Gélatinisation et empesage

Lorsque l’amidon est chauffé au-delà de 60°C, en présence d’un excès d’eau (teneur

supérieure à 60 %), et sous agitation modérée pour éviter la sédimentation des grains, il se

produit un phénomène irréversible appelé gélatinisation (Boursier, 2005). Il s’agit de la

disparition de l’état cristallin accompagné d’un gonflement irréversible des grains d’amidon et

à la solubilisation de l’amylose.

Les liaisons hydrogènes au sein des grains d’amidon, assurant la structure cristalline de

l’amidon, sont fragilisées entraînant une absorption d’eau et le gonflement irréversible des

grains d’amidon (Olkku and Rha, 1978). La température à laquelle se produit ce phénomène

est la température de gélatinisation. Elle correspond à la température à laquelle la structure

cristalline disparaît. La gélatinisation est ainsi facilement détectée par la perte progressive et

simultanée de la croix « noire » de polarisation (figure 16) et de la cristallinité des grains

d’amidon. Le gonflement très rapide du grain d’amidon est limité sur une plage de

température de 1 à 1,5°C. Le gonflement de tous les grains est obtenu sur une plage de

température de 10 à 15°C (Boursier, 2005).

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Figure 16 : Traitement thermique en excès d’eau d’un amidon de pomme de terre observé sous microscope optique (Dubal, 2016).

Au-delà de cette température de gélatinisation, la viscosité augmente et conduit à la

destruction de la structure granulaire. Il s’agit de l’empesage. L’amylose s’échappe du grain

d’amidon via les canaux amorphes et la structure poreuse du grain d’amidon. Ce phénomène

conduit à la formation de l’empois d’amidon. Au-delà de l’empesage, si la température

continue à augmenter, les grains résiduels éclatent provoquant une chute de la viscosité et une

solubilisation supplémentaire des constituants de l’amidon. La solubilisation est totale au-delà

de 100°C.

L’empois d’amidon est défini comme étant une suspension de grains gonflés, enrichis en

amylopectine, et partiellement éclatés dans un milieu continu de macromolécules solubilisées,

principalement de l’amylose, qui ont diffusé hors des grains, (Buléon, Colonna et al., 1990).

Le fait que la phase continue soit constituée d’amylose solubilisée et la phase discontinue de

fantômes de grains d’amidon enrichis en amylopectine s’explique en grande partie par

l’incompatibilité thermodynamique de l’amylose et de l’amylopectine.

Le comportement de gélatinisation de l’amidon de pomme de terre (de type B) est caractérisé

par la concomitance de la solubilisation de l’amylose et du gonflement du grain d’amidon. A

l’opposé, les amidons de céréales (de type A) sont caractérisés par une première étape de

gonflement limité à la température de gélatinisation, suivie à 90°C d’un second gonflement

accompagnée d’une solubilisation plus marquée (Buléon, Colonna et al., 1990).

La gélatinisation est une réaction endothermique, elle peut s’observer par analyse enthalpique

différentielle. Cette technique est couramment utilisée pour détecter les transitions de phase.

La transition de gélatinisation se présente sous la forme d’un endotherme caractérisé par des

températures caractéristiques (température initiale, température du pic et température finale)

et une enthalpie de gélatinisation. La figure 17 présente les thermogrammes de l’amidon de

pomme de terre et de l’amidon d’orge. Généralement, une haute température de gélatinisation

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et un pic endothermique étroit suggèrent un ordre moléculaire important (Vamadevan and

Bertoft, 2015). La température de gélatinisation de l’amidon de pomme de terre évaluée par

analyse enthalpique différentielle est de 65°C (Bauer, Badoud et al., 2010).

Figure 17 : Thermogrammes d’amidon de pomme de terre (trait plein) et d’amidon d’orge (trait pointillé) en excès d’eau obtenus par analyse enthalpique différentielle. Les températures de transition de gélatinisation sont notées To pour la température initiale, Tm pour la température du pic et Tc pour la température finale (Vamadevan and Bertoft, 2015).

