Article pp.413-425 du Vol.25 n°5-6 (2005)

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FOCUS : Émulsions alimentaires foisonnées

Cristallisation de la matière grasse dans une émulsion de MGLA dans l’eau :

apport de différentes techniques physiques combinées

P. Relkin

^1*

, F. Mariette

²

, D. Kalnin

³

, C. Michon

¹

, M. Ollivon

³

SUMMARY

Evolution of fat crystallinity in anhydrous milk fat-in-water emulsion, as studied by different physical combined techniques

Structural characteristics of a same milk fat-in-water emulsion was determined using different physical techniques. Emulsion stability was monitored through determination of fat droplet size distribution and proportion of adsorbed proteins at the fat droplet- water intersurface. Thermogrammes observed by differential scanning calorimetry (DSC), showed that ∆T (difference between temperature of initial crystallization and melting completion) was higher (by approx. 10°C) in emulsified milk fat than in bulk fat sample. In addition, isothermal treatment at 4°C leads to a peak time value (t_max = 4°C), which was ~12 min longer than in bulk fat. The evolution of viscoelastic properties under cooling and re-heating reflected not only contribution of crystalline fat in the emulsion during the ageing step at 4°C, but also a contribution of gelatine which was added for structuration of the aqueous continuous phase. The coupling with DSC of time-resolved synchrotron X-ray diffraction at both small and wide angles, showed that fat crystallization behave differently under cooling and re-heating: under cooling we observed (subα) → α polymorphic transition, and α→ β’ during the re-heating scan. Finally, separation of proton relaxation between aqueous and fat phases observed by low field nuclear magnetic resonance revealed that crystalline fat formed at 4°C is much more affected by the presence of emulsifiers than by emulsification.

Results obtained using different approches were presented, in regards with their potentiality to give complementary information on emulsion structural properties.

Keywords

emulsion, fat crystallisation, isothermal DSC, DSC-XRD, NMR, rheology.

1. Laboratoire de Biophysique des Matériaux Alimentaires – UMR SCALE 1211 (CNAM, ENSIA, INRA) – 1, avenue des Olympiades – F-91744 Massy cedex – France.

2. Laboratoire de Technologie des Équipements Agroalimentaires – CEMAGREF – 17, av. de Cucillé – CS 64427 – F-35044 Rennes cedex – France.

3. Laboratoire de Physico-Chimie des Systèmes Polyphasés – UMR 8612 du CNRS – Université Paris- Sud – 5, rue J-B.-Clément – F-92296 Châtenay-Malabry cedex – France.

* correspondance : relkin@ensia.fr

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RÉSUMÉ

Nous avons utilisé différentes techniques physiques pour la caractérisation structurale d’une émulsion de matière grasse laitière (MGL), dont nous avons évalué les paramètres de stabilité physique (distribution de taille des globules gras, fraction de protéines adsor- bées à la phase grasse). Les signaux obtenus en microcalorimétrie différentielle (MCD) ont montré que ∆T, différence entre la température de début de cristallisation et celle de fin de fusion de la MGL, ainsi que t_max (4 °C), temps nécessaire à l’observation du pic de cristallisation à 4 °C, sont supérieurs de près de 10 °C et 12 min, respectivement, pour la MGL émulsionnée que pour la MGL non émulsionnée. L’analyse des structures cristallines par application simultanée de la MCD et de la diffraction de rayons X a montré que la MGL émulsionnée cristallise sous forme α (après un très bref début de cristallisation sous forme subα) puis se maintient sous cette variété instable jusqu’à ce que celle-ci se transforme en variété β’ lors du chauffage. Des essais rhéologiques en mode dynamique ont mis en évi- dence une faible contribution de la cristallisation des globules gras à la consistance de l’émulsion pendant la maturation à 4 °C. Celle-ci s’ajoute à celle de la gélatine contenue dans la phase continue, en cours de chauffage ou refroidissement. Enfin, la séparation des signaux de relaxation du proton de l’eau et de la matière grasse observés par résonance magnétique, a indiqué que la fraction de la matière grasse cristallisée à 4 °C semble être davantage modifiée par la présence de tensio-actifs, que par l’état dispersé des globules gras. Ces résultats sont présentés et discutés en fonction de la potentialité des différentes techniques utilisées pour la catactérisation structurale des émulsions.

Mots clés

émulsion, matière grasse, cristallisation, MCD, MCD-DRX, RMN, rhéologie.

