Article pp.266-282 du Vol.26 n°3 (2006)

(1)

NOTE

Quantification du mottage de poudres alimentaires : comparaison de méthodes

O. Le Brun

¹

, J. Scher

^2*

, J.-P. Fasquel

¹

, J. Hardy

²

SUMMARY

Food powders caking: methods of comparison

Caking of food powders (sugar, milk or cocoa powder) is the cause of many industrial difficulties and heavy financial losses. It stay nevertheless misunderstood. This, even if lot of techniques of caking valuation have been elaborate, none of them is fully satisfactory. These techniques are based on physical or structural modifications which are generated by caking himself, and are consequently based on different defi- nitions of caking (size and amount of lumps, strength of agglomerate). This study has used 6 different samples to determine the efficiency of three different methods of caking valuation and to demonstrate the good correlation of their results. These three techniques are sensory analysis, sieving and penetration analysis. The sensory analysis is cheap, easy and rapid to use, but it requires a qualified staff. Penetration analysis is an easy technique, which can be adapted to all types of agglomerate. And to finish, sieving is less attractive, because it is heavy to use.

Keywords

caking, sensory analysis, mechanical properties, sieving.

RÉSUMÉ

Bien qu’à l’origine de nombreuses difficultés industrielles et de fortes pertes financiè- res, le mottage des poudres alimentaires (sucre, poudres de lait ou de cacao…) demeure aujourd’hui encore mal compris. Ainsi même si de nombreuses techniques de quantification de ce phénomène ont été élaborées au cours des dernières décen- nies, aucune d’entre elles n’est pleinement satisfaisante. Basées sur l’évaluation de modifications physiques ou structurelles engendrées par le mottage lui-même, ces techniques reposent en effet sur des méthodes de caractérisations différentes du mottage (taille et nombre des grumeaux, friabilité des agglomérats), et aucune corré- lation n’a pour l’instant été établie entre ces différentes définitions. Cette étude a donc permis, en se basant sur l’analyse de six échantillons distincts, de déterminer

1. EUROGERM S.A.S – 21850 Saint-Apollinaire – France.

2. Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL - ENSAIA) – Laboratoire de Science et Génie Alimen- taires – 54505 Vandœuvre-les-Nancy – France.

* Correspondance : Joël SCHER – INPL - ENSAIA - LSGA – 2, avenue de la Forêt de Haye – 54500 Van- dœuvre-les-Nancy – Tél. : 03 83 59 58 53 – Fax : 03 83 59 57 72 – E-mail : Joel.Scher@ensaia.inpl- nancy.fr

(2)

l’efficacité respective de trois de ces méthodes de quantification (analyse sensorielle, tamisage et analyse pénétrométrique) et de démontrer la bonne corrélation de leurs résultats. L’analyse sensorielle s’avère ainsi être une technique peu coûteuse, facile et rapide à mettre en œuvre, qui nécessite cependant de former du personnel. L’analyse pénétrométrique est une technique simple, qui présente l’avantage de s’adapter à tout type d’agglomérats. Enfin le tamisage est moins intéressant d’un point de vue industriel car sa mise en œuvre est difficile et elle manque d’universalité.

Mots clés

mottage, analyse sensorielle, pénétrométrie, tamisage.

1 – INTRODUCTION

La majorité des produits alimentaires, qu’ils soient naturels ou manufacturés, se pré- sentent à un moment au moins de leur processus de transformation, à l’état de solides divisés. L’intérêt industriel de ces produits pulvérulents s’articule principalement autour de leurs propriétés d’usage et de mise en œuvre (aptitude à la reconstitution ou à la réhy- dratation, aptitude à l’agglomération, manipulation, transport et conditionnement aisés…). Ces propriétés sont très souvent modifiées lors de la conservation. De nombreuses poudres alimentaires sont en effet soumises à des phénomènes de prise en masse et de mottage (caking) au cours de leur stockage. Souvent liés à des variations de température, d’humidité ou à la pression exercée par le poids du solide lui-même, ces phénomènes d’agglomération non désirés sont à l’origine de nombreuses difficultés industrielles (blocage des installations, non-conformité des produits…). Ces difficultés sont responsables de fortes pertes financières.

Ainsi, l’étude, la compréhension et la maîtrise de ces phénomènes de mottage consti- tuent un enjeu scientifique, technique et économique majeur. Elles passent nécessaire- ment par le développement préalable de méthodes permettant une mesure quantitative de ces phénomènes d’agglomération. Par ailleurs, pour être industriellement et économi- quement intéressantes, ces méthodes doivent être simples, universelles et suffisamment discriminantes.

L’objectif de notre étude est donc de sélectionner parmi les techniques actuellement disponibles et présentées ci-après celles qui semblent a priori répondre le mieux à ces besoins (simplicité, universalité et discrimination), de vérifier ces a priori et de déterminer dans quelles mesures ces méthodes sont corrélables entre elles.

De nombreuses méthodes, le plus souvent basées sur l’évaluation de modifications physiques ou structurelles engendrées par le mottage lui-même ont été développées au cours des dernières décennies. La cohésion des agglomérats peut ainsi être évaluée par :

1.1 Analyse sensorielle

Le mottage se caractérise principalement par l’apparition de grumeaux et d’agglomé- rats. En fonction de son intensité ces derniers sont plus ou moins gros, plus ou moins nombreux et plus ou moins durs. Les techniques sensorielles d’évaluation du mottage vont donc s’appuyer sur quelques paramètres simples (taille et nombre des grumeaux, dureté des agglomérats) pour différencier et classer les différents échantillons. À partir de ces paramètres, diverses échelles plus ou moins élaborées peuvent être mises en œuvre.

