Le stockage/maturation des viandes et des fromages est une opération longue et importante au cours de laquelle l’aliment va souvent acquérir sa typicité. Au début de l’opération, le produit, qui n’est pas emballé, est très riche en eau. Son stockage s’accompagne donc d’une « perte de poids » par évaporation, qui est toujours significative du fait de la longue durée de l’opération. L’intensité et la température du séchage doivent être parfaitement maîtrisées, car il faut limiter la « perte de poids », tout en contrôlant le développement de la flore microbienne de surface, qui est, le plus souvent indispensable à l’élaboration de la qualité du produit fini. D’un point de vue général, le séchage doit se dérouler lentement et avec une activité de l’eau en surface du produit suffisamment élevée pour favoriser la croissance des microorganismes d’intérêt technologique. Le stockage/maturation s’effectue donc dans des installations où la vitesse et la température de l’air sont faibles et l’hygrométrie élevée.
4.3.3.1. Stockage réfrigéré et maturation des viandes
Les carcasses de viandes sont amenées en salle de stockage immédiatement après leur réfrigération. La phase de stockage/maturation est indispensable pour conférer au produit sa tendreté finale. La durée optimale est particulièrement longue dans le cas du mouton et surtout du bœuf (2 à 3 semaines, en moyenne). La perte de poids industrielle pendant le stockage est importante, de l’ordre de 0,5% du poids de carcasse toutes les 72 heures pour du bœuf. Elle se poursuit pendant le transport des carcasses, puis au cours de leur découpe et de l’exposition des pièces de boucherie en linéaires. Pour limiter à la fois la perte de poids et la croissance des bactéries en surface du produit, il faudrait stocker les viandes à une température de l’ordre de 0°C, dans un air immobile et saturé en eau. En pratique, ceci est impossible, car : (1) un mouvement d’air est nécessaire pour assurer la régulation de la température, et (2) il faut éviter les condensations dans l’installation et sur le produit. La vitesse de l’air dans les installations industrielles de stockage de viandes est donc, en réalité, comprise entre 0,2 m.s-1 et 0,5 m.s-1 et son humidité relative, entre 80% et 85%.
Des calculs ont été effectués pour estimer l’effet de la vitesse, de l’indice de turbulence et de l’hygrométrie de l’air sur la perte de poids d’une pièce de viande conservée en rayon traditionnel (Tab. 4.5). Dans ce cas l’humidité relative de l’air dans l’appareil peut être inférieure à 80%, du fait des échanges avec l’atmosphère du magasin.
40
Tableau 4.5. Pertes de poids (g.cm-2) au cours du stockage pendant 6 heures d’un muscle de forme cylindrique de 0.10 m de diamètre placé perpendiculairement dans un écoulement d’air (Tair = 2°C).
L’effet de la vitesse et la turbulence de l’écoulement sur l’évaporation d’eau est potentiellement aussi important que celui de l’hygrométrie de l’air. La dessiccation qui peut en résulter modifie la couleur du produit et donc son acceptabilité par le consommateur. Un mauvais aspect peut conduire à une mévente, qui s’ajoute au déficit financier lié à la perte de poids [KON 97b].
4.3.3.2. Séchage des charcuteries
Historiquement, la production des charcuteries sèches était réalisée dans les zones de moyenne montagne, où les conditions de température et d’hygrométrie autorisaient une utilisation fréquente de l’air extérieur. Plus récemment, des séchoirs dits statiques, équipés de batteries froides au plafond et de batteries chaudes en partie basse, sont apparus dans les zones climatiquement moins favorables. [DAB 94]. Pour accélérer le séchage, des séchoirs à ventilation forcée ont été développés ; le traitement de l’air est assuré par un ventilateur et des batteries froide et chaude. Dans ces séchoirs la répartition de l’air est hétérogène causant des disparités fortes de séchage entre le haut et le bas, ce qui oblige à déplacer régulièrement des produits. De façon à homogénéiser les conditions de séchage, les séchoirs modernes (Fig. 4.9) présentent une ventilation particulière. Vitesse (ms-1) Tu (%) Humidité Relative (%) 90 80 70 60 0,2 6 0,006 0,012 0,019 0,025 0,2 30 0,008 0,014 0,023 0,030 0,5 6 0,009 0,016 0,026 0,034 0,5 30 0,011 0,020 0,032 0,042
775 200 500 200 775 200 200 125 160 150 50 500 300 300 350 'Pseudo-saucisson' (Dimensions en mm) 500 500 193 Gaine de soufflage Gaine d'aspiration 2450 285 355 2320 Buse de soufflage (diam. 63) Bouche d'aspiration (diam. 80) 2960
Figure 4.9. Description selon une coupe verticale de la géométrie type d’un séchoir
moderne à ventilation alternée (l’appareil présenté est un petit séchoir, dans la mesure où ce type de séchoirs peut atteindre 20 m de long, 7 m de large et plus de 4 m de haut).