1 – INTRODUCTION

Les propriétés de stabilité physique des émulsions huile-dans-eau dépendent d’un grand nombre de paramètres. Citons ceux liés à la physico-chimie des ingrédients (origine et fraction volumique de la matière grasse, structure et concentration des molécules tensio-actives ou des macromolécules utilisées pour augmenter la viscosité de la phase aqueuse), et des traitements thermomécaniques appliqués pendant les différentes étapes de fabrication de l’émulsion et de sa conservation (DICKINSON, 1992). De plus, certains travaux (WALSTRA et VAN BERESTEYN, 1975 ; ROUSSEAU, 2000) ont montré que l’état de cristallisation de la matière grasse joue un rôle important sur la stabilisation/déstabilisa- tion des globules gras dans des émulsions utilisées comme base pour la fabrication d’ali- ments de type « topping » ou « crème glacée ». Le comportement thermique de la matière grasse émulsionnée a été étudié, comme pour la matière grasse anhydre (cf. article précédent), à l’aide de différentes techniques physiques pouvant apporter des informations complémentaires. La résonance magnétique nucléaire, RMN permet l’étude de l’évolution de la mobilité des chaînes hydrocarbonées et de la fraction liquide-solide, sous l’effet de cycles de chauffage-refroidissement. L’analyse microcalorimétrique diffé- rentielle (MCD) permet la détermination des paramètres thermodynamiques et cinétiques de transitions d’état (fusion, cristallisation) et des caractéristiques d’autres transformations de structures (polymorphismes) dans des domaines très larges de température (entre – 60 °C et 80 °C) où les phases aqueuses et grasses peuvent subir des transformations induites par la chaleur (RELKIN, 2004). Le couplage de la diffraction des rayons X- MCD permet de caractériser simultanément les propriétés thermiques et structurales des matériaux sur un seul et même échantillon de petit volume pendant un balayage en tem- pérature ou en isotherme. D’un point de vue pratique, l’appareil surnommé MICROCALIX, permet en utilisant le rayonnement synchrotron d’étudier les évolutions des structures et des propriétés thermodynamiques d’un seul et même échantillon d’émulsion de petit volume (20 à 30 µL environ) entre – 8 °C et + 60 °C à des vitesses de balayage choisies entre 0,5 et 5 °C.min^-1 avec une très grande sensibilité dans les deux techniques (KELLER

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et al., 1998 ; K^ALNINet al., 2002). La rhéologie réalisée en mode dynamique permet de suivre de façon l’évolution de la consistance d’une matrice émulsionnée, en fonction de la température. Comparés aux résultats obtenus par MCD, seule ou combinée à la DRX, les évolutions des modules obtenus en fonction de la température permettent d’évaluer la contribution ou fusion du réseau de globules gras aux modifications de propriétés rhéolo- giques de l’émulsion (MICHON et al. 2003).

Dans les travaux antérieurs, l’étude de la matière grasse émulsionnée par application de techniques physiques a porté sur des systèmes le plus souvent mal définis, au niveau de la composition ou des histoires thermo-mécaniques appliquées, rendant difficile leur utilisation. Dans d’autres cas, les conditions expérimentales ont été détaillées, mais bien souvent elles diffèrent d’une étude à l’autre rendant la comparaison des résultats difficile.

Dans la présente étude, nous nous sommes focalisés sur une émulsion dont les paramè- tres procédés de fabrication (nature et concentration des ingrédients, traitements thermo- mécaniques) sont définis. Quelques caractéristiques physico-chimiques de stabilité physique (proportion de protéine déplaçable de l’interface, et distribution de taille de particu- les) ont été évaluées expérimentalement. Par une démarche qui consiste à appliquer (séparément ou simultanément) différentes techniques physiques à un même système dispersé, nous avons tenté de collecter des informations concernant l’influence du para- mètre « température » sur l’évolution des structures de la matière grasse laitière dans une émulsion destinée à servir de base pour la fabrication d’une crème laitière fouettée et son influence sur la texture du produit.

2 – MATÉRIELS ET MÉTHODES

2.1 Préparation des émulsions

Les ingrédients utilisés pour la fabrication de l’émulsion sont ceux qui nous ont été fournis par les industriels associés au programme. Ils sont indiqués, avec leur proportion dans le tableau 1. Pour la fabrication de l’émulsion, nous avons procédé en 3 étapes prin- cipales au cours desquelles tous les mélanges sont effectués sous agitation douce dans un bain-marie à 70 °C. La veille de la préparation de l’émulsion, la poudre de lait écrémé (PLE) et 30 % du sucre sont solubilisés dans l’eau distillée (Milli-Q). Après une nuit à 4 °C, la solution est chauffée à 70 °C, avant addition de la gélatine et du reste de sucre. L’ester lactique de mono-diglycérides d’acides gras (E472b) est ensuite ajouté à la matière grasse laitière anhydre (MGLA) laquelle a été préalablement fondue.

