Viscosité dans les aliments

Les paramètres dont dépend la viscosité des liquides et des pâtes sont les suivants : la température, la nature chimique, la concentration en soluté, le temps, la pression et la contrainte de cisaillement (Dupuis et Wolff, 2008).

2.1.3.2 Viscosité dans les aliments

Les propriétés d’écoulement des aliments sont déterminées dans l’industrie agroalimentaire pour divers objectifs :

- Le contrôle de qualité : pour évaluer les propriétés de la matière première jusqu’au produit fini à différentes étapes du procédé (Kramer et Twigg, 1966),

- L’évaluation des attributs sensoriels : pour déterminer quantitativement la qualité des attributs en fonction de la rhéologie (Szczesniak et Farkas, 1962),

- La compréhension de la structure : pour déterminer la configuration des constituants moléculaires (Sherman, 1970),

- Les applications pour le génie de procédés : pour concevoir le procédé, pour estimer les transferts de masse et de chaleur, etc. (Tiu et Boger, 1974).

Cependant, les aliments sont des matériaux complexes d’un point de vue structural et rhéologique. Dans de nombreux cas, ils sont constitués de mélanges de matières solides et de composants fluides (Finney, 1973). Lorsque la composition et/ou la structure de l’aliment est complexe, il existe des méthodes de calcul pour estimer la viscosité en fonction des propriétés de l’aliment. Néanmoins, ces méthodes ne peuvent être fiables que si elles sont en corrélation avec des mesures expérimentales (Tabilo-Munizaga et Barbosa-Cánovas, 2005).

Les techniques et les méthodes de mesures sont nombreuses dans la littérature. La mesure d’écoulement ou de cisaillement est réalisée avec des dispositifs, ayant des géométries spécifiques et diverses, tels que : les viscosimètres capillaires, à cylindres coaxiaux, cône-plan, plan-plan ou à chute de bille. Par ailleurs, les rhéomètres sont conçus pour la détermination des propriétés rhéologiques d’un matériau en termes de relation contrainte-déformation. Ils permettent la mesure de la viscosité absolue sur une gamme de valeurs de la vitesse de déformation, alors que les viscosimètres sont limités à quelques points de la courbe contrainte-vitesse de déformation (Dupuis, 2008). Ces appareils mettent en jeu des écoulements bien définis, utilisant généralement les géométries de cylindres coaxiaux, cône-plan ou cône-plan-cône-plan (Brodkey, 1995 ; Han et al., 1975).

Parmi tous ces dispositifs, le viscosimètre rotatif mesure les actions mécaniques qui permettent de faire tourner une tige qui est en totale immersion dans un fluide. La résistance à l’écoulement augmente en fonction du diamètre de la tige. Le premier viscosimètre rotatif a été développé en 1966 pour contrôler la viscosité du chocolat dans l’industrie de la confiture (Beers Diamond Research Laboratory) (Kress-Rogers and Brimelow, 2001). Cet équipement a permis de suivre en ligne la viscosité de suspensions non-newtoniennes au cours du procédé de fabrication. Les principaux avantages de cet instrument sont l’absence de vibrations (stabilité dans la mesure) et une facilité de nettoyage. Cependant, ce type de viscosimètre n’est pas le plus apprécié dans l’industrie en raison de la présence d'un moteur encombrant qui ne permet pas de déplacer l’appareil facilement. Par ailleurs, avec ce système, il est difficile de caractériser les fluides à viscosité très élevée ou encore les produits fibreux. Néanmoins, ce type de dispositif est largement utilisé pour mesurer la viscosité de suspensions, d’émulsions et de solutions diphasiques, qu’elles soient de types newtoniens ou

non-newtoniens. Par exemple, il est rapporté dans la littérature par certains auteurs l’utilisation de ce type de viscosimètre pour la détermination de la viscosité dans des solutions avec des nanoparticules en suspension (Hemmat Esfe et Saedodin, 2014 ; Serebryakova et al., 2015 ; Syzrantsev et al., 2014). Le plus connu des viscosimètres rotatifs est le Brookfield. Cet appareil permet de réaliser des mesures rapides et peut être appliqué sur diverses variétés de fluide issues, par exemple, de l’industrie alimentaire, comme les sauces, les purées, le chocolat, l’amidon ou encore les agents gélifiants.

La viscosité peut être utilisée pour classifier le comportement de divers aliments. Dans les aliments de type newtonien, on peut trouver le lait, certains miels, les œufs, les solutions de sucres et le sirop de fructose (Rao, 2010). Un fluide est dit « newtonien » lorsque la viscosité ne dépend ni de la vitesse de cisaillement, ni du temps pendant lequel le liquide est cisaillé. C’est typiquement le cas pour des fluides de faible poids moléculaire (masse molaire inférieure à 5000 g.mol^-1) (Bird et al., 2007). L’eau et l’huile d’olive sont d’autres exemples de fluides newtoniens. Au contraire, les fluides qui n’ont pas un comportement newtonien sont qualifiés de non-newtoniens. Il s’agit d’un liquide dont la viscosité peut varier en fonction de la contrainte mécanique qui lui est appliquée ou du temps pendant lequel est appliquée cette contrainte. Les fluides plastiques, par exemple, ont une structure en trois dimensions. Ils sont caractérisés par une contrainte de cisaillement, seuil en dessous duquel l’écoulement n’est pas possible. Les modèles les plus appliqués pour définir ce comportement sont les modèles de Bingham et de Herschel-Bulkley (Ahmed et al., 2016). Certains aliments sous forme d’émulsion ou de crème sont dans cette catégorie.

Les aliments non-newtoniens peuvent être divisés en deux catégories suivant que leur viscosité est indépendante (rhéoépaississant et rhéofluidifiant) ou dépendante du temps (thixotrope et rhéopectique). Lorsque la température est constante, il est courant de chercher à savoir si la viscosité ne dépend que du taux de cisaillement ou si elle dépend également de la durée de cisaillement. Par ailleurs, les fluides qui ne sont sensibles qu’au taux de cisaillement peuvent être divisés en deux types :

- rhéoépaississant (ou dilatant) : Pryce-Jones (1953) a observé ce comportement dans le miel d’Eucalyptus ficifolia, Eucalyptus eugenio des et Opuntia engelmanni. Bagley et Christianson (1982) l’ont observé aussi dans les suspensions d’amidons cuits. Cependant les aliments de ce type sont rares (Tabilo-Munizaga et Barbosa-Cánovas, 2005).

- rhéofluidifiant (ou pseudo-plastique) : on y retrouve les jus concentrés, le chocolat fondu, la moutarde française, la purée de fruits et légumes, etc. Cependant, il n’est pas fréquent de trouver ce type de comportement rhéologique dans les aliments (Tabilo-Munizaga et Barbosa-Cánovas, 2005).

Enfin, les aliments non-newtoniens et dépendants du temps sont définis :

- thixotrope : la viscosité diminue avec le temps pour un taux de cisaillement fixe. Le comportement thixotrope est observé dans le lait concentré ou la mayonnaise (Tabilo-Munizaga et Barbosa-Cánovas, 2005).

- rhéopectique : la viscosité augmente avec le temps pour un taux de cisaillement fixe. Finalement, un graphique représentant les différents comportements de ces fluides est présenté dans la figure 40.

Plastique idéal Newtonien T a u x d e c is a il le m e n t (g ) Contrainte de cisaillement ( ) Rhéoépaissisant Rhéofluidifiant

Figure 40 : Comportement rhéologique des différents fluides en fonction de la contrainte de cisaillement.