Ces séchoirs fonctionnent avec des vitesses de 5 à 20 m.s-1 à la sortie des buses de soufflage, et en moyenne, d’environ 0,4 m.s-1 autour des produits. Les phases de ventilation renouvelant rapidement le séchoir en air sec alternent avec des périodes de repos, en fonction de niveaux haut et bas du taux d’humidité du local. Communément, les périodes de ventilation équivalent à 1/3 du temps total.
Afin d’obtenir un séchage homogène des produits, outre l’intermittence de la ventilation, la conception des séchoirs modernes permet de répartir, selon un cycle, le flux d’air dans chacune des deux gaines de soufflage, lors des phases de ventilation. Cette modification de la répartition du débit d’air se fait continûment, au moyen d’un volet motorisé placé dans le conduit d’alimentation des deux gaines de soufflage. Par cette technique de balayage alternatif, le débit
42
d’air passe en quelques secondes d’une valeur maximale à une valeur minimale dans chaque gaine de soufflage (Fig. 4.10). D’après la pratique industrielle, le bon fonctionnement du séchoir est lié à ces valeurs minimale et maximale du cycle de ventilation, qui elles-mêmes dépendent de la géométrie et des conditions de remplissage du séchoir.
30 40 50 60 70 0 15 30 45 60 75 Temps (s) P o urce nta g e du débi t d' a ir to ta l (%)
Gaine de soufflage de gauche Gaine de soufflage de droite
Période du cycle de ventilation
Figure 4.10. Exemple de cycle de balayage alternatif appliqué dans les séchoirs
modernes (la forme sinusoïdale du cycle est une forme très proche de la réalité industrielle).
Le problème du séchage des charcuteries consiste à adapter en permanence la vitesse de séchage au produit dont les caractéristiques ne cessent d’évoluer dans le temps, et à maintenir l’activité de l’eau à la surface à une valeur idéale, de façon à ne développer que la flore de surface désirée. La vitesse de séchage est directement liée aux caractéristiques de l’air (température, vitesse et hygrométrie) environnant le produit qui dépendent elles-mêmes des conditions de ventilation. Une vitesse de séchage trop grande conduit à un croûtage, en abaissant trop l’activité de l’eau de surface. Le croûtage se traduit par l’apparition d’une couche sèche juste sous la surface, au travers de laquelle la migration d’eau est très difficile, ce qui modifie le processus de fermentation interne. Si la vitesse de séchage est trop faible, une couche épaisse et collante se forme à la surface des produits, favorisant la croissance d’une flore indésirable. Cet état est appelé poissage ou limonage. Plusieurs études ont montré qu’une grande partie des défauts de présentation, de texture et de goût, survenant lors de la fabrication du saucisson sec était directement imputable à un mauvais contrôle des conditions d’ambiance dans les séchoirs [DAB 94].
L’essentiel des travaux scientifiques relatés dans la littérature porte sur le processus de fermentation interne qui varie selon les recettes de fabrication, sur les transferts internes d’eau et les cinétiques de séchage en fonction des propriétés de l’air [LEN 73], [BAL 81], [STI 90], [KOT 96], [BAL 00], [BOL 01], [AND 04]. En étudiant l’évolution du profil interne de teneur en eau d’un saucisson en fonction du nombre de jours de séchage, il a été montré que le gradient de teneur en eau est le plus fort près de la surface et qu’un contrôle précis des caractéristiques de l’air est indispensable pour fixer le flux d’eau et donc, l’activité de l’eau de surface [DAU 92b].
Quelques travaux expérimentaux ou numériques traitant du fonctionnement aéraulique des séchoirs modernes existent dans la littérature [BRA 97], [MIR 00a], [MIR 00b], [MIR 03]. Dans ce cas, les mesures expérimentales sont très fastidieuses et longues, du fait de l’instabilité « naturelle » des écoulements d’air, à laquelle se surajoute le balayage alternatif qui a pour conséquence de modifier continûment les vitesses d’air à la sortie des buses de soufflage.