Tous les ingrédients mélangés sont ensuite homogénéisés sous pression (110 bar) à l’aide d’un équipement fourni par APV Gaulin, Évreux-France, puis pasteurisés (85 °C- 10 min). L’émulsion est ensuite refroidie à température ambiante, puis conservée 4 °C pendant une nuit avant le début des caractérisations par différentes techniques.

Tableau 1

Composition et origine des ingrédients utilisés pour la fabrication de l’émulsion.

Table 1

Compositon and origin of the ingredients used to prepare the emulsion.

Ingrédients % p/p Origine

Matière grasse laitière anhydre Sucre

Poudre de lait écrémée Gélatine

Émulsifiant Eau (qsq)

20,00 15,00 6,50 0,50 0,35 100,00

MGLA-Lactalis Béghin-Say

PLE-medium heat, Lactalis Lot LH60-Rhodia-Food E472b-Degussa

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2.2 Caractérisation physico-chimique

La stabilité de l’émulsion vis-à-vis des mécanismes de floculation-coalescence des globules gras est évaluée en mesurant la distribution de taille de globules gras par diffraction laser (Master Sizer, MS 1000, Malvern-Instruments, Orsay). L’émulsion est diluée dans l’eau distillée ou dans une solution de dodécylsulfate de sodium (SDS) à 1 %. La mesure est effectuée à l’aide de la focale 100 et le facteur de présentation choisi est 0806. La proportion de protéines déplaçables de l’interface eau-huile est évaluée à partir de la proportion de protéines totales dans la phase aqueuse, obtenue après centrifugation de l’émulsion (10 000 g pendant 1 h) et dosage d’azote total par la méthode Kjeldahl.

2.3 Comportement thermique de la matière grasse émulsionnée

Pour la caractérisation du comportement structural en fonction du couple temps-tem- pérature, nous avons mis en œuvre les techniques décrites dans l’article précédant de cette revue (la MCD, seule en mode balayage ou en isotherme ; ou simultanément avec la DRX, la RMN du proton ; et un essai rhéologique en mode dynamique). Pour tous ces essais le comportement thermique de la matière grasse émulsionnée, a été étudié dans un domaine de température où seule la phase grasse est susceptible de cristalliser. Pour les essais en MCD (RELKIN et al., 2003), nous avons utilisé le microcalorimètre haute sen- sibilité µDSC-III (Setaram-Calluire-France) en mode balayage pour des cycles de chauffage-refroidissement-rechauffage (0,5 °C.min^-1), à partir d’émulsions qui ont été conservées à 4 °C, pendant plusieurs jours. L’émulsion (~ 0,1 mL) est prélevée et encap- sulée, en sortie de chambre froide et immédiatement soumise au programme de chauffage dans le microcalorimètre qui a été préalablement réglé à 4 °C. Dans une autre expérience, nous avons utilisé le microcalorimètre en mode isotherme pour l’évaluation de l’état de cristallisation de la matière grasse en cours de vieillissement à 4 °C.

L’identification de l’état physique et du polymorphisme des TG sous l’effet du couple temps-température a été réalisée, simultanément sur le même échantillon, par diffraction de rayons X couplée à la MCD, (KELLERet al., 1998). Comme dans les essais en MCD seule, l’émulsion a été introduite à sa température de conservation (e.g. 4 °C). Le calori- mètre et la ligne synchrotron (D24 de LURE) utilisée sont décrits dans l’article précédent et les références qui y sont citées.

Les mesures RMN ont été réalisées avec un Minispec mq 20 (Bruker) équipé d’un aimant permanent de 0,47 T opérant à une fréquence de 20 MHz pour les protons.