Ainsi, PELEG et MANNHEIM (1977), au cours d’une étude sur des poudres d’oignon, se contentent-ils de différencier les échantillons mottés des échantillons non mottés (un

(3)

échantillon étant considéré comme motté lorsque des grumeaux impossibles à casser par simples secousses du container apparaissent, ou quand le lit de poudre forme une masse continue qui ne peut pas s’écouler). Il s’agit dans ce cas d’une échelle simple, à seulement 2 échelons. En 1971, B^UMA utilise lui un protocole plus détaillé pour caractéri- ser le collant de poudres de lait. Il attribue une note comprise entre 0 et 10 à chacun des échantillons, la note étant attribuée en comparant l’échantillon étudié à 2 poudres de référence : une poudre de lait à écoulement libre correspondant à la note 0 et une poudre extrêmement collante correspondant à la note 10. La société Danisco (communication personnelle, 2001) utilise quant à elle une échelle fermée et discontinue en 9 points pour évaluer le mottage de divers émulsifiants pulvérulents. Dans ce cas chaque échelon de l’échelle correspond à un descriptif relativement précis de l’état de la poudre (tableau 1).

Tableau 1

Échelle sensorielle d’évaluation du mottage utilisée par Danisco.

Table 1

Sensory scale for caking valuation used by Danisco.

1.2 Mesure de l’écoulement

Le mottage s’accompagne d’une diminution des capacités d’écoulement de la poudre. Cette diminution est d’autant plus importante que le mottage est intense. Il devient dès lors possible d’évaluer l’intensité d’un processus de mottage en mesurant l’évolution des capacités d’écoulement de la poudre (AGUILERA et DEL VALLE, 1994). Néanmoins, les techniques disponibles, qu’elles soient qualitatives (angles de chute, durées d’écoule- ment à travers un orifice calibré), ou quantitatives (tests de cisaillements initiés par JENIKE en 1964) sont en réalité peu ou pas utilisées au niveau industriel, car pas suffisamment discriminantes ou difficiles à mettre en œuvre.

1.3 Tamisage

Le mottage se traduit par la formation d’agglomérats et de grumeaux, qui peuvent être mis en évidence et séparés du reste de la poudre en utilisant un tamis d’ouverture appropriée. LOWRISON (1989) utilise ce type de technique pour étudier le mottage d’engrais pulvérulents. Il établit ainsi un indice de mottage (caking index) qui correspond à la fraction massique d’un échantillon qui est retenue par un tamis dont l’ouverture est égale à un multiple déterminé de la taille maximum des particules incriminées. Ce type de technique a depuis été repris par PROVENT et al. (1993) et CATALAN (1992).

1.4 Compression en milieu non confiné

Dérivées de mesures de la cohésion des sols, les techniques de compression en milieu non confiné (Unconfined Compression Test ou Unconfined Yield Stress) ont été

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Poudre très fluide Poudre d’aspect granuleux

Présence de blocs friables qui se remettent très facilement sous forme de poudre Présence de blocs friables qui se remettent assez facilement sous forme de poudre Présence de blocs friables pouvant se remettre sous forme de poudre

Formation d’un seul bloc pouvant se remettre sous forme de poudre Formation d’un seul bloc se remettant difficilement sous forme de poudre Formation d’un seul bloc se remettant très difficilement sous forme de poudre Formation d’un seul bloc impossible à remettre sous forme de poudre

(4)

utilisées par BUMA (1971), RENNIE et al. (1999) et RONDEAU et al. (2003). Ces techniques consistent à écraser entre deux plateaux les échantillons de poudre préalablement pré- consolidés. On mesure alors la force F nécessaire pour entraîner une rupture du bloc.

Plus cette résistance à l’écrasement est grande, plus le mottage est important.

De mise en œuvre relativement aisée, la compression en milieu non confiné nécessite cependant des poudres suffisamment cohésives pour former une motte, et présentant une faible déformation plastique sous pression. Cette technique est donc loin d’être uni- verselle.

1.5 Analyse pénétrométrique

Le mottage se caractérise par une consolidation de la masse de poudre qui devient dès lors plus résistante à la pénétration ; cette résistance étant d’autant plus marquée que le mottage est intense. L’analyse pénétrométrique (utilisée notamment par ÖZKAN et al., 2002) consiste à mesurer la force F nécessaire pour enfoncer une sonde (habituel- lement une tige cylindrique de quelques millimètres de diamètre) à une profondeur déter- minée (quelques millimètres) à l’intérieur de l’échantillon, et à vitesse constante.

1.6 Analyse rhéométrique

Le mottage engendre de profonds bouleversements physiques au sein du volume de poudre, et en particulier une densification du produit. Cette densification qui augmente avec l’intensité du mottage, peut être mise en évidence en mesurant la force (en l’occur- rence le couple) nécessaire pour entraîner la rotation à vitesse déterminée d’un mobile à l’intérieur de la masse de poudre. Cette technique, qui repose sur l’utilisation d’un rhéo- mètre, est notamment utilisée pour établir des cinétiques ou comprendre l’enchaînement des événements qui transforment progressivement une poudre en un matériel compact et solide. Ainsi, ÖZKAN et al. (2002) ont utilisé cette méthode pour suivre l’évolution du mottage de poudres de lait en fonction de l’élévation de température. L’analyse rhéométrique est par contre difficile à utiliser avec des échantillons ayant déjà motté.