L’un des outils les plus couramment employés pour suivre la gélatinisation de l’amidon est le

Rapid Visco Analyser

^

(RVA, analyseur rapide de viscosité, Perten, Suède). Cet instrument

est configuré pour simuler les profils de chauffage et de refroidissement des process

industriels. Le profil de gélatinisation obtenu est un enregistrement de la viscosité en fonction

de la température, de la vitesse de cisaillement et du temps. Ces profils (figure 18) fournissent

une multitude d’informations dont notamment la température de gélatinisation, le pic de

viscosité (Vamadevan and Bertoft, 2015). On peut noter que le pic de viscosité de l’amidon de

pomme de terre est le plus important (550 RVU) par comparaison avec les autres amidons

testés. Cette différence est attribuée aux groupes phosphates estérifiés présents dans l'amidon

de pomme de terre et à une plus grande quantité d’amylose solubilisée dans la phase continue

en raison du fort degré de gonflement des grains d’amidon de pomme de terre (Vamadevan

and Bertoft, 2015). Le pic de viscosité est une mesure du pouvoir épaississant de l’amidon.

Par contre, la perte de viscosité suite au pic de viscosité est plus importante pour l’amidon de

pomme de terre que pour les autres amidons. Cette information est indicative de la faible

résistance de l’amidon de pomme de terre à la cuisson et au cisaillement, par rapport aux

autres amidons testés (Bauer, Badoud et al., 2010).

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Figure 18 : Profils de gélatinisation de l’amidon de pomme de terre, l’amidon de tapioca, l’amidon de maïs, l’amidon de blé, l’amidon d’orge obtenus en utilisant le Rapid Visco Analyser^. La température de gélatinisation est notée PT, le pic de viscosité est noté PV (Vamadevan and Bertoft, 2015).

Le gonflement des grains d’amidon et la solubilisation de l’amylose et amylopectine sont

affectés par les conditions de traitement thermomécanique, la concentration en amidon et la

présence d’autres constituants dans le milieu. Une variation de l’un des facteurs entraîne une

modification de la structure des suspensions d’amidon.

Influence de la température et de la durée de chauffage

Plus la température est élevée, plus la quantité d’amylose solubilisée et le gonflement des

grains sont importants (Keetels, van Vliet et al., 1996). La viscosité des empois d’amidon

augmente avec le gonflement des grains. Si la température continue à augmenter, les grains

résiduels éclatent provoquant une chute de la viscosité. La température de chauffage affecte

également la vitesse de rétrogradation et donc la structure de l’amidon (Doublier, 1981;

Doublier, 1987).

Influence de la vitesse de cisaillement

Une agitation modérée lors de la gélatinisation est nécessaire pour éviter la sédimentation des

grains d’amidon. En jouant sur la vitesse de cisaillement, il est possible de modifier

considérablement la solubilisation des macromolécules. Doublier (1981) a montré que la

vitesse de cisaillement agit en complément du traitement thermique et permet ainsi d’obtenir

des solubilités, des taux de gonflement et des consistances variables. Cette dépendance est

influencée par le type d’amidon utilisé et sa concentration. Mais l’augmentation du

cisaillement conduit souvent à une altération des grains et à la libération d’amylopectine en

solution.

Influence de la concentration en amidon

En dessous d’une concentration seuil en amidon, estimée à 6 % (m / m) par Ring (1985), les

grains d’amidon peuvent arriver à leur stade de gonflement maximal sans remplir la totalité

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du volume disponible. Au-dessus de cette concentration seuil, leur gonflement est limité. Les

grains gonflés sont alors imbriqués les uns dans les autres réduisant ainsi la solubilisation de

l’amylose.