(MARIETTE et al., 1996). Un circuit de refroidissement (BVT3000) permet d’ajuster la tem- pérature de l’échantillon à 4 °C. Les tubes utilisés ont un diamètre externe de 1 cm (0,8 cm en diamètre interne) et sont remplis sur une hauteur de 1 cm. En RMN, deux types de temps de relaxation sont accessibles de façon sélective, le temps de relaxation spin-spin (T₂) qui décrit un déphasage entre les spins nucléaires, et le temps de relaxation spin-réseau (T₁) qui correspond à une dissipation de l’énergie accumulée par les spins au sein de la matrice. La relaxation spin-spin est généralement exploitée pour étu- dier des mobilités moléculaires rapides. En effet quand la mobilité rotationnelle des molé- cules est réduite, en particulier en milieu cristallisé, le temps de relaxation spin-spin n’est plus exploitable. Par opposition, le temps de relaxation spin-réseau est très sensible à des variations de mobilité dans des systèmes cristallisés. Pour l’étude des structures dans une émulsion, nous décrirons la relaxation spin-spin qui est surtout utilisée pour déterminer la proportion de phase cristalline, puis la relaxation spin-réseau pour mettre en évidence des différences de mobilité au sein de ces cristaux. Les mesures RMN résul- tent de la moyenne de trois mesures indépendantes du même échantillon qui a été main- tenu à 4 °C pendant 24 h. La méthodologie appliquée pour la détermination du taux de solide dans les émulsions est décrite dans l’article précédent et les références qui y sont citées (MARIETTE et al. 2005).

L’évolution des propriétés rhéologiques, sous l’effet d’histoires thermiques différen- tes, est mesurée à l’aide du viscoélasticimètre compressionnel CP20 (TA-Instrument) muni d’une géométrie plan-plan (R = 4 cm). Cet équipement permet la caractérisation de propriétés visco-élastiques à l’aide de tests harmoniques sous contrainte uni-axiale

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engendrant une déformation radiale. Les échantillons (6 g environ) subissent des cycles de chauffage-refroidissement entre 50 °C et 4 °C, à 1 °C.min^-1 ou des isothermes à 4 °C (après refroidissement à 10 °C.min^-1 ou 1 °C.min^-1). Les modules conservatif (G’) et dissi- patif (G”) sont régulièrement mesurés à 1 rad.s^-1 avec une amplitude maximum de force fixée à 0,15 N (M^ICHON et al., 2003).

3 – RÉSULTATS ET DISCUSSION

3.1 Caractérisation physico-chimique de l’émulsion

Les échantillons, qui ont été caractérisés par DSC en mode isotherme et balayage, DRX-MCD simultanées et par rhéologie, provenaient d’une émulsion fabriquée selon le protocole décrit ci-dessus. La proportion de protéine totale déterminée dans la phase aqueuse (séparation de la phase grasse par centrifugation) était de l’ordre de 60 %. La distribution de taille de globules gras (figure 1), déterminée sur la période de conservation (4 à 5 semaines à 4 °C) présentait des valeurs médianes (D_0,5) égales à 3,1 ± 0,6 µm (observation dans l’eau) et 1,9 ± 0,2 µm (observation dans la solution de SDS). Cette diminution de plus 30 % de D_0,5, suite à la dilution dans la solution de SDS est observée dès le premier jour, sans modification importante au cours de la conservation à 4 °C. Elle pourrait être le signe d’une déstabilisation de l’émulsion par un mécanisme de floculation par déplétion, justifiée par la présence dans la phase aqueuse de plus de 60 % des pro- téines (SOURDET et al., 2002). Pour la suite des caractérisations, le flacon contenant l’émulsion est mis à température ambiante, puis retourné 3 ou 4 fois avant prélèvement.

Eau SDS

Taille, µm

% volume

7 6 5 4 3 2 1 0

0,1 1 10 100

Figure 1

Distribution de taille de globules gras dans l’émulsion dispersée dans l’eau distillée ou dans une solution de SDS.

Fat droplet size distribution in the emulsion, after dilution in distilled water or in SDS solution.

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3.2 Comportement calorimétrique