1.7 Broyage contrôlé

Le mottage abouti à la formation de blocs plus ou moins durs et plus ou moins friables. Cette friabilité peut être mesurée par broyage (ÖZKAN et al., 2003). Pour ce faire, l’échantillon motté une fois pesé est placé dans un broyeur à l’intérieur duquel il va subir un broyage contrôlé et standardisé. Ce dernier une fois terminé, la motte est à nouveau pesée afin d’évaluer la quantité de matière qui s’est effritée. Plus cette dernière est faible, plus le mottage est important.

Parmi les techniques exposées dans cette revue bibliographique, seules trois des techniques actuellement disponibles pour mesurer le mottage (analyse sensorielle, tamisage et analyse pénétrométrique) semblent, a priori, répondre à nos objectifs de simpli- cité, d’universalité et de discrimination. Cette étude va donc s’efforcer, en se basant sur l’analyse de 6 échantillons distincts, d’évaluer l’efficacité respective de ces trois métho- des de quantification du mottage et de déterminer dans quelle mesure leurs résultats sont corrélables.

(5)

2 – MATÉRIELS ET MÉTHODES

2.1 Préparation des échantillons

Six échantillons différents sont utilisés au cours de cette étude. Ces derniers sont obtenus à partir de six mélanges de poudres choisis pour leur aptitude à motter lors d’une élévation de température, en formant des agglomérats de dureté très différentes.

Ces différents mélanges (tableau 2) sont réalisés par assemblage de trois poudres commerciales utilisées habituellement comme améliorants de panification : deux esters mono et diacétyltartrique d’acides gras (DATEM 1 et DATEM 2) et un Gypse. Les esters mono et diacétyltartrique des mono et diglycérides d’acides gras (E472e) sont des émul- sifiants de synthèse, de composition complexe (SUDRAUD et al., 1981 ; LE BRUN, 2004), rendus très sensibles à la chaleur par leur forte teneur en matières grasses (ces dernières variant fortement, tant en quantité qu’en qualité, d’un DATEM à l’autre). Ainsi, dès que la température s’élève, ils fondent et forment un ciment plus ou moins visqueux. Le gypse utilisé au cours de cette étude est un gypse naturel alimentaire (CaSO₄, 2H₂O), utilisé ici comme agent de charge ou « diluant » : associé à l’un ou l’autre des DATEM précédem- ment cités, il permet de diminuer la dureté des agglomérats obtenus après conservation à forte température.

Les six mélanges de 200 g chacun sont homogénéisés pendant 2 minutes sur un robot ménager Moulinex, puis répartis dans des coupelles métalliques circulaires (54 mm de diamètre, 13 mm de haut). Ces coupelles contenant chacune 20 g de poudre sont pla- cées pendant 72 heures dans une étuve à 50 °C. Les échantillons sont alors mis à refroi- dir à 20 °C pendant au moins 24 h, puis analysés selon les trois méthodes de mesure retenues pour l’étude. La hauteur du produit dans la coupelle après conservation est de 10 ± 2 mm (plus la quantité de DATEM est importante dans le mélange, plus cette hauteur est faible).

Tableau 2

Composition des différents échantillons de la gamme d’étalonnage.

Table 2

Composition of calibration’s samples.

2.2 Contrôle de l’homogénéité des mélanges

Le contrôle d’homogénéité repose sur le dosage de la teneur en cendres de 5 échan- tillons de 4 g prélevés aléatoirement au sein d’un mélange test initial de 200 g. Les teneurs en cendres sont déterminées par incinération à 550 °C pendant 12 heures dans un four NAGAT (Trignac, France). La qualité du mélange est estimée à l’aide du coeffi-

Échantillon Composition

1 20 % DATEM 2 - 80 % Gypse

2 40 % DATEM 2 - 60 % Gypse

3 60 % DATEM 2 - 40 % Gypse

4 80 % DATEM 2 - 20 % Gypse

5 20 % DATEM 1 - 80 % Gypse

6 50 % DATEM 1 - 50 % Gypse

(6)

cient de variation (C.v.) : le mélange est considéré comme homogène dès lors que le coefficient de variation mesuré est inférieur à 5 %.

Le mélange test utilisé est composé de 80 % de DATEM 1 et de 20 % de gypse. Le gypse a une teneur en cendres très supérieure au DATEM 1 (tableau 3) ainsi, une petite variation de la teneur en gypse, se traduit par conséquent par une variation importante de la teneur en cendre du mélange.

Tableau 3

Teneurs en eau et en cendres du DATEM 1, du DATEM 2 et du Gypse.

Table 3

Water and ash content of DATEM 1, of DATEM 2 and Gypsum.

2.3 Analyse sensorielle

L’analyse sensorielle des échantillons s’appuie sur l’échelle fermée et discontinue à 9 échelons utilisée par Danisco (tableau 1). Elle repose sur l’estimation de l’énergie que l’opérateur doit fournir pour rendre à l’échantillon sa texture pulvérulente (agitation plus ou moins forte du récipient, écrasement de l’échantillon entre les doigts…). Lorsque l’opéra- teur hésite entre 2 notes, c’est la moyenne de ces 2 notes qui est finalement retenue.

Il est également important de noter, que toutes les évaluations sensorielles ont été effectuées par le même opérateur.

