REVUE
Effet du séchage sur le rétrécissement de cubes de pomme de terre
Paulo J. DO AMARAL SOBRAL *1, André LEBERT 2, Jean-Jacques BIMBENET 2
SUMMARY Effects of drying conditions on the shrinkage of potato cubes.
The shrinkage of potato cubes during the drying process has been studied.
Our main purpose was to characterize the behavior of the volume, density and dry solid density of the cubes under different drying conditions: air temperature between 40 and 100ºC; air velocity: 0.7 and 2.0 m/s; humidity: ambient and 0.114 kg water/kg dry air. We evaluated the volume of potato cubes by toluene displacement in pycnometers; the observed decrease was linearly associated with the moisture content during drying for moisture losses of less than 80%.
Consequently, the dry solid density decreased as a hyperbolic curve. Equa- tions based on the additivity of volume agreed with our experimental results. At the end of drying, for X/Xo≤0,2, potato cubes density decreased sharply. This behaviour corresponds to the formation of porosity and could be depicted by an empirical equation only. Drying conditions effects are important in this domain only.
Key-words: potato, drying, shrinkage, volume, density.
RÉSUMÉ
Nous avons évalué le rétrécissement de cubes de pomme de terre au cours du séchage dans plusieurs conditions : température de l’air entre 40 et 100 °C ; vitesse de l’air de 0,7 et 2,0 m/s ; humidité de l’air : ambiante et 0,114 kg d’eau/kg d’air sec. L’objectif était de caractériser le comportement du volume des cubes, de la masse volumique apparente des cubes et de la masse volu- mique apparente de la matière sèche du produit. Nous avons déterminé le volume des cubes par la technique du déplacement de toluène dans des pyc- nomètres et observé que le volume des cubes diminuait linéairement avec la teneur en eau pendant le séchage pour des pertes d’eau inférieures à 80 %.
Par conséquent, la masse volumique apparente de la matière sèche s’élève
1. Departamento de Zootecnia, Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos, Universidade de São Paulo (USP), CP 23, 13630-000 Pirassununga (SP), Brésil.
2. Département génie industriel alimentaire Ensia, associé Inra, 91744 Massy, France.
* Correspondance.
alors selon une hyperbole. Ces points expérimentaux sont bien représentés par des équations basées sur le principe de l’additivité du volume de l’eau et de la matière sèche. En revanche, en fin de séchage (X/Xo≤0,2), la masse volu- mique apparente des cubes de pommes de terre décroit brusquement. Ce comportement correspond à l’apparition d’une porosité dans le produit, qui n’est décrite que par une équation empirique. L’effet des conditions de séchage n’est important que dans ce domaine.
Mots clés : pomme de terre, séchage, rétrécissement, volume, masse volu- mique apparente.
1 - INTRODUCTION
La rétraction des aliments pendant le séchage influence les coûts d’embal- lage, de transport et de stockage du produit final. Cependant, cette déformation a toujours été considérée comme un problème, car elle n’est généralement pas réversible lors de la réhydratation (BIMBENET, 1984). Récemment, l’intérêt crois- sant pour la qualité des aliments séchés a entraîné des études sur la structure des produits, compte tenu de ce que cette caractéristique est l’une des plus importantes propriétés sensorielles (McMINN et MAGEE, 1997b ; MATÉ et al., 1998).
Pour les spécialistes du séchage, on peut aussi considérer la contraction comme une complication supplémentaire pour la modélisation des phénomènes de transfert de chaleur et de la matière, car, d’une part, elle induit des change- ments de propriétés physiques lors du séchage et que, d’autre part, la réduc- tion des dimensions du produit doit être prise en compte dans les modèles (WANG et BRENNAN, 1995 ; McMINN et MAGEE, 1996, 1997a ; ROVEDO et al., 1995 ; SIMALet al., 1998).