Le comportement de la matière grasse émulsionnée, au cours d’un cycle de refroidissement et re-chauffage de 50 °C à – 10 °C (0,5 °C.min^-1) est suivi par MCD en mode balayage et en mode isotherme. Les thermogrammes représentés en figure 2 indiquent que les transformations de structure et d’état de la MGL émulsionnée, traduites par des pics endothermiques ou exothermiques ont lieu dans un domaine assez large de tempé- rature. Dans les conditions appliquées, la cristallisation à partir d’un échantillon préalable- ment fondu à 50 °C (figure 2a), commence vers T_seuil = 16 °C. Le thermogramme de fusion (figure 2b) enregistré juste après le refroidissement contrôlé entre 50 et – 10 °C, indique une température de fin de fusion, T_fin~ 38 °C. Nous remarquons dans ce cas, la présence de 3 pics bien discernables avec, néanmoins, deux pics dominant s’étalant entre 0 et 20 °C, et T_pic ~ 14 °C (TG à moyen point de fusion), et entre 25 et 38 °C (TG à haut point de fusion). Le degré de sur-refroidissement évalué à partir de ∆T= T_fin-T_seuil, température de fin de fusion et de début de cristallisation est de l’ordre de 22 °C. Cette valeur importante de ∆T est due à l’état dispersé de la matière grasse. Ce résultat est conforme aux travaux antérieurs, menés sur des matières grasses laitières (WALSTRA et VAN BERESTEYN, 1975 ; LOPEZ et al., 2002) ou végétales (RELKIN et al., 2002). Nous avons montré précédemment que ∆T peut être modifiée par l’état structural des protéines adsorbées à la surface des globules gras (RELKIN et al., 2003 ; RELKIN, 2004), impliquant un effet sur les mécanismes d’induction, de nucléation ou de croissance des cristaux, non seulement de l’état dispersé de la matière grasse mais aussi de molécules adsorbées à la surface des globules gras. L’émulsion qui est soumise à un programme de chauffage après conservation à 4 °C pendant plusieurs jours, présente un signal MCD (figure 2c) faisant apparaître un pic de fusion à T_pic ~ 20,7 °C plus important que dans le cas de la fusion (figure 2b) réalisée juste après la cristallisation par refroidissement de 50 °C à – 10 °C (figure 2a). Cette modification du signal MCD, suite au vieillissement de l’émulsion à 4 °C, pourrait traduire des transformations polymorphiques de certains TG, suivies de leur fusion dans un intervalle de température correspondant à celle de la fusion de TG à moyen point de fusion.

(c)

(a) (b)

Température, °C

0 10 20 30 40

Heat flow, mW

Figure 2

Thermogrammes (0,5 °C.min^-1) obtenus à partir de l’émulsion, par refroidissement (a) et chauffage (b) à, puis chauffage après conservation à 4 °C pendant plusieurs jours (c).

Thermogrammes (0,5 °C.min^-1) obtained from the emulsion under cooling (a) and re-heating (b), then re-heating after storage at 4°C for several days (c).

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La cristallisation de la matière grasse pendant l’isotherme à 4 ˚C, se manifeste par un exotherme légèrement dissymétrique et présentant un maximum à t_max~ 32,5 min (figure 3). Les courbes de cette figure, correspondent à la cristallisation de la MGL anhydre (cf. article précédent) et émulsionnée, dont le comportement semble nettement diffé- rent pour des histoires thermiques semblables. Nous remarquons dans cet exemple que le pic est plus étroit et que le flux de puissance présente un maximum au bout d’un temps plus court (21 min) pour la MGL anhydre que pour l’émulsion (32,6 min), indiquant que la cinétique de cristallisation de la matière grasse est plus lente lorsqu’elle est dans un état dispersé, et qu’elle subit très probablement des transformations polymorphiques différentes (LOPEZ et al., 2002 ; WALSTRA et VAN BERESTEYN, 1975).

3.3 Comportement polymorphique

Le couplage de la microcalorimétrie différentielle et de la DRX permet de caractériser simultanément sur un même échantillon les évolutions des propriétés structurales en fonction de la température. La figure 4 représente l’évolution en 3D des pics de diffraction observés aux très petits angles (grandes distances) sur la ligne SAXS (D24) du synchrotron LURE (Orsay, France) lors du refroidissement à – 10 °C et du chauffage de – 10 °C à 60 °C d’un échantillon de MGL émulsionnée du même lot que celui décrit précédement.

Lors de la cristallisation rapide (5 °C.min^-1) la MGL émulsionnée cristallise sous forme α (après un très bref début de cristallisation sous forme subα) puis se maintient sous cette variété instable jusqu’à ce que celle-ci se transforme en variété β’ lors du chauffage. La variété α qui est caractérisée par une période de 72 Å (q = 0,08 Å^-1, quatre ordres sont clairement visibles sur la figure) correspond à un empilement des chaînes de type 3L (trois longueurs de chaînes), (LOPEZ et al., 2002). Dans cet arrangement, les chaînes des acides gras sont verticales et perpendiculaires au plan des strates. Cette variété métasta- ble va se transformer au cours du temps ou au cours du chauffage, dans l’exemple qui est présenté ici, en variété plus stable de période 42 Å. Cette variété de type 2L (les deux premiers ordres sont visibles) résulte aussi de la formation de cristaux mixtes c’est-à-dire formés avec des molécules de types différents, mais ici les chaînes hydrocarbonées sont

(a)

(b)

Temps

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Exothermic heat flux, mW

Figure 3

Isothermes de cristallisation à 4 °C de la matière grasse anhydre (a) et émulsionnée (b).