2.4 Analyse pénétrométrique

L’analyse pénétrométrique consiste à mesurer la force F (N) nécessaire pour enfoncer à une profondeur de 5 mm, un piston cylindrique de 4 mm de diamètre (la vitesse de des- cente du piston étant fixée à 20 mm.min^-1). L’appareil utilisé pour réaliser cette mesure est un appareil universel de mesure en traction-compression de type Instron 1122, sur lequel sont adaptées selon les besoins deux cellules de mesure de respectivement 10 et 1000 N. Les mesures sont réalisées au sein même des coupelles et ne nécessitent pas de démoulage préalable. Chaque prélèvement (2 par mélange) est analysé à trois reprises, soit un total de 6 mesures par échantillon. Cette organisation permet d’évaluer à la fois les variabilités intra et inter prélèvement.

2.5 Tamisage

L’opération de tamisage est réalisée sur la plate-forme vibrante de l’analyseur de poudre (Powder Tester PT-R, Hosokawa Micron Corporation). Le tamis utilisé est un tamis circulaire de 75 mm de diamètre, présentant une ouverture de maille de 710 µm.

Deux intensités différentes de tamisage, identifiée par intensité 1(i1) et intensité 2 (i2), et correspondant respectivement aux repères 1 et 2 de l’échelle du Powder Tester PT-R, sont testées lors de l’étude.

DATEM 1 DATEM 2 Gypse

Teneur en eau (en %)

3,98 ± 0,10 5,43 ± 0,10 18,97 ± 0,10 Teneur en cendres sur matière sèche

(en %)

15,10 ± 0,20 19,48 ± 0,20 97,88 ± 0,20 Teneur en cendres sur matière humide

(en %)

14,49 ± 0,20 18,42 ± 0,20 79,30 ± 0,20

(7)

La technique utilisée est une technique différentielle, qui repose sur le tracé des ciné- tiques de tamisage des échantillons « natifs » (avant conservation à 50 °C) et des échan- tillons « agglomérés » (après conservation à 50 °C). Ces cinétiques de tamisage représentent l’évolution de la quantité de produit retenue par le tamis en fonction de la durée de tamisage, et sont obtenues par pesées régulières (toutes les 10 s) du refus pré- sent sur le tamis. La taille de l’échantillon déposé initialement sur le tamis est de 20 g, et la durée totale de tamisage est fixée à 60 s.

En effectuant pour chaque durée de tamisage, la différence entre le refus obtenu pour la poudre « agglomérée » et celui obtenu pour la poudre « native » on obtient une courbe (appelée profil de mottage) représentative de l’intensité du mottage provoqué par la conservation : % de mottage et friabilité des agglomérats (cette dernière étant donnée par la pente de la courbe). Il est important de noter que tous les refus mesurés sont expri- més en pourcentage du dépôt initial.

Par ailleurs, durant les étapes de comparaison et de corrélation des résultats, seuls les deux points les plus extrêmes du profil de mottage, à savoir les pourcentages de mottage après respectivement 10 s (i1-10s et i2-10s) et 60 s (i1-60s et i2-60s) de blutage, seront utilisés.

2.6 Validation

La phase de validation des résultats s’effectue sur une centaine d’échantillons, com- posés de différentes combinaisons des trois poudres de base (DATEM 1, DATEM 2 et Gypse). Ces échantillons sont conservés sous diverses conditions de température (de 20 à 50 ˚C), d’hygrométrie (de 75 à 100 %), de tassement (de 0 à 3 kg) et de durée (de 1 à 30 jours), puis étudiés par analyses sensorielle et pénétrométrique ainsi que par tamisage (intensité 1 pendant 10 s). Les corrélations entre ces différents résultats sont effectués (calcul du R²).

La diversité des conditions de conservation doit permettre de confirmer l’universalité des trois méthodes retenues pour la quantification du mottage. Elle doit permettre égale- ment de vérifier que les causes du mottage (humidité, tassement ou chaleur), ne modi- fient pas l’efficacité de la méthode.

3 – RÉSULTATS ET DISCUSSION

3.1 Contrôle de l’homogénéité des mélanges

L’intensité du mottage obtenu après étuvage dépend exclusivement de la composition des échantillons, et par voie de conséquence de la qualité des mélanges réalisés initialement. Le contrôle de l’homogénéité de ces mélanges s’avère donc être un préalable indispensable à toute étude complémentaire : il doit permettre de s’assurer que tout pré- lèvement effectué au sein d’un même mélange aura une composition identique.

Les teneurs en cendres mesurées sur les 5 échantillons prélevés au sein du mélange test sont très proches les unes des autres (tableau 4) et le coefficient de variation observé (3,75 %) reste faible et inférieur au seuil d’acceptabilité fixé à 5 %. Les résultats obtenus permettent par conséquent de conclure à une bonne homogénéité de notre mélange test, et par extrapolation, à une bonne homogénéité de l’ensemble de nos mélanges.

(8)

Tableau 4

Contrôle de l’homogénéité : teneur en cendres des différents prélèvements du mélange test.

Table 4

Homogeneity check: ash content of different samples.

3.2 Contrôle de l’efficacité respective de chacune des trois méthodes étudiées

3.2.1 Analyse sensorielle

Les six mélanges testés réagissent de façon très différente à la chaleur : les échan- tillons 4 et 6 prennent en masse, formant des blocs durs et compacts ; l’échantillon 1 ne motte pas (ou peu) et conserve son caractère particulaire et sa capacité d’écoulement ; les échantillons 2, 5 et 3 ont un comportement intermédiaire et forment des agglomérats plus ou moins friables. Ces différences de comportement sont clairement mises en évi- dence sur notre échelle de notation (figure 1), chaque échantillon étant clairement identi- fiable et discernable des cinq autres. Notre méthode d’analyse est donc considérée comme discriminante. Le coefficient de variation moyen est de 5 %. La répétabilité de la méthode est donc jugée satisfaisante.

