Séchage-texturation des fraises par le procédé de Détente Instantanée Contrôlée couplé
au séchage par convection. Optimisation à l’aide de la méthodologie des plans d’expériences
Armelle NOUVIAIRE *, Nicolas LOUKA, Sid-Ahmed REZZOUG, Karim ALLAF
SUMMARY Drying and texturation of strawberry by Controlled Instantaneous Pressure Drop and air drying.
To obtain new dehydrated products (dried and crisp products) for varied appli- cations in confectionery or instant foods, the texturation process by Controlled Instantaneous pressure Drop (DIC) has been applied to strawberries drying.
This operation is based on mechanical effect and heating treatment in three steps. Firstly, products are air dried until a precise moisture content. Then, they are submitted to heating under high pressure followed by a quasi-instanta- neous pressure drop into vacuum causing their puffing and texturation by par- tial self-vaporization of water. Finally, air drying brings products to a low moisture content. The quality of final products is quantified as to the structure (expansion rate), the aptitude to the technology (reduction of final stage of drying) and the functional properties (speed and capacity of rehydration).
Effects of three DIC operating parameters (treatment pressure, treatment time and product moisture content) have been analysed by experimental design.
The results of this statistical study will help to find an optimal combination of these operating parameters for strawberries drying and texturation.
Key-words: drying, texturation, strawberry, vacuum, pressure drop, DIC.
RÉSUMÉ
Afin d’obtenir de nouveaux types de produits déshydratés (produits secs et croustillants) pour des applications diverses en pâtisserie ou en préparations instantanées, le procédé de texturation par Détente Instantanée Contrôlée (DIC) couplé au séchage par convection a été appliqué à des fraises. L’en- semble du process se décompose en trois étapes. Une première étape de pré- séchage par convection amène le produit à une teneur en eau fixée. La deuxième étape, celle de texturation, consiste en un chauffage sous pression de vapeur suivi d’une détente quasi-instantanée vers le vide provoquant un SCIENCES DES ALIMENTS, 21(2001) 177-192
Laboratoire LMTAI, Université de La Rochelle, Pôle sciences, avenue Marillac, 17042 La Rochelle cedex 01, France.
* Correspondance.
refroidissement et une éventuelle expansion du produit par auto-vaporisation d’une partie de son eau. Enfin, une dernière étape de post-séchage par convection amène le produit à une teneur en eau relativement faible. La qualité du produit obtenu est quantifiée au plan de sa structure (taux d’expansion), de son aptitude technologique (réduction de la durée du post-séchage) et de sa fonctionnalité (capacité et vitesse de réhydratation). L’influence des conditions opératoires du procédé DIC a été déterminée par la méthodologie des plans d’expériences. Trois paramètres du procédé ont été retenus pour l’étude : la pression de traitement, la durée de traitement et la teneur en eau des fraises avant le traitement. Les résultats obtenus permettent de quantifier l’importance de ces paramètres et de définir une zone opératoire optimale au traitement des fraises.
Mots clés : séchage, texturation, fraise, vide, détente, DIC.
1 - INTRODUCTION
Le séchage par convection, de par sa simplicité technique et son faible coût énergétique, est largement utilisé dans l’industrie agroalimentaire. Cependant, tout particulièrement dans le cas des produits en morceaux, ce procédé pré- sente des inconvénients liés principalement à la perte de qualité induite par des déformations (phénomènes de retrait). Les phénomènes de transfert au sein du produit (diffusion de l’eau) se ralentissent alors considérablement, provoquant une dégradation thermique, une perte d’arômes, une destruction des vitamines, une réhydratation lente…
À l’opposé, le procédé de lyophilisation permet d’obtenir des produits séchés de grande porosité généralement bien répartie au sein du produit (KARA- THANOS, 1996). Le produit lyophilisé est ainsi facilement réhydratable et ne subit pas de dégradation thermique. Malgré une qualité largement supérieure à celle du séchage par air chaud, la lyophilisation présente quelques inconvénients : risques de perte d’arômes et de composés légers, de détérioration des pig- ments de certains produits chlorophylliens (RENE, 1998). Par ailleurs, la mise en œuvre industrielle de la lyophilisation implique une durée de traitement impor- tante, des coûts d’équipements et énergétiques très élevés, une flexibilité réduite d’où une faible productivité. ROUX(1994) estime en effet que les coûts de lyophilisation sont quatre fois supérieurs à ceux du séchage par convection pour une même quantité d’eau éliminée. Pour ces raisons, la lyophilisation reste limitée au séchage de produits à haute valeur ajoutée.