Le rétrécissement d’un produit est normalement mesuré par la variation du volume au cours du séchage, mais aussi par l’évolution de la masse volumique apparente et de la masse volumique apparente de la matière sèche (masse du produit et masse de matière sèche, respectivement, divisées par le volume exté- rieur du produit), ainsi que par sa porosité. SARAVACOSetRAOUZEOS(1986), AURIA (1988) et CHEN et CHEN(1974) ont évalué le rétrécissement de raisins, de mor- ceaux de caoutchouc naturel et de champignons, lors du séchage, par mesure du volume des échantillons selon la technique de déplacement de liquide. Cette même méthode a été utilisée par SARAVACOSetCHARM(1962) et SARAVACOSet RAOUZEOS(1986) pour l’évaluation du volume de cubes de pomme de terre et de raisins lors du séchage. SUZUKI et al. (1976) ont estimé la rétraction de racines végétales lors du séchage en mesurant la surface des échantillons. AKEREDOLU (1987) a aussi évalué le changement de la surface de morceaux de manioc et de radis lors du séchage. Dans les deux cas, les auteurs ont considéré que la contraction était isotrope {A/Ao= (V/Vo) 2/3}.
Pour les produits végétaux, les variations de masses volumiques sont plus ou moins importantes en fonction de prétraitements comme le blanchiment (MATÉet al., 1998), de la forme géométrique des échantillons (KHRAISHEHet al., 1997), du procédé de séchage (par exemple : micro-ondes, convectif pur, sur
vide) (KROKIDAetMAROULIS, 1997 ; KARATHANOS et al., 1996) et des conditions du séchage (WANGetBRENNAN, 1995 ; McMINNetMAGEE, 1997a ; ZOGZASet al., 1994).
KHRAISHEH et al. (1997) ont étudié le rétrécissement d’échantillons de pomme de terre de différentes formes lors du séchage par air et micro-ondes, pour plusieurs conditions de température d’air (30-60 °C), de vitesse d’air (1- 2 m/s) et de puissance de micro-ondes (0-250 W). Leurs résultats montrent que ni la géométrie, ni la température de l’air n’affectent la contraction des échan- tillons. En revanche, ils trouvent que la vitesse de l’air et la puissance de micro- ondes jouent un rôle important sur le rétrécissement : la contraction des échantillons diminue considérablement pour des conditions de vitesse de l’air et de puissance de rayonnement élevées. KROKIDA et MAROULIS (1997) ont aussi étudié le rétrécissement de plusieurs sortes de produits, y compris des pommes de terre, lors du séchage par divers procédés. Dans cette étude, le rétrécissement n’a pas été influencé par le procédé de séchage, sauf par la lyo- philisation.
LOZANO et al. (1980,1983) ont fait une étude très détaillée de la contraction de fruits et légumes, y compris de la pomme de terre, dans une condition de séchage unique (air chaud à 60 °C et 0,5 m/s). Ces auteurs ont suivi le change- ment du volume apparent, des masses volumiques apparente et réelle de la particule, et par conséquent de la porosité des produits pendant le séchage.
Plus récemment, WANGetBRENNAN(1995) et McMINNetMAGEE(1996) ont étu- dié l’effet de la température de l’air de séchage (40-70 °C à 4 m/s, et 30-60 °C à 1,5 m/s, respectivement) sur le rétrécissement des morceaux de pommes de terre respectivement plats et cylindriques. Dans ces deux cas, l’effet de la tem- pérature de l’air sur le rétrécissement a été négligeable, considérant la réduc- tion du volume des échantillons. Toutefois, on peut noter dans le travail de WANG et BRENNAN (1995) que l’abaissement de la température de l’air a aug- menté la masse volumique apparente des échantillons.
Compte tenu de la faible quantité de données à température élevée (> 60 ºC) et de l’absence de données à forte humidité de l’air, le but de ce travail est de caractériser l’effet de la température, de la vitesse et de l’humidité de l’air de séchage sur le rétrécissement de cubes de pommes de terre, exprimé par le changement du volume, de la masse volumique apparente des échantillons et de la masse volumique apparente de la matière sèche lors du séchage convec- tif. Les résultats expérimentaux seront comparés avec des modèles théoriques et empiriques.
2 - MATÉRIEL ET MÉTHODES
2.1 Produit
Nous avons utilisé des pommes de terre (Solanum Tuberosum) achetées sur le marché local. Elles ont été stockées en chambre froide à 5-6 ºC, en sacs de 5 kg pendant toute la durée des essais, deux mois environ.
