’oxydation (Coupland, 2002) et défavorise la mouillabilité (Gaiani et al., 2011).

Etat de l’arte 1" Résultats et discussion c) La migration des protéines

Dans une solution aqueuse de saccharose et de protéines sériques, les protéines migrent préférentiellement vers l’interface air-eau. Ce phénomène est en partie responsable de l’effet non collant de la poudre formée par cette solution (Adhikari, Howes, Bhandari, & Langrish, 2009). La mise en place des protéines au niveau de l’interface eau-air, lors du séchage est décrite en trois étapes : tout d’abord la diffusion des molécules vers la région sub-surfacique des gouttelettes, puis à l’interface air-eau où elles vont s’adsorber, et enfin le réarrangement de ces composés, en couche, à la surface.

La taille des protéines est un facteur déterminant lors de leur diffusion : plus elles sont petites, plus leur adsorption à l’interface est rapide. On calcule le temps de diffusion à l’aide de la formule suivante :

t = ^𝜋𝑛² 4𝐶²𝐷

Où : C : la concentration volumique en gouttelettes (mol.m-3) ; D : le coefficient de diffusion des protéines (m².s-1) ; n : (mol.m-²) (Jayasundera et al., 2009).

Le temps théorique de diffusion jusqu’à la surface est de 0,2 - 0,3 s pour les protéines sériques. Ce laps de temps est également valable lors du séchage. Selon certains auteurs, en plus de la diffusion, le taux de cisaillement a son importance dans l’adsorption des protéines à la surface lors du séchage.

La présence de protéines sériques non dégradées assure une faible teneur en matière grasse libre. En effet, de part leurs propriétés émulsifiantes, ces protéines ont une forte affinité pour l’interface eau-air et sont surreprésentées à la surface des grains de poudre, laissant ainsi la matière grasse au cœur (Gaiani et al., 2007).

Les émulsions à base de protéines sériques dénaturées tendent à avoir des globules gras plus gros, effet diminué par la présence de lactose amorphe (Vignolles et al., 2009). Les protéines natives disponibles pour l’adsorption diminuent après le traitement thermique.

La structure de l’émulsion est conservée lors du séchage sauf pour les émulsions contenant des protéines très dénaturées, puisque, plus le degré de dénaturation augmente, moins les protéines sont émulsifiantes (Millqvist-Fureby et al., 2001). Les agrégats, dus aux traitements thermiques, diffusent moins rapidement à la surface des particules de poudre lors du séchage (Millqvist-Fureby et al., 2001). Ces protéines sont alors moins compétitives pour se placer aux interfaces (eau/air ou eau/huile) que les protéines n’ayant pas subies de traitements thermiques (Millqvist-Fureby et al., 2001).

Dans ces conditions, il n’y a pas plus de lactose en surface, mais plus de matière grasse, pour combler le manque de protéines. Plus les protéines sont dénaturées, moins elles sont présentes en surface de la poudre, ce qui implique une taille de gouttelettes plus petite lors de l’atomisation.

Etat de l’arte 1" Résultats et discussion L’état protéique est donc un paramètre décisif sur les propriétés de l’émulsion, aussi bien que sur la composition et la structure de surface de la poudre. Durant le séchage, les β-lactoglobulines sont plus surface-actives que la BSA (sérum albumine). Dans l’émulsion, ces propriétés ont des propriétés similaires, que l’on utilise l’une de ces deux protéines ou un mélange des deux.

D’après l’étude de Sliwinski et al. (2003), le séchage n’a pas d’effet sur l’adsorption des protéines à l’interface de la matière grasse.

5.2.2. L’importance de la formulation

Lors du séchage, le lactose permet de renforcer la protection des gouttelettes. La présence de matière grasse inhibe la cristallisation du lactose.

La nature des protéines et la teneur en lactose présent dans l’émulsion avant séchage influent directement sur la composition de surface, et notamment sur la quantité de matière grasse en surface des poudres. Plus le ratio lactose/protéines augmente, moins il y a de matière grasse libre. Une émulsion contenant 40% de lactose est composée de particules plus sphériques à surface plus lisse, c'est-à-dire contenant moins de pores qu’une émulsion contenant moins de lactose (Vignolles et al., 2007).

La création de matière grasse libre, lorsqu’il n’y a pas de lactose amorphe, est plus limitée en présence de protéines sériques, qu’en présence de caséines (Vignolles et al., 2009). Si les seules protéines présentes sont des protéines sériques, alors le lactose n’a pas d’influence sur la composition de surface des poudres.

Plus le ratio matière grasse/protéines augmente, plus les protéines risquent de manquer pour couvrir toute la zone interfaciale. L’efficacité d’encapsulation est alors moins bonne. L’encapsulation de la matière grasse est très limitée en présence de protéines, s’il n’y a pas de lactose amorphe présent. Cette absence engendre une forte présence de matière grasse de surface.

Le ratio huile/protéines ne doit pas dépasser 1 sinon, lors du séchage, il risque d’y avoir déstabilisation de l’émulsion. En effet, le séchage semble avoir un effet dénaturant et agrégeant sur les β-lactoglobulines (Gharsallaoui et al., 2007). Cela est aussi prouvé par le travail de Taneja, et al. (2013) : l’ajout d’une trop grande quantité de protéines, ici plus de 2,5% de protéines sériques pour 20% (m/m) de matière grasse, engendre de l’agrégation lors de la remise en suspension de la poudre.

Les protéines sériques dégradées s’adsorbent moins et en couches plus fines que lorsqu’elles sont natives. Avec ces protéines dégradées, la présence de lactose amorphe est indispensable à la bonne encapsulation de la matière grasse : ce type de lactose influence la conformation des agrégats de protéines sériques dégradées lors de leur adsorption à l’interface huile/eau (Vignolles et al., 2009). La combinaison du lactose avec les protéines permet une meilleure stabilité de la structure de la matrice des poudres.

Les sels diminuent les répulsions électrostatiques entre les protéines, et peuvent induire la présence d’interfaces communes entre certaines gouttelettes de matière grasse (Vignolles et al., 2007).

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