Dans le but de remédier à la dégradation de la structure des produits séchés par air chaud et d’améliorer leur qualité, un troisième procédé a été proposé : le
« puffing » (HEILAND, 1965). Ce procédé consiste à effectuer au cours du séchage par convection, un traitement à moyenne pression suivi d’une détente vers la pression atmosphérique en vue de créer une certaine expansion du pro- duit. SULLIVAN(1984) passe en revue l’évolution de ce procédé, des études en laboratoire vers son développement industriel, aboutissant à un traitement continu (CEPS). Le « puffing » a été testé sur plusieurs produits (champignons, oignons, fraises…) pour lesquels les conditions opératoires ont été optimisées (KOZEMPEL, 1989).
D’autres procédés de séchage ont été plus récemment étudiés, parmi les- quels celui développé par LAGUARRIGUE(1988) et appliqué sur les pommes en morceaux. Il s’agit d’un procédé d’expansion-explosion des produits par chauf- fage micro-ondes suivi d’une détente vers une pression réduite. Les pommes traitées sont ensuite séchées par convection avec un gain de temps significatif.
En 1990, KOMPANY(1990) a étudié un nouveau procédé de déshydratation.
Basé sur un séchage sous vide après congélation du produit, il comprend sur- tout un prétraitement de blanchiment à la vapeur suivi d’une détente vers une pression de vide (30 mbar). Les essais effectués sur des légumes montrent une amélioration de leur réhydratabilité suite à ce prétraitement.
Le procédé présenté ci-dessous associe le séchage par convection à la tex- turation du produit par Détente (passage d’une pression moyenne à une pres- sion de vide) « Instantanée » (inférieure à 2/10 de secondes) Contrôlée (paramètres opératoires régulés) ou DIC. Ce procédé, étudié depuis 1988 par l’équipe du LMTAI (Laboratoire maîtrise des technologies agro-indusrielles) a été breveté en 1993 (ALLAF, 1993). Il a été ensuite appliqué industriellement à la production de légumes séchés en morceaux entrant dans la composition de soupes déshydratées. Il est actuellement en développement au Centre de trans- fert universitaire de La Rochelle (ceTU) où des réacteurs de taille industrielle permettront de réaliser des productions variées. Le coût énergétique calculé est comparable à celui du séchage par convection pour une qualité de produits nettement améliorée au niveau de la couleur, de la forme, de la rapidité de réhy- dratation ou de la croustillance (LOUKA, 1996). La demande en produits déshy- dratés se développant et se diversifiant (préparations pâtissières, muesli, mélanges apéritifs…), l’intérêt d’appliquer ce procédé au séchage d’autres types de produits s’est rapidement confirmé. Des essais de traitement sur pilotes et une optimisation des paramètres opératoires ont déjà été réalisés pour les pommes et la viande de bœuf (REZZOUG, 1998). Les résultats obtenus montrent un procédé polyvalent, susceptible d’être utilisé pour un grand nombre de produits.
Dans ce contexte, le traitement DIC couplé à la convection a alors été testé sur des fraises en morceaux, produits dont le séchage industriel est encore très limité. Après quelques essais préalables prouvant la faisabilité du traitement sur ces produits, on cherche à optimiser les conditions opératoires en utilisant prin- cipalement la méthodologie des plans d’expériences (BENOIST, 1994).