2.2 Séchoir pilote
Nous avons travaillé sur un séchoir pilote conçu par DAUDIN(1982) qui per- met un contrôle automatique des conditions de séchage, notamment, la vitesse, la température et l’humidité de l’air. La chambre de séchage permet de suivre le changement de la masse des échantillons sans qu’il soit nécessaire de les retirer de l’enceinte. On peut également prélever des échantillons pendant le séchage sans affecter les cinétiques de séchage (durée des prélèvements : 30 à 40 s, environ, sur des durées de séchage de l’ordre de 2 h).
2.3 Procédures de séchage
Les pommes de terre sont retirées de la chambre froide la veille, pour réduire la période de mise en température du produit. Avant le séchage, les tubercules sont coupés en cubes d’environ 9,5 mm d’arête, puis lavés rapide- ment avec de l’eau courante. Les cubes sont égouttés sur du papier absorbant et mis en monocouche sur le plateau de séchage, soit environ 200 g.
Au cours de chaque essai, répété deux fois, cinq prélèvements sont effec- tués. Les échantillons prélevés sont immédiatement mis dans des sacs de poly- éthylène, thermosoudés et gardés en chambre froide à 4 ºC. Les analyses sont faites le lendemain. Les conditions de l’air de séchage de chaque manipulation aussi bien que les données relatives aux conditions initiales des échantillons sont présentées dans le tableau 1.
Tableau 1
Conditions initiales des échantillons et conditions de séchage des essais Table 1
Initial conditions of samples and drying conditions
Essai Conditions Conditions initiales
n° de l’air des échantillons
T v Y Xo V c
(C) (m/s) * ** (10–6m3) (kg/m3)
01 80 2,0 0,005 3,7 0,87 1 077,9
02 60 2,0 0,008 4,0 0,87 1 072,5
03 40 2,0 0,004 4,3 0,86 1 080,7
04 100 2,0 0,007 3,8 0,86 1 084,3
05 40 0,7 0,009 4,2 0,86 1 072,7
06 90 2,0 0,009 4,2 0,89 1 073,7
07 80 0,7 0,007 4,2 0,87 1 072,7
08 100 0,7 0,114 4,5 0,87 1 065,5
* kg d’eau/kg d’air sec; ** kg d’eau/kg de matière sèche.
2.4 Mesure du volume apparent des cubes
Le volume (V) apparent des cubes de masse connue (M) a été déterminé par la technique de déplacement de fluide (toluène) dans des pycnomètres, à tem- pérature ambiante (22-25 ºC). Toutes les analyses sont faites en duplicata et nous avons retenu la moyenne. La teneur en eau (X, en kg eau/kg matière
sèche) des échantillons est mesurée par séchage dans une étuve à 105 ºC pen- dant 24 h (AOAC, 1995). Après analyse, la masse volumique apparente des cubes (ρc= M/V) et de la matière sèche [équation 1] sont calculées.
[1]
2.5 Détermination de la masse volumique réelle de la matière sèche
La mesure de la masse volumique réelle de la matière sèche (ρoms) est effec- tuée par la méthode au toluène sur un produit broyé assez finement pour que l’on puisse admettre qu’il ne contient pas de porosité macroscopique interne.
Des échantillons de pomme de terre fraîche sont lyophilisés à 10 Pa et 30 °C pendant 16 h. Le produit est broyé, puis tamisé sur un tamis à 237µm pour éli- miner les grosses particules. Pour vérifier la non-influence de la granulométrie de la fraction ayant traversé ce tamis, un tamisage à 71µm était effectué et sa masse volumique mesurée au toluène. Aucune différence significative n’ayant été observée entre ces fractions, nous avons pris la moyenne des mesures.
Nous avons effectué une correction sur la masse, due à la teneur en eau de la poudre (0,051 kg d’eau par kg de matière sèche). Nous avons négligé l’effet de cette humidité sur le volume, car elle est inférieure à la teneur en eau de la monocouche (SOBRALet al., 1999).
La valeur moyenne entre cinq mesures a été trouvée de ρoms= 1 441,4 kg/m3 (ET = 7,6).