Plusieurs travaux numériques ont été réalisés pour appréhender la dynamique de fonctionnement induite par le balayage alternatif. A partir de trois calculs stationnaires bidimensionnels correspondant à des états figés de balayage alternatif entre les deux gaines de soufflage (50%/50%, 59%/41% et 67%/33%), une forte hétérogénéité de l’écoulement de l’air autour des produits, a été mise en évidence dans un séchoir à salami, avec des vitesses moyennes variant de 0,2 à 0,8 m.s-1 [BRA 97]. En prenant pour hypothèse un cycle de ventilation linéaire, et en supposant que le caractère instationnaire du fonctionnement aéraulique des séchoirs modernes pouvait se réduire à une suite d’états stationnaires, Mirade et Daudin (2000) ont étudié l’effet de l’amplitude du cycle de ventilation sur l’homogénéité de répartition des vitesses d’air dans le volume d’un séchoir et ont constaté que la meilleure homogénéité était obtenue pour un cycle d’amplitude 60%/40% [MIR 00b]. L’ensemble de ces études numériques stationnaires a permis d’améliorer les connaissances sur la manière dont l’aéraulique s’établissait lors des cycles de ventilation, sans toutefois, analyser précisément la dynamique de fonctionnement de ces séchoirs. Dernièrement, sur la base de modèles CFD bidimensionnels instationnaires, intégrant des conditions limites de soufflage variables dans le temps, Mirade [MIR 03], a testé l’influence de la forme du cycle (linéaire ou sinusoïdal) et de l’amplitude (80%/20%, 70%/30%, 65%/35% et 60%/40%) sur l’homogénéité de vitesse d’air autour des produits, sur un cycle complet de balayage alternatif, dans le petit séchoir à saucisson présenté sur la figure 4.9. Il a montré que, dans le cas d’un cycle de ventilation de forme sinusoïdale, la meilleure homogénéité de ventilation était obtenue pour une amplitude de 60%/40% (Figure 4.11), même si la figure indique une stratification des vitesses en fonction de la hauteur dans l’appareil. Cette stratification corrobore les observations faites en
44
industrie, selon lesquelles les produits les plus séchés sont situés en partie haute des séchoirs.
Figure 4.11. Distribution, selon une coupe verticale du petit séchoir présenté sur la
Figure 4.PSM6, des vitesses d’air moyennes calculées sur un cycle de ventilation sinusoïdal d’amplitude 60%/40% (le cadre noir délimite la zone occupée par les produits), [MIR 03].
Les résultats numériques [MIR 03] tendent aussi à prouver qu’une attention particulière doit être apportée au réglage des séchoirs, car, au-delà d’un déséquilibre de 2% entre les deux gaines de soufflage, apparaissent des dissymétries au niveau de la distribution des vitesses d’air, entraînant des disparités de séchage entre la droite et la gauche du séchoir.
L’ensemble de ces travaux montre que la Mécanique des Fluides Numérique est un outil précieux et fort utile, pour appréhender la dynamique de fonctionnement des séchoirs modernes induite par la ventilation alternée. 4.3.3.3. Hâloir d’affinage de fromages
La fabrication d’un fromage résulte de 4 grandes phases [MAH 00] :
la standardisation du lait, dont le but est de réduire la variabilité de sa composition ;
la coagulation enzymatique et/ou acide qui transforme irréversiblement le lait liquide en un gel ou coagulum semi-solide ;
l’égouttage, qui consiste en l’élimination plus ou moins grande et rapide du lactosérum et conduit à la formation d’un caillé ;
et enfin, l’affinage, qui correspond à la digestion enzymatique des constituants du caillé, et qui est dominé par trois grands phénomènes biochimiques que sont la fermentation du lactose, l’hydrolyse de la matière grasse et la dégradation des protéines. Ces transformations confèrent à la pâte fromagère des caractères nouveaux dans son aspect, sa consistance et dans sa composition. Simultanément, arôme, saveur et texture se développent.
Cette partie s’attachera à faire le point sur un aspect particulier de l’étape d’affinage, à savoir, le lien qui existe entre les conditions d’ambiance représentées par les propriétés de l’air et les teneurs en gaz régnant dans les hâloirs ou les caves et la qualité d’affinage des fromages. Ce point qui se situe au cœur de la problématique industrielle de l’affinage n’a été que très peu développé jusqu’à maintenant, à la différence de la préparation du lait, de la coagulation, de l’égouttage et même, des facteurs internes influençant l’affinage [GRA 87] [ECK 90], [MAH 00], [KLA 00]. Quel que soit le fromage, les valeurs du pH et de l’activité de l’eau sont telles que le caillé est le siège d’une activité biologique que l’ambiance d’affinage doit diriger dans le sens le plus favorable.