Prélèvements Teneur en cendres

(% m.s.)

1 22,5

2 24

3 24,5

4 24,75

5 23,5

Moyenne 23,8

Écart type 0,90

C.v. 3,75

8 7 6 5 4 3 2 1 0

Éch. 1 Éch. 2 Éch. 3 Éch. 4 Éch. 5 Éch. 6

Intensité du mottage

Figure 1

Analyse sensorielle : classement des 6 échantillons en fonction de leur intensité de mottage (chaque point correspond à la moyenne de 4 mesures).

Sensory analysis: classification of the 6 samples according to their caking intensity (each point is the mean of 4 measurements).

(9)

L’analyse sensorielle constitue un moyen facile et rapide à mettre en œuvre, pour évaluer l’intensité du mottage de poudres alimentaires. Sa principale limite est liée à la nécessité de former un jury pour la mettre en œuvre.

3.2.2 Analyse pénétrométrique

Les résultats obtenus lors de l’analyse pénétrométrique de nos échantillons couvrent une gamme de forces très étendue. Pour des commodités de représentation graphique, ces résultats ont été linéarisés en remplaçant la force F mesurée par son logarithme népérien Ln(F). La résistance à l’enfoncement varie d’un échantillon à l’autre (de 0,05 N pour l’échantillon 1 à 200 N pour l’échantillon 6). Ces différences sont suffisamment importantes pour permettre une identification aisée de chacun des six échantillons testés (figure 2). La répétabilité (tableau 5) est globalement meilleure lorsque le mottage est intense (l’échantillon 2 présente ainsi un coefficient de variation de l’ordre de 10,8 % contre seulement 5,8 % pour l’échantillon 6). Ce phénomène peut traduire la présence de gradients de compacité à l’intérieur de nos échantillons, ces gradients étant plus faibles lorsque la poudre est suffisamment compactée (réarrangements particulaires et diminution importante du volume d’air emprisonné).

Tableau 5

Analyse pénétrométrique : estimation des variabilités intra et inter prélèvements à partir des coefficients de variation.

Table 5

Penetration analysis: variability between the different samples.

Éch.1 Éch.2 Éch.5 Éch.3 Éch.4 Éch.6 Moyenne des Coefficients de variation¹ 6,42 10,85 9,54 5,42 5,30 5,84 Coefficient de variation global² 11,07 10,28 9,19 13,83 6,84 5,84 1. [(C.v.(essais 1) + C.v.(essais 2))/2].

2. [C.v. (essais 1 + essais 2)].

6 5 4 3 2 1 0 – 1 – 2 – 3 – 4

Éch. 1 Éch. 2 Éch. 3 Éch. 4 Éch. 5 Éch. 6 Essais 1 Essais 2

Ln (F)

Figure 2

Classement des 6 échantillons en fonction de leur intensité de mottage mesurée par pénétrométrie.

Classification of the 6 samples according to their caking intensity evaluated by penetration analysis.

(10)

L’analyse pénétrométrique constitue donc une méthode simple, rapide à mettre en œuvre, et suffisamment répétable pour être discriminante. Elle s’adapte par ailleurs à tout type de mottes : du produit pulvérulent, jusqu’au bloc dur et homogène.

Cependant les échantillons « natifs » présentent également une résistance à l’enfoncement non nulle, et variable selon le produit et le mode de préparation de l’échantillon.

Une même force de pénétration peut dès lors et selon le type de poudre traduire soit un début d’agglomération, soit une compacité plus importante de l’échantillon liée aux caractéristiques propres de la poudre en question (composition, répartition granulométri- que…). Il est à noter que cette remarque ne s’applique qu’aux forces les plus faibles (inférieures à 1 N).

3.2.3 Tamisage

L’évaluation du mottage par blutage repose sur la réalisation de cinétiques de tamisage (évolution du refus en fonction de la durée de tamisage). Il est par conséquent indispensable avant toute étude complémentaire de vérifier la répétabilité de cette opération.

Cette étude de répétabilité a été réalisée sur le Gypse et le DATEM 1 « natifs », pour un tamisage d’intensité 1, puis extrapolée aux autres cinétiques. Les résultats ainsi obtenus sont présentés figure 3.

Ces essais mettent en évidence un comportement très différent de nos deux poudres : le DATEM 1 se tamise très facilement et très rapidement, le Gypse présente lui un tamisage beaucoup plus lent et progressif (il faut 60 s pour que la totalité des 20 g de Gypse traverse le tamis, contre seulement 10 s pour le DATEM 1). Par ailleurs les deux poudres présentent un refus à t₀ différent : 100% pour le Gypse contre moins de 80 % pour le DATEM 1. Ces différences s’expliquent par une cohésivité différente de nos deux poudres (le Gypse est plus cohésif que le DATEM 1) ; et justifient l’utilisation d’une méthode différentielle pour évaluer l’intensité du mottage. Cependant ces différences de comportement ne semblent pas avoir d’influence sur la répétabilité de l’opération de blutage qui demeure satisfaisante dans tous les cas (l’écart entre deux essais ne dépasse pas les 3 % de refus, quelle que soit la durée de tamisage choisie).