3 - RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
3.1 Teneur en eau telle que X/Xo> 0,2
La variation du volume apparent des cubes de pommes de terre, dans les différentes conditions de séchage, est représentée figure 1. On peut remarquer que, malgré la dispersion des points, surtout à haute humidité, le volume des cubes de pomme de terre diminue lors du séchage d’une façon linéaire avec la teneur en eau du produit, jusqu’à un rapport X/Xo d’environ 0,2 (soit 80 % de perte d’eau). Dans ce domaine, aucun effet des conditions de séchage sur le rétrécissement n’apparaît.
Ces résultats sont en accord avec ceux de plusieurs auteurs, pour différents types de produits alimentaires (SARAVACOSet CHARM, 1962 ; SARAVACOS et RAOUZEOS, 1986 ; LOZANOet al., 1980,1983 ; WANGetBRENNAN, 1995 ; KHRAI- SHEHet al., 1997 ; McMINNetMAGEE, 1997a, b ; ZOGZASet al., 1994 ; KROKIDA etMAROULIS, 1997). LOZANOet al. (1983) ont observé que la linéarité du volume de petits cylindres de pomme de terre par rapport à la teneur en eau pendant le séchage s’observe jusqu’à des valeurs de X/Xosituées entre 0,1 et 0,2 comme dans ce travail, mais SARAVACOSetCHARM(1962) ont observé des valeurs plus petites, entre 0,07 et 0,1, en accord avec KHRAISHEHet al. (1997).
ρ ρ
ms c
= X + 1
Lors du séchage, quand le produit perd de l’eau, la matrice du produit rétré- cit pour occuper le volume de l’eau perdue, c’est-à-dire que le produit perd le volume de l’eau qui s’évapore. Si nous pouvons négliger (i) le volume de vide dans le produit, à savoir la porosité, (ii) l’effet de l’eau adsorbée sur le volume de la matière sèche, nous pouvons appliquer le principe d’additivé des volumes, d’où découle l’équation [2].
[2]
La figure 1 montre que la courbe obtenue avec cette équation représente bien les points expérimentaux, sauf à très basse teneur en eau. Pour l’obtention de cette courbe, nous avons considéré que la masse volumique de l’eau valait 997,1 kg/m3 (25 ºC), que la teneur en eau initiale était 4,3 kg d’eau/kg de matière sèche, et ρomsétait mesurée comme indiqué plus haut.
Quant à la masse volumique apparente des cubes, la loi d’additivité des volumes conduit à l’équation [3]. On observe sur la figure 2 que les points expé- rimentaux, pour X/Xo> 0,2, se placent à peu près sur une hyperbole, mais avec un décalage par rapport à l’équation [3]. Des modèles plus adéquats seront dis- cutés plus loin.
V V
X
o X
e ms
o
e ms
o o
= +
+ ρ ρ ρ ρ Figure 1
Évolution du volume apparent des cubes de pomme de terre au cours du séchage et effet des conditions de séchage
Effect of drying conditions on the effective volume of potatoes cubes during drying
[3]
La masse volumique apparente de la matière sèche en fonction de la teneur en eau réduite est représentée sur la figure 3. On y observe que les points expérimentaux décrivent une portion d’hyperbole. Ce même comportement peut être observé dans les travaux de KROKIDAetMAROULIS(1997) et KARATHA- NOSet al. (1996). Ceci correspond à l’équation [4], résultant de la combinaison des équations [1] et [3].
[4]
On observe donc que le rétrécissement exprimé par la réduction du volume et l’augmentation de la masse volumique de la matière sèche, au-dessus de X/Xo = 0,2, suivent la loi d’additivité des volumes et sont peu sensibles aux conditions de séchage. Il n’en va pas de même en fin de séchage comme nous allons le voir.
ρ ρ ρ
ρ ρ
ms
e ms o
e ms
o X
= + ρ ρ ρ
ρ ρ
c
e ms o
e ms
o
X
=
(
+X)
+ 1 Figure 2
Évolution de la masse volumique apparente des cubes de pomme de terre et effet des conditions de séchage
Effect of drying conditions on the particle density of potatoes cubes during drying
3.2 Teneur en eau telle que X/Xo< 0,2
À basse teneur en eau, les trois propriétés mesurées (figures 1, 2, 3) diver- gent de la loi d’additivité des volumes. Ce comportement est connu pour cor- respondre à l’apparition d’une porosité dans le produit (LOZANOet al., 1980, 1983 ; WANGetBRENNAN, 1995).