Plusieurs paramètres liés aux conditions d’ambiance peuvent agir directement ou indirectement sur la qualité finale d’un fromage, en influant sur le développement des micro-organismes, la production d’enzymes et les activités enzymatiques :
La température : elle est considérée comme le facteur essentiel pour le développement des micro-organismes et de l’activité enzymatique. Par exemple, la température optimale de développement des levures, des moisissures et des bactéries de surface est de 20 à 25°C, et est de 45°C, dans le cas des bactéries lactiques thermophiles. Quant aux activités enzymatiques, leur maximum se situe dans l’intervalle 35-50°C. Cependant, les températures d’affinage des fromages sont très inférieures à ces valeurs ; elles se situent entre 3-4°C, pour les fromages de type « bleu », à 20-22°C, pour l’emmental placé en cave chaude. Cette différence de température a pour but de ralentir, et donc, mieux maîtriser l’évolution du caillé.
L’hygrométrie : son rôle est double, car elle influence à la fois la perte de poids et l’activité de l’eau (aw) à la surface des fromages, qui elle-même contribue à sélectionner tel ou tel micro-organisme, en favorisant son
46
développement ou en provoquant son inhibition. De ce fait, l’hygrométrie est toujours élevée : 90 à 98% pour les fromages à flore bactérienne, 85 à 90% pour les fromages à flore fongique et 80 à 85 % pour les fromages à croûte sèche.
La ventilation : son rôle est de maintenir les conditions microclimatiques « idéales » autour du fromage, pour que l’affinage se déroule correctement. Dans la réalité, le rôle de la ventilation est complexe et très mal connu. Elle sert à évacuer la chaleur et l’humidité générées par les fromages ; elle influe aussi sur la perte de poids et la composition gazeuse (CO2, O2, NH3) de l’atmosphère environnant les fromages. Il est recommandé généralement d’avoir une vitesse d’air faible autour des produits, et un grand débit d’air dans l’appareil [ECK 90].
Pour que tous les fromages d’un même local d’affinage soient placés dans les mêmes conditions, l’ambiance du hâloir ou de la cave doit être homogène. Ces conditions sont obtenues, ou plutôt approchées, soit naturellement (par exemple, dans les célèbres caves de Roquefort ventilées par les fleurines), soit artificiellement dans des locaux où les facteurs d’ambiance comme la température, l’hygrométrie, la circulation et la composition de l’air sont contrôlées, voire régulées. Toutefois, l’homogénéité de la distribution des conditions d’ambiance est très difficile à obtenir en tout point du local, ce qui contraint les professionnels à déplacer régulièrement les fromages pour réduire la dispersion des pertes de poids. Cette disparité est directement liée aux hétérogénéités de répartition d’hygrométrie, mais aussi de vitesse d’air. Il est fréquent d’observer des écarts moyens d’humidité relative supérieurs à 10%, entre différents points d’une enceinte d’affinage. Ces écarts ont, par exemple, des répercussions sur la formation de la croûte de l’Emmental [PAJ 01]. Des vitesses d’air variant de moins de 0,05 m.s-1 à près de 0,45 m.s-1 ont été mesurées à l’intérieur de piles de fromages de 10 cm de diamètre, au sein de hâloirs où le soufflage de l’air était assuré par des gaines textiles à trous [MIR 04, 06].
La figure 4.12 donne un exemple de cartographie de vitesse d’air obtenu dans ces hâloirs, selon une demi-coupe verticale située au milieu de l’appareil. Il est intéressant de noter la formation d’un macro-tourbillon à vitesse élevée au-dessus de la pile latérale, mais surtout, le fort gradient de vitesse existant entre le bas (vitesses atteignant 0,45 m.s-1) et le haut de la pile latérale (vitesse de l’ordre de 0,1 m.s-1), et aussi, la très faible ventilation de la pile centrale, où les vitesses d’air sont inférieures à 0,1 m.s-1 [MIR 04]. Tout en conservant un débit d’air introduit dans le hâloir et une vitesse à la sortie des trous identiques, il a été montré que l’intensité et les gradients des vitesses d’air pouvaient être accrus ou diminués au sein des piles, par le seul fait de modifier le diamètre des
trous de soufflage. Des trous de 20 mm ont conduit à des vitesses variant de moins de 0,05 m.s-1 à 0,6 m.s-1 dans les piles de fromages, alors que des trous de 3 mm ont généré des vitesses ne dépassant pas 0,35 m.s-1 [MIR 06]. Ceci souligne l’intérêt d’études aérauliques qui permettent de rationaliser le soufflage des gaines textiles.