Doublier (1987) a montré que les propriétés rhéologiques d’empois d’amidon sont gouvernées

par deux paramètres principaux : la concentration de la phase continue et la fraction

volumique de la phase continue elle-même dépendante de la déformabilité des grains

d’amidon gonflés de la phase dispersée. Cet auteur a proposé d’estimer la fraction volumique

d’une suspension de grains d’amidon gonflé (notée φ) à partir des valeurs de solubilité et du

pouvoir gonflant des grains d’amidon. Selon la valeur de la fraction volumique des grains

gonflés (φ), trois types de comportement ont été observés :

- φ < 0,7 : régime dilué. La viscosité du système dépend principalement de la fraction

volumique des grains d’amidon gonflés.

- 0,7 < φ < 0,9 : régime concentré. Le comportement rhéologique est fonction de la fraction

volumique, de la concentration de la phase dispersée et de la déformabilité du grain d’amidon.

- φ > 0,9 : régime hautement concentré. Il y a un entassement maximal des grains gonflés.

Il faut souligner que cette description suppose que les grains d’amidon sont très déformables

de telle façon que leur entassement aboutit à une occupation à peu près complète de l’espace

disponible. Par ailleurs, la fraction volumique (φ) ne peut pas excéder l’unité puisque cela

signifierait que toutes les particules gonflées occuperaient tout l’espace. La détermination des

indices de gonflement et de solubilité est la base de la description structurale des systèmes.

Les conditions du traitement thermomécanique conditionnent les quantités d’amylose et

d’amylopectine solubilisées, ainsi que le gonflement des grains d’amidon. Par conséquent,

elles ont une influence importante sur les propriétés rhéologiques des empois amylacés.

Influence de la présence d’autres constituants dans le milieu

Dans les aliments où l’amidon est présent, la gélatinisation et la rétrogradation de l’amidon

sont modulées par la teneur en eau réellement disponible et par la présence d’autres

macromolécules. En effet, les protéines, les lipides, le sel et le saccharose affectent la

gélatinisation de l’amidon (Olkku and Rha, 1978). Les hydrocolloïdes sont également connus

pour affecter la gélatinisation et la rétrogradation de l’amidon. Ces propriétés sont importantes

dans le développement de produits alimentaires et plus particulièrement dans la modification

de la texture des systèmes alimentaires composites (Biliaderis, Arvanitoyannis et al., 1997).

En effet, les associations amidons avec les monoglycérides ou les hydrocolloïdes ont pour but

de renforcer les propriétés épaississantes ou gélifiantes et de pallier les inconvénients de

synérèse (Buléon, Colonna et al., 1990).

De nombreuses synergies entre l’amidon et les hydrocolloïdes tels que les galactomannanes,

carraghénanes, ou encore gomme xanthane ont été démontrées (Christianson, Hodge et al.,

1981; Biliaderis, Arvanitoyannis et al., 1997; Baranowska, Sikora et al., 2011; Šubarić, Babić

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amidon - hydrocolloïde, une réduction de la synérèse et une modification de la vitesse de

rétrogradation de l’amidon (Buléon, Colonna et al., 1990). L’ampleur de ces changements est

liée à la nature de l’amidon et de l’hydrocolloïde utilisé ainsi qu’à leurs concentrations

respectives (Buléon, Colonna et al., 1990; Biliaderis, Arvanitoyannis et al., 1997). Un focus

sur les matrices mixtes amidon – glucomannane de konjac est développé dans le chapitre 1.3

« système mixte amidon – glucomannane de konjac».

Enfin, la présence de ligands susceptibles de complexer avec l’amylose peut également

affecter la gélatinisation et la rétrogradation de l’amidon (Hoover and Hadziyev, 1981;

Eliasson and Krog, 1985). Cette partie sera développée dans le chapitre 2 « interactions

amidon - composés volatils »

Dans le document Impact du glucomannane de konjac sur les interactions composés volatils - amidon de pomme de terre dans un gel hydraté (Page 41-46)