Au début du séchage, en effet, la structure cellulaire peut, en se rétractant, compenser la perte d’eau. Mais à basse teneur en eau, la structure cellulaire perd, par rigidification, sa capacité de rétraction. Ce phénomène dépend des conditions de séchage. C’est lorsqu’elles correspondent à un séchage plus rapide (100 ºC et 2 m/s), que la déviation la plus importante est observée : le rapport V/Vo final atteint une valeur de l’ordre de 0,31. Dans les autres cas, ce rapport V/Vofinal est de l’ordre de 0,24-0,26. Ces valeurs sont nettement supé- rieures à celles trouvées dans la littérature, par exemple 0,2 (LOZANO et al., 1983) et 0,16 (WANGetBRENNAN, 1995).
Figure 3
Évolution de la masse volumique apparente de la matière sèche lors du séchage et effet des conditions de séchage
Effect of drying conditions on the bulk density of potatoes cubes during drying
Si nous prenons en compte la porosité du produit, l’équation [2] devient : [5]
Mais, pour appliquer l’équation [5], un modèle donnant la porosité en fonc- tion de la teneur en eau est nécessaire. Nous avons essayé un modèle proposé par LOZANOet al. (1983), qui représente [équation 6] l’évolution de la porosité de morceaux de pomme de terre lors du séchage :
[6]
Nous pouvons vérifier, sur la figure 1, que la courbe obtenue avec ces équa- tions ne correspond pas à la plupart des points expérimentaux à faibles teneurs en eau, même si elle donne une déviation positive de V/Vopar rapport à la linéa- rité. L’écart provient d’une porosité du produit plus importante en fin de séchage, ou même d’un comportement différent de la porosité. En effet, McMINNetMAGEE(1997b) ont constaté que la porosité présentait un comporte- ment parabolique en fonction de la teneur en eau.
L’effet des conditions de séchage sur la masse volumique apparente des cubes (figure 2) ressort plus clairement que sur le volume. Pour X/Xo > 0,2, comme on l’a vu, la masse volumique apparente des cubes de pomme de terre augmente pendant le séchage. Puis elle passe par un maximum et décroît brus- quement. Ce comportement est analogue à celui observé par LOZANO et al.
(1983) qui toutefois ont obtenu des valeurs un peu plus basses pour le maxi- mum de masse volumique apparente, ne dépassant pas 1 200 kg/m3, et par WANGet BRENNAN(1995), qui trouvent des valeurs supérieures à 1 300 kg/m3. Par contre, le maximum n’est pas observé dans les résultats de KROKIDA et MAROULIS(1997) et ZOGZASet al. (1994). L’existence d’un maximum correspond à un compromis entre la réduction du volume et la réduction de la masse des échantillons, conséquences de la réduction de la teneur en eau du produit.
Nous remarquons que la tendance à la réduction de cette propriété à faible teneur en eau, liée à la formation de porosité, devient de plus en plus impor- tante avec l’augmentation de la température de l’air de séchage. Avec une vitesse de l’air maintenue à 2 m/s, les points expérimentaux arrivent à des valeurs de l’ordre de 1 100 kg/m3à 80 °C ; 910 kg/m3à 90 °C et 750 kg/m3à 100 °C. En dessous de 80 °C, tous les points sont dans un même domaine de valeurs. WANG et BRENNAN (1995) avaient, eux, observé une nette différence entre les points obtenus à 40, 50, 60 et 70 °C, avec la même tendance à la réduction des valeurs avec l’augmentation de la température.
L’effet de la vitesse de l’air aussi est important à température élevée. Ainsi, nous observons que les points expérimentaux obtenus à 100 °C et 2 m/s sont au-dessous des points obtenus à 100 °C et 0,7 m/s.
Nous pensons que ces effets sont dûs au fait que les caractéristiques méca- niques du produit dépendent des conditions de séchage : à plus haute tempé- rature et vitesse d’air, le séchage étant plus rapide, les gradients internes de teneur en eau sont plus élevés, la surface est plus sèche, donc plus rigide que dans des conditions de séchage lent. Cette surface est moins capable de se
ε = − − −
− +
−
1 0 1 202 0 148 0 259 −
1 234 0 117 0 085
15 507 19 040
, , , / ,
, , / ,
, /
, /
X X e
X X e
o
X X
o
X X
o
o
V V
X
o X
o e ms
o
e ms
o o
=
(
−) ( + )
( )
11−ε ρε ρ(
+ρρ)
déformer pour accompagner la réduction de volume interne due à la perte d’eau, d’où formation d’une porosité plus importante.