Les profils de mottage obtenus pour les différents échantillons sont présentés figure 4. Dans le cas du tamisage d’intensité 1, on obtient globalement six courbes dis- tinctes, ayant une pente faible (parfois nulle). Les six profils sont clairement identifiables et s’étagent régulièrement de 0 % (échantillon 1) à 100 % de mottage (échantillon 6). La

% de refus % de refus

100 80 60 40 20 0

a b

0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60

Essais 1 Essais 2

Essais 3 Essais 1

Essais 2 Essais 3

Durée de tamisage (en s) Durée de tamisage (en s) Figure 3

Cinétiques de tamisage – Répétabilité a : Gypse / intensité 1.

b : DATEM 1 / intensité 1.

Sieving kinetic – repetability.

a: Gypsum / intensity 1.

b: DATEM 1 / intensity 1.

(11)

présence de pentes faibles traduit une attrition très modérée lors du tamisage : les échantillons ne sont que peu détruits au cours de l’analyse. La technique permet donc globalement de déterminer le pourcentage de la poudre qui a motté, mais ne donne que peu d’informations sur la dureté des mottes obtenues. On remarque par ailleurs la pré- sence de valeurs négatives dans le cas des poudres n’ayant pas (ou très peu) motté. Cela signifie que le produit se tamise plus facilement après, qu’avant conservation. Ce phéno- mène s’explique vraisemblablement par une diminution de la cohésivité de l’échantillon suite au séchage (perte d’eau) engendré par la conservation à forte température.

Dans le cas du tamisage d’intensité 2 on obtient globalement le même type de résul- tats, avec toutefois des courbes aux pentes plus prononcées. L’attrition est alors plus importante et devient suffisante pour estimer la résistance des agglomérats obtenus (les échantillons 4 et 6 ont ainsi mottés dans des proportions sensiblement comparables, mais l’échantillon 4 donne des agglomérats friables contrairement à l’échantillon 6). On constate également que si les 6 profils se classent toujours dans le même ordre, les % de mottage mesurés sont moindres qu’avec un tamisage d’intensité 1. Seul l’échantillon 6 fait exception, le bloc obtenu étant réellement très dur, et insensible à l’attrition. Enfin on remarque qu’avec un tamisage d’intensité 2, il est beaucoup plus difficile de distinguer les échantillons 1 et 2.

Ces profils de mottage semblent très intéressants et permettent d’obtenir de nombreuses informations sur les agglomérats formés. Cependant l’exploitation de ces courbes dans le cadre de corrélations n’est pas aisée. Il a donc été décidé de ne conserver pour chacun de ces profils que deux points caractéristiques, à savoir les pourcentages de mottage après respectivement 10 et 60 secondes de tamisage. Les résultats obtenus sur l’ensemble des prélèvements sont présentés figure 5.

Ce mode de représentation des résultats illustre parfaitement les propos tenus précé- demment. Il met notamment clairement en évidence l’impact de la puissance de tamisage (intensité et durée) : lorsque cette dernière est faible (intensité 1 durant 10 s), on distingue aisément les échantillons ayant faiblement motté (échantillons 1 et 2) et moins facilement les échantillons les plus fortement agglomérés (échantillons 4 et 6) ; dans les trois autres cas (intensité forte et/ou durée longue) on observe le phénomène inverse. Quant à la répétabilité elle est satisfaisante (suffisante pour être discriminante) pour les faibles puis- sances de tamisage (intensité 1 durant 10 s), et beaucoup plus aléatoire dans les autres cas. Il est à ce propos important de noter que la phase de démoulage de l’échantillon

% de mlottage

100 80 60 40 20 0 – 20 a

0 10 20 30 40 50 60

Durée de tamisage (en s)

Éch. 1 Éch. 2 Éch. 3 Éch. 4 Éch. 5 Éch. 6

% de mlottage

100 80 60 40 20 0 – 20 b

0 10 20 30 40 50 60

Durée de tamisage (en s)

Figure 4

Profils de mottage de nos différents échantillons.

a : intensité 1.

b : intensité 2.

Sieving profile of the different samples.

a: intensity 1.

b: intensity 2.

(12)

peut, dans certains cas, être une source importante de variabilité. Ce problème concerne principalement les agglomérats de résistance moyenne (échantillons 5, 3 et 4), qui ont alors tendance à se fragmenter, en générant de fines particules facilement tamisables.

Le tamisage est une technique fastidieuse à mettre en œuvre ; elle est rendue peu maniable par la multiplication des opérations qu’elle nécessite. L’automatisation de tout ou partie de ces opérations (la pesée notamment) contribuerait fortement à la rendre plus attractive. Par ailleurs sa fiabilité et son efficacité sont étroitement liées à la puissance de tamisage choisie (intensité et durée). Cette technique reste malgré tout intéressante car elle permet d’obtenir 2 types d’informations complémentaires : le pourcentage de produit ayant motté et la résistance des agglomérats obtenus.

3.3 Étude des corrélations entre techniques

L’étude détaillée et individuelle des trois techniques d’analyse a permis jusqu’à pré- sent de mettre en évidence leurs points forts et leurs points faibles respectifs. Cependant si leur efficacité (discrimination et répétabilité) est clairement démontrée, reste à savoir si les résultats qu’elles fournissent sont concordants. En effet ces techniques s’appuient sur la mesure de paramètres différents (tableau 6), et rien jusqu’ici ne permet d’affirmer que ces paramètres évoluent de concert.

i1-10s 100

80 60 40 20 0

–20 Éch. 1 Éch. 2 Éch. 3 Éch. 4 Éch. 5 Éch. 6 Essais 2 Essais 1

% de mottage

i2-10s 100

80 60 40 20 0

% de mottage

i2-60s 100

80 60 40 20 0

% de mottage

i1-60s 100

80 60 40 20 0

% de mottage

Figure 5

Tamisage : classement des 6 échantillons en fonction de leur intensité de mottage.