Isothermal crystallisation observed at 4°C from anhydrous (a) and emulsified (b) milk fat.

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rangées inclinées par rapport au plan des strates (l’arrangement 2Lα donnerait une période voisine de 48 Å , soit 2/3 de 72 Å). Bien que cela ne soit pas l’objet de ce travail, nous pouvons faire remarquer que si la caractérisation des émulsions est encore aisé- ment réalisée aux vitesses les plus rapides avec un synchrotron de 2^e génération, celle des mousses à ces vitesses requiert des flux de photons X qui ne sont accessibles que sur des synchrotrons de 3^e génération (KALNIN et al., 2002).

3.4 Taux de solide et relaxation spin-spin

Les résultats de l’ajustement de la relaxation transversale pour l’émulsion à 20 % de MGLA et pour la MGLA + E472b sont donnés dans le tableau 2. Le temps de relaxation T₂₁ décrit la relaxation de la matière grasse qui a cristallisé après conservation à 4 °C pendant 24 h. Nous observons dans ce cas, que les temps de relaxation sont identiques entre l’émulsion et la MGLA. La différence d’amplitude relative est expliquée par la diffé- rence de concentration en matière grasse entre les deux échantillons. La composante de relaxation T₂₂ est différente entre la MGLA et l’émulsion. Le temps de relaxation est dou- blé et tend vers un comportement dit « liquide ». Cette composante a déjà été décrite

0,0

(1)42Å (2) (3)

(5)

Int. (cts)

72Å

0,2 0,4

q (Å^-1)

0,6 0,8

60

– 10 10 min – 10

5°C/min 5°C/min

60 10⁷

10⁶

10⁵

10⁴

10³

Figure 4

Représentation en 3D de l’évolution des diagrammes de diffraction observés aux très petits angles lors du refroidissement de 60 à – 10 °C, du maintien 10 minutes à – 10 °C et du chauffage de – 10 °C à 60 °C d’un échantillon de MGLA émulsionnée.

Les raies observées correspondent aux périodes (Å) et aux ordres indiqués sur la figure.

3D representation of small angle X-ray diffraction patterns observed during cooling and re-heating (60 to – 10°C) of milk fat-in-water emulsion. The rays were observed

at periods and orders indicated in the figure.

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dans la littérature, mais sans explication validée (cf. article 4). Le temps de relaxation T₂₃= 17,0 ms dans le cas de l’émulsion décrit la relaxation de la matière grasse liquide.

Pour la MGLA + E472b, la relaxation de cette fraction est décrite par deux temps de relaxation T₂₃= 10,8 et T₂₄= 33,6 ms. Ce changement de modèle d’ajustement s’expli- que par la teneur en matière grasse. En effet la teneur en matière grasse dans l’émulsion n’étant que de 20 %, l’amplitude du signal est trop faible pour être décrite par deux temps de relaxation, et un comportement moyen est alors observé. Par ailleurs, il a été montré que le comportement bi-exponentiel de la relaxation liquide de la MGLA résultait en fait d’une distribution large des temps de relaxation (M^ARIETTE et al., 2005). Qui après ajustement donne accès à la teneur en matière grasse. Enfin, le temps de relaxation T₂₄ de l’émulsion correspond à la relaxation de la phase aqueuse. Ainsi sur la base de cette décomposition multi-exponentielle, il est possible de séparer la relaxation des protons de l’eau de la relaxation des protons de la matière grasse, et d’en déduire la fraction cristalli- sée. Cette fraction peut être estimée à partir du ratio dans le cas de l’émulsion et directement à partir de A₁ dans le cas de la matière grasse anhydre. La fraction cristallisée après 24 h à 4 °C, est donc proche de 45,4 % pour la MGLA + E472 et 51,3 % dans l’émulsion. Les écarts sont faibles et démontrent que le taux de solide serait peu affecté par l’état de dispersion.

Tableau 2

Temps de relaxation T₂ et amplitude relative des signaux de l’émulsion de MGLA, et de la MGLA + E472b.