Ces phénomènes étant difficiles à traduire en des modèles explicatifs, nous avons choisi une équation empirique [7] pour représenter les points expérimen- taux de la masse volumique apparente des cubes de pomme de terre. Les paramètres de cette équation ont été calculés par optimisation, avec des coeffi- cients de corrélation très proches de l’unité (tableau 2), par la méthode du sim- plex. Nous avons vérifié que l’équation [7] représente bien tous les essais.
Quelques exemples de courbes sont donnés sur la figure 2.
[7]
Tableau 2
Valeurs des paramètres de l’équation [7], obtenues par optimisation Table 2
Parameters of equation [7], obtained by optimisation
Essai h l p
q r2
n° 103kg/m3 103kg/m3 103kg/m3
01 1,27 – 0,21 – 0,31 14,25 0,995
02 1,23 – 0,16 – 0,32 31,41 0,946
03 1,27 – 0,21 – 0,58 28,06 1,000
04 1,27 – 0,19 – 0,74 10,19 1,000
05 1,24 – 0,18 – 0,31 17,51 0,916
06 1,22 – 0,16 – 0,51 15,15 0,930
07 1,24 – 0,19 – 0,14 19,82 0,982
08 1,24 – 0,19 – 0,49 14,86 0,906
Pour représenter la masse volumique apparente de la matière sèche, nous pouvons repartir de l’équation [5] pour arriver à l’équation [8].
[8]
D’une façon générale, les valeurs calculées par les équations [4] et [8] s’ajus- tent bien aux points expérimentaux pour X/Xo > 0,2 (figure 3). Toutefois, à faibles teneur en eau, seule l’équation [8] représente bien les données, excep- tées celles obtenues par séchage à haute température, notamment à 90 et 100 °C, dont les points s’écartent nettement des autres. Ce comportement s’explique comme indiqué plus haut.
ρ ρ ρ ε
ρ ρ
ms
e ms o
e ms
o X
=
( )
− +1
ρc ρ
o
qX
h l X X
X e o
= + + −
4 - CONCLUSIONS
Lors du séchage, le volume des cubes de pomme de terre se réduit de plus de 70 % par rapport au volume initial. Jusqu’à environ 80 % de perte d’eau (X/X0 = 0,2), il décroît linéairement avec la teneur en eau. Ceci engendre une augmentation de la masse volumique apparente de la matière sèche selon une hyperbole.
Aux fortes teneurs en eau, la contraction du volume n’est pas sensible aux conditions de séchage. Le changement du volume des cubes de pomme de terre et de la masse volumique apparente de la matière sèche peuvent alors être correctement représentés par des équations obtenues à partir du principe d’additivité des volumes.
À faible teneur en eau, la rigidification de la surface du produit entraîne l’ap- parition d’une porosité. La masse volumique apparente passe donc par un maximum avant de décroître. Cette porosité est affectée par les conditions de séchage : elle est d’autant plus importante que la température et la vitesse de l’air entraînent un séchage plus rapide.
Reçu le 13 décembre 2000, accepté le 26 mai 2001.
LISTE DES SYMBOLES
ε : porosité
ρc : masse volumique apparente des cubes (kg/m3) ρe : masse volumique de l’eau (kg/m3)
ρms : masse volumique apparente de la matière sèche (kg/m3) ρoms : masse volumique réelle de la matière sèche (kg/m3) εo : porosité initiale
ET : écart type
h, l, p, q : paramètres de l’équation [7]
M : masse des cubes dans le pycnomètre (kg) T : température (ºC)
v : vitesse de l’air (m/s)
V : volume apparent des cubes (m3)
X : teneur en eau (kg d’eau/kg de matière sèche) Xo : teneur en eau initiale (kg d’eau/kg de matière sèche) Y : teneur en eau de l’air (kg d’eau/kg d’air sec)
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