Sieving – classification of the 6 samples according to their caking intensity.

(13)

Tableau 6

Paramètres évalués par chacune des trois méthodes de mesure.

Table 6

Parameters evaluated by each of the three methods.

Le tableau 7 montre que le classement des six échantillons en fonction de leur inten- sité de mottage est identique quelle que soit la technique de mesure utilisée. Cette tendance est confirmée par l’analyse statistique (R²). Les résultats ainsi obtenus (tableau 8), montrent que 13 analyses de corrélations sur 15 ont un coefficient (R²) supérieur ou égal à 0,87 (0,001 < p < 0,005). Le paramètre le moins bien corrélé concerne le tamisage d’intensité 2 durant 60 secondes. Il est probable que cette méthode ne prend pas en compte les agglomérats les moins résistants à l’abrasion du fait d’une intensité et d’un temps de tamisage trop important.

Tableau 7

Classement des différents échantillons par ordre croissant de leur intensité de mottage.

Table 7

Classification of the different samples according to their caking intensity.

% de produit ayant motté (nombre et taille des agglomérats)

Dureté des agglomérats (résistance à l’enfoncement

ou à l’attrition)

Sensoriel + +

Pénétrométrie – +

Tamisage

– faible puissance – forte puissance

+ -

_ +

Sensoriel Pénétrométrie Tamisage (% de mottage) F Ln (F) Intensité 1 Intensité 2

(en Newtons) 10 s 60 s 10 s 60 s

Échantillon 1 1,125 0,075 – 2,586 – 7,55 0 0,25 0,05

Échantillon 2 2,5 1,23 0,207 17,65 1,15 2,55 0,25

Échantillon 3 3,5 8,745 2,168 44,35 39,05 41,65 14,3

Échantillon 4 4,75 19,965 2,987 68,25 50,09 45,95 28,35

Échantillon 5 6,5 69,43 4, 235 91,9 80 88,75 57,7

Échantillon 6 8 199,33 5,295 99,45 99,45 99,4 99,4

Les valeurs données dans le tableau sont des moyennes.

(14)

Tableau 8

Coefficients de détermination R² obtenus par régression linéaire.

Table 8 Regression coefficients R².

Enfin, il nous a semblé intéressant de valider ces résultats sur un panel d’échantillons beaucoup plus large. Pour ce faire cent échantillons ont été étudiés par analyse sensorielle, analyse pénétrométrique et tamisage (intensité 1 pendant 10 s).

L’analyse statistique (calcul des R²) des résultats obtenus (tableau 9) confirme les conclusions précédentes : les trois techniques d’analyses sont bien corrélées (R² >

0,90). Il est cependant intéressant de noter que les échantillons fortement hydratés ont une texture particulièrement collante qui tend à perturber l’analyse sensorielle en faus- sant les repères acquis sur des échantillons ayant motté sous conservation « chaude ».

Pour pallier cette difficulté, une phase de « séchage » des échantillons a été instaurée (conservation à humidité ambiante pendant 4 jours). Cette phase de séchage est le pendant de la phase de refroidissement adoptée dans le cas de la conservation à fortes températures.

Tableau 9

Coefficients de détermination R² obtenus par régression linéaire (phase d’extrapolation).

Table 9

Regression coefficients R² (extrapolation stage).

Bien qu’elles reposent sur l’analyse de descripteurs du mottage différents, ces trois techniques donnent des résultats concordants et sont a priori interchangeables. Cepen- dant seule l’analyse sensorielle est directement reliée avec la réalité et permet de conceptualiser et de visualiser l’état concret du produit (il est plus parlant de dire : nous

Sensoriel Pénétrométrie (Ln F)

i1-10s i1-60s i2-10s i2-60s

Sensoriel – 0,92** 0,96*** 0,96*** 0,95*** 0,92**

Pénétrométrie (Ln F) – 0,97*** 0,89** 0,87* 0,73^ns

i1-10s – 0,95** 0,93** 0,79^ns

i1-60s – 0,99*** 0,90**

i2-10s – 0,88*

i2-60s –

Les coefficients sont calculés à l’aide du logiciel Origin 7.5 (OriginLab).

Valeur-p : *** p < 0,001 ; ** p < 0,005 ; * p < 0,01 ; non significatif p > 0,01.

Sensoriel Pénétrométrie (Ln F) Tamisage i1-10s

Sensoriel – 0,95*** 0,92***

Pénétrométrie

(Ln F) – 0,91***

Tamisage i1-10s –

Valeur-p : *** p < 0,001 ; ** p < 0,005 ; * p < 0,01 ; non significatif p > 0,01.

(15)

sommes en présence d’un bloc dur, impossible à remettre sous forme de poudre, que de prétendre : nous sommes en présence d’un produit ayant une intensité de mottage de 180N). Il peut donc être intéressant, à partir des courbes et des équations de corrélations (figure 6 et 7) d’établir un tableau de correspondances entre ces différentes méthodes (tableau 10). La présence de valeurs négatives s’explique par le fait que la technique d’évaluation du mottage par tamisage est une technique différentielle.

y = 1,0429x – 2,8711 R² = 0,92 6

5 4 3 2 1 0 – 1 – 2 – 3

Sensoriel

Ln (F)

– 4

2

1 3 4 5 6 7 8

Figure 6

Courbe et équation de corrélation entre analyse sensorielle et analyse pénétrométrique.