34 72 110 148 186 224 262 9 49 89 129 169 209 249 289
Largeur X dans le hâloir (cm)
H a u te u r Z d a n s l e h â lo ir (c m ) 0,4-0,5 0,3-0,4 0,2-0,3 0,1-0,2 0-0,1 Vitesses d'air (m.s-1) > 0,4 Y X O
Figure 4.12. Distribution, selon une coupe verticale située au milieu de l’appareil, des
vitesses d’air mesurées dans un hâloir de fromagerie où le soufflage de l’air était assuré par une gaine textile à trous de 6 mm (pour des raisons de symétrie, seule une demi-coupe est présentée ; le cercle du haut et les deux cadres du bas matérialisent, respectivement, la position de la gaine de soufflage et le pourtour des piles de fromages) [MIR 04].
La conséquence directe de cette hétérogénéité de vitesse au sein des piles est la disparité des freintes des fromages placés sur les supports constituant les piles, même si certains travaux relatent une incidence négligeable des variations de vitesse d’air [BEN 97], [PAJ 01]. Il est vrai que ces derniers ont été obtenus sur des meules d’Emmenthal, soit de gros objets dans lesquels le transfert d’eau interne est un facteur limitant. Sur des objets beaucoup plus petits, à savoir, des moulages en plâtre de 10 cm de diamètre et de 4,4 cm de haut, une incidence très nette de la vitesse de l’air (v) sur la valeur du coefficient d’échange d’eau
48
(k) a été mise en évidence pour des vitesses d’air inférieures à 0,5 m.s-1
[MIR 04] :
k (en kg.m-1.s-1) = 2,96.10-8 . exp (2,39 . v) (4.19) La relation obtenue indique que les coefficients d’échange d’eau peuvent varier d’un facteur 2 à 3, suivant que la vitesse de l’air entourant le fromage de 10 cm de diamètre soit égale à 0,05 m.s-1 ou 0,45 m.s-1. Un travail expérimental complémentaire a confirmé ces résultats, en montrant une très forte corrélation (Fig. 4.13) entre la vitesse de l’air et la perte de poids quantifiée sur les objets placés en différents points d’un hâloir où la vitesse moyenne de l’air avait été préalablement mesurée [MIR 04].
Figure 4.13. Relation liant vitesse de l’air et pertes de poids d’objets en plâtre placés à
différents points dans un hâloir de fromagerie [MIR 04].
La composition gazeuse des hâloirs joue aussi un rôle dans l’affinage des fromages. Par exemple, la présence de CO2 dans l’atmosphère des hâloirs a une influence sur l’ouverture des pâtes pressées cuites, car elle stimule la fermentation propionique [MAH 00], [MOR 02]. La présence d’ammoniac contribue à favoriser le développement de la flore acido-sensible, dans le cas des pâtes molles à croûte lavée et à diminuer les risques d’amertume du Camembert
[VAS 84]. Enfin, l’importance de l’O2 a été mise en évidence sur le développement des Penicillia du Camembert [ROG 98]. L’ensemble de ces travaux montre que le procédé d’affinage est très complexe et qu’il est nécessaire de comprendre le comportement du produit placé dans un hâloir ou dans une cave, de façon à analyser aussi ses interactions avec l’ambiance. Cela implique de développer des capteurs et des méthodologies permettant de mieux appréhender l’ambiance des locaux d’affinage et contrôler, non plus seulement uniquement la température et l’hygrométrie, mais aussi la vitesse et l’orientation de l’écoulement de l’air, la pression et la composition en gaz [BIL 96].
La Mécanique des Fluides Numérique peut contribuer à mieux analyser l’ambiance des locaux d’affinage et servir au développement de nouveaux systèmes de distribution d’air réduisant les hétérogénéités de traitement des fromages. Le système des flux variables alternants inspiré en partie de la technologie utilisée en salaisonnerie, développé et testé dans le cas de l’affinage