Table 2

Relaxation time T₂ and relative amplitude of signals observed from emulsified and bulk anhydrous milk fat samples in presence of emulsifier E472b.

La distribution des temps de relaxation de la fraction cristallisée au sein de l’émulsion et de la MGLA + E472b est décrite par la figure 5. Les distributions sont parfaitement répétables dans le cas de la matière grasse anhydre. Par contre, la variation entre les deux répétitions est plus élevée dans le cas de l’émulsion. Ceci résulte de la différence d’intensité du signal du fait de la diminution de la teneur en matière grasse et donc d’une dégradation du rapport signal sur bruit. Le résultat de l’ajustement des signaux devient plus instable. Aussi, statistiquement, aucune différence n’est observée entre l’échantillon anhydre et l’échantillon émulsionné. Cette observation est cohérente avec l’influence des tensioactifs sur la relaxation de la matière grasse en milieu anhydre (article 4). En effet, nous avons montré que la présence de tensioactifs induisait une diminution de la relaxation des triglycérides. Cette diminution a été rapprochée d’une augmentation de la mobi- lité locale des protons. Dans le cas des émulsions, l’interface des gouttelettes de matière grasse est peuplée de tensioactifs et de protéines en nombre très probablement plus fai-

Émulsion MGLA + E472b

T₂₁ (ms) 0,027 (± 0,004) 0,024 (± 0,004)

A₁ (%) 11,7 (± 0,4) 45,4 (± 0,4)

a 125 (± 2) 109 (± 2)

T₂₂ (ms) 0,120 (± 0,01) 0,061 (± 0,001)

A₂ (%) 3,4 (± 0,2) 16,9 (± 0,3)

T₂₃ (ms) 17,0 (± 0,2) 10,8 (± 0,2)

A₃ (%) 7,7 (± 0,1) 17,5 (± 0,2)

T₂₄ (ms) 177,0 (± 0,8) 33,6 (± 0,8)

A₄ (%) 77,2 (± 0,3) 20,2 (± 0,5)

A₁

(

A₁₊A₂₊A₃

)

(10)

ble. Ainsi, les tensioactifs ayant l’effet le plus significatif sur la relaxation, aucune modification n’est détectée entre une émulsion et le mélange de matière grasse et de tensioactifs. Ainsi, nous observons dans cette étude que la RMN n’apporte pas d’information supplémentaire sur la quantité et la structure des cristaux, en systèmes émulsion- nés. Des effets plus importants peuvent être observés dans des milieux plus simples chimiquement tels que des émulsions de stéarine pouvant montrer l’intérêt de la RMN pour fournir simultanément des données sur la quantité et sur la structure de cristaux.

3.5 Comportement rhéologique

Les essais rhéologiques en régime harmonique, effectués en cours de cycles de refroidissement-chauffage à 1 °C.min^-1, nous renseignent sur l’évolution des modules élastiques (G’) et dissipatifs (G’’) parallèlement aux modifications structurales de la phase continue et du réseau de globules gras. Dans notre exemple, l’émulsion contient 0,5 % de gélatine, protéine bien connue pour ses propriétés thermo-gélifiantes (MICHON et al., 1997). Les courbes représentées en figure 6a montrent que les propriétés rhéologiques de l’émulsion en cours de refroidissement évoluent peu jusqu’à 25 °C, puis augmentent rapidement. Une variation des modules G’ et G’’ est observée également dans une émul- sion similaire ne contenant pas de gélatine (résultats non montrés), avec la différence que en présence de gélatine le module G’ atteint à 4 °C est deux fois plus élevé. Ceci indique une contribution des zones de jonction de la gélatine qui se forment entre 25 et 4 °C, phénomène déjà largement décrit dans la littérature (MICHON et al., 1997), mais également d’une petite contribution des modifications structurales des gouttelettes de matière grasse en cours de refroidissement, à moins que l’application d’un cycle thermique ne déstabilise l’émulsion par coalescence partielle (BOODE et WALSTRA, 1991). Nous remarquons de plus que les niveaux des modules G’ et G’’, enregistrés après 16 heures de maturation à 4 °C (figure 6b) sont plus élevés (8 et 2,5 Pa, respectivement) qu’après un refroidissement contrôlé (figure 6a) de 50 à 4 °C à 1 °C.min^-1 (2,5 et 1,4 Pa, respectivement). Au cours de la maturation, la matière grasse continue de cristalliser comme décrit plus haut (figure 2c), et la gélatine continue également de s’organiser pour former un gel

T₁ (ms)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000

Intensity (UA)

0,100 0,090 0,080

0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 0 0,070

Figure 5

Distribution des temps de relaxation T₁ de la fraction cristallisée de la matière grasse au sein de l’émulsion à 20 % (---) et de la MGLA + E472b (deux répétitions).