Correlation curve between sensory analysis and penetration analysis.

y = 15,051x – 20,035 R² = 0,92 100

80 60 40 20 0 – 20 – 40 – 60

2 3 4 5 6 7 8

Sensoriel

% de mottage

Figure 7

Courbe et équation de corrélation entre analyse sensorielle et tamisage i1-10s.

Correlation curve between sensory analysis and sieving i1-10s.

(16)

Tableau 10

Tableau de correspondance entre les valeurs obtenues par chacune des trois méthodes.

Table 10

Transfer table between the three methods of caking evaluation.

4 – CONCLUSION

Le mottage est un phénomène complexe qui recouvre des réalités très différentes, pouvant aller de l’apparition de quelques grumeaux, à la formation de blocs durs et compacts. La quantification de ce phénomène est donc loin d’être évidente. Ainsi, bien que de nombreuses techniques de mesure aient été développées au cours des dernières décennies, aucune n’est pleinement satisfaisante. Basées sur l’évaluation de modifications physiques ou structurelles engendrées par le mottage lui-même, ces techniques reposent en effet sur des définitions sensiblement différentes du mottage (% de refus, force de pénétration, diminution des capacités d’écoulement), pour lesquelles, à l’heure actuelle, peu de travaux font état en terme de corrélations.

Cette étude aura donc permis d’appréhender un peu mieux trois de ces techniques de quantification du mottage, choisies a priori pour leur simplicité de mise en œuvre et leur universalité (deux critères prépondérants pour leur transposition au niveau industriel).

Si ces a priori de simplicité et d’universalité sont globalement confirmés pour l’analyse sensorielle et l’analyse pénétrométrique, il n’en est pas de même pour le tamisage. Il ressort en effet de cette étude que pour être pertinente la technique de tamisage doit être adaptée (en intensité et en durée) à la gamme d’échantillon ; ce qui la rend difficilement utilisable par des industriels tels que les « prémixeurs », qui travaillent avec une grande variété de poudres.

Le tamisage n’est cependant pas sans intérêt, loin s’en faut. Son utilisation dans le cas d’études plus spécifiques et ciblées sur un nombre limité de poudres, aux caractéris- tiques bien définies, peut être source de nombreuses informations (réalisation de profils de mottage).

Il est par ailleurs intéressant de souligner qu’une fois la méthode parfaitement calibrée à la poudre étudiée, les résultats obtenus par tamisage sont corrélés avec ceux obtenus par analyse sensorielle ou pénétrométrique.

Sensoriel Pénétrométrie (N) % de mottage (I1-10s)

0 < 0,09 < – 13

1 0,09 – 0,27 – 13 – 3

2 0,27 – 0,77 3 – 18

3 0,77 – 2,18 18 – 33

4 2,18 – 6,19 33 – 48

5 6,19 – 17,55 48 – 63

6 17,5 – 49,78 63 – 78

7 49,78 – 141,26 78 – 93

8 > 141,26 > 93

(17)

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

AGUILERA J.M. et DEL VALLE J.M. 1994. Structural changes in low moisture food powders. In : BARBOSA-CANOVAS G.V. et WELTI-CHANES J. Food preservation by moisture control. ISO- POW PRACTICUM II, 675-695.

BUMA T.J., 1971. Free fat in spray-dried whole milk.

5. Cohesion; determination, influence of particle size, moisture content and free-fat content.

Neth. Milk Dairy J., 25, 107-122.

CATALAN M.F., 1992. Influencia de la temperatura, humedad y composicion en la compactacion de un hidrolizado de jurel. Chem. Eng. Thesis. San- tiago, Chile : Pontificia Universidad Catolica de Chile.

DANISCO, 2001. Communication personnelle.

JENIKE A.W., 1964. Storage and flow of solids, Bull.

123. Utah Engng Experimental Station, Univer- sity of Utah.

LE BRUN O., 2004. Contribution à l’étude du mottage et de la conservation des additifs de panification pulvérulents à base d’esters diacetyltartriques de mono- et diglycerides (DATEM, E472e). Thèse : Nancy, INPL-ENSAIA, 208 p.

LOWRISON G.C., 1989. Fertilizer Technology. Chi- chester, UK: Ellis Horwood Limited.

ÖZKAN N., WALISINGHE N. et CHEN X.D., 2002.

Characterization of stickiness and cake formation in whole and skim milk powders. Journal of

Food Engineering, 55, 293-303.

ÖZKAN N., WITHY B. et CHEN X.D., 2003. Effects of time, temperature, and pressure on the cake formation of milk powders. Journal of Food Engi- neering. (article in press).

PELEG M. et MANNHEIM C.H., 1977. The mecha- nism of caking of powdered onion. Journal of Food Processing and Preservation, 1, 3-11.

PROVENT B., CHULIA D. et CARY J.,1993. Particle size and the caking tendency of a powder. Euro- pean Journal of Pharmaceutics and Biopharma- ceutics, 39(5), 202-207.

RENNIE P.R., CHEN X.D., HARGREAVES C. et MAC- KERETH A.R., 1999. A study of the cohesion of dairy powders. Journal of Food Engineering, 39, 277-284.

RONDEAU X., AFFOLTER C., KOMUNJER L., CLAUSSE D. et GUIGON P., 2003. Experimental determination of capillary forces by crushing strength measurements. Powder Technology, 130, 124-131.

SUDRAUD G., COUSTARD J.M., RETHO C., CAUDE M., ROSSET R., HAGEMANN R., GAUDIN D. et VIRELIZIER H., 1981. Analytical and structural study of some food emulsifiers by high-perfor- mance liquid chromatography and off-line mass spectrometry. Journal of Chromatography, 204, 397-406.