Relaxation time distribution T₁ of crystalline fat fraction in emulsified (---), and bulk fat + E 472b samples (two independent measurements).

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(réseau tridimensionnel élastique) contribuant à la structuration de la phase continue. Le niveau de G’ atteint après 16 h de maturation à 4 °C pour l’émulsion contenant de la gélatine est bien supérieur à celui d’une émulsion n’en contenant pas. C’est donc le réseau formé par la gélatine dans la phase continue aqueuse qui domine le comportement rhéologique de l’émulsion. Lors d’une augmentation de la température (figure 6b) les modules G’ et G’’ diminuent rapidement entre 4 et 25 °C, phénomène lié à la fusion du réseau gélatine dominant mais également de la matière grasse plus ou moins coales- cée. Le léger épaulement visible entre 25 et 35 °C, gamme de température dans laquelle le réseau de gélatine est déjà fondu alors que la matière grasse contient encore une faible proportion de cristaux, comme indiqué précédemment (figures 2 et 3).

G’

G’’

G’, G’’ (Pa)

Température (°C)

0 10 20 30 40 50

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

G’

G’’

G’, G’’ (Pa)

Température (°C)

0 10 20 30 40 50

8 7 6 5 4 3 2 1 0

(6a)

(6b)

Figure 6

Variation des modules G’ et G’’ enregistrés au cours du refroidissement (a) et de la chauffe (b) réalisées à 1 °C.min^-1à partir de la MGL émulsionnée.

Amplitude maximum de force : 0,15 N.

G’ and G’’variations under cooling (a) and re-heating cycles (1°C.min^-1) of milk fat-in-water emulsion. Maximum amplitude force (0.15 N).

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4 – CONCLUSION

Les techniques calorimétriques (mode isotherme et mode balayage) ont montré que la cristallisation de la matière grasse laitière est affectée par l’état émulsionné (tempéra- ture de début de cristallisation plus faible et temps pour l’observation du pic de cristallisation plus élevé que dans le cas d’une MGL anhydre). De plus, nous avons observé que la forme des signaux de MCD est modifiée par l’histoire thermique de l’émulsion. Son vieillissement à 4 °C, fait apparaître une augmentation sensible de l’intensité du pic de fusion des triacyglycérols à moyen point de fusion. Cette évolution résulte de transformations polymorphiques mises en évidence par microcalorimétrie différentielle et identifiées à l’aide du couplage de la diffraction des rayons X (rayonnement synchrotron) et de la microcalorimétrie différentielle. Ce couplage permet la caractérisation physique simulta- née des propriétés thermiques et structurales des matériaux sur un seul et même échan- tillon pendant un balayage en température ou en isotherme. L’application de la RMN du proton à l’étude de la cristallisation de la matière grasse émulsionnée se complique du fait de la nécessiter de séparer la relaxation des protons de l’eau de celle des protons de la matière grasse. Néanmoins, un traitement mathématique de décomposition multi- exponentielle des signaux permet de réaliser cette séparation, et d’en déduire la fraction de matière grasse cristalline. Les résultats obtenus à partir de deux répétitions ont montré des écarts faibles entre la fraction cristallisée dans la MGLA en présence de l’émulsifiant E472 (45,4 %) et celle dans l’émulsion (51,3 %), démontrant ainsi que le taux de solide évalué par RMN ne serait pas affecté par l’état de dispersion de la matière grasse.

L’application de la rhéologie en mode dynamique a également apporté des informations nouvelles, en montrant la contribution du réseau cristallin aux évolutions de la consistance de l’émulsion en fonction de la température. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour conclure quant à la pertinence ou non de combiner différentes techniques faisant appel à des propriétés différentes de la matière, en vue d’une meilleure com- préhension des mécanismes qui gèrent la stabilité-instabilité des systèmes dispersés.

5 – REMERCIEMENTS

Les auteurs remercient C. Bourgaux pour l’aide apportée à la réalisation des expé- riences de diffraction de rayons X sur le banc D24 du LURE (Orsay). Ce travail a été financé par le ministère de l’Éducation Nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche, dans le cadre du Programme CANAL : Stabilité des émulsions, des suspen- sions et des systèmes colloïdaux aérés (SEA) du réseau technologique RARE.

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