2 - MATÉRIELS ET MÉTHODES
2.1 Protocole de traitement
Les essais ont été réalisés sur des fraises fraîches en provenance d’Espagne (société Yambo Fruit), de teneur en eau initiale de 8 kg·kg–1(base sèche).
Le traitement de ces fraises par le procédé DIC/convection nécessite plu- sieurs étapes de préparation (figure 1).
Les fraises sont d’abord lavées, égouttées et découpées manuellement en tranches d’environ 2 cm d’épaisseur. Ces morceaux sont placés sur des pla-
La détente instantanée contrôlée appliquée au séchage des fraises 179
teaux en aluminium et mis en étuve à 50 °C avec un renouvellement d’air de 10 m3/h. Ils sont maintenus en étuve jusqu’à l’obtention des teneurs en eau désirées (de 0,05 à 0,2 kg·kg–1 (base sèche)). Tous ces échantillons sont ensuite conservés à 6 °C dans un emballage étanche pendant une dizaine d’heure (durée non optimisée) afin de s’assurer de l’homogénéité de la répartition de l’eau au sein du produit.
Figure 1
Étapes du traitement de séchage-texturation par le procédé de Détente Instantanée Contrôlée (DIC) couplée au séchage par convection
Steps of drying and texturation treatment by Controlled Instantaneous Pressure Drop process (DIC) coupled to hot air drying
Figure 2
Schéma de principe du réacteur DIC utilisé pour le séchage-texturation des produits (1) : chaudière ; (2) : chambre de traitement DIC ; (3) : vanne de détente ; (4) : réservoir sous-vide ; (5) : pompe à vide ; (6) : sas de récupération des condensats.
Diagrammatic layout of DIC reactor used for drying and texturation
(1): boiler; (2): DIC reactor; (3): decompression valve; (4): vacuum tank; (5): vacuum pomp; (6) condensate container
Chaque échantillon (environ 15 g) subit alors le traitement DIC dans le réac- teur pilote de laboratoire (figure 2). Le produit y subit un chauffage par pression de vapeur suivi d’une détente vers le vide (figure 3).
Dans le cas des fraises, une première étape de mise sous vide (a) est effec- tuée par connexion de la chambre de traitement (2) au réservoir à vide (4) par ouverture de la vanne de détente (3). Cette première mise sous vide permet d’améliorer le transfert ultérieur de chaleur entre le fluide caloporteur (vapeur) et le produit. Après fermeture de la vanne de détente, le réacteur est mis sous pression et sous haute température par injection de vapeur saturée (b). La pres- sion de consigne est maintenue constante (c) pendant la durée de traitement fixée. La détente vers le vide intervient par ouverture quasi-instantanée (τ
< 2/10 s) de la vanne de détente. La chute de pression dans le réacteur pro- voque alors l’auto-vaporisation d’une partie de l’eau contenue dans le produit, ce qui entraîne son refroidissement. Bien optimisée, l’opération permet par ailleurs une micro-alvéolation du produit. La vanne de détente étant maintenue ouverte (d), une légère injection d’air sous pression de vide dans la chambre de traitement permet d’accélérer le refroidissement du produit et de figer sa struc- ture. L’échantillon peut être récupéré après instauration de la pression atmo- sphérique.
Les échantillons ainsi traités sont retirés du réacteur et replacés en étuve dans les mêmes conditions que lors du préséchage (plateaux en aluminium, température de 50 °C, 10 m3/h de renouvellement d’air) jusqu’à l’obtention d’une humidité résiduelle finale de l’ordre de 0,05 kg·kg–1(base sèche).
La détente instantanée contrôlée appliquée au séchage des fraises 181
Figure 3
Variation de la pression pendant un cycle de traitement par DIC (a) : mise sous-vide ; (b) : injection de vapeur saturée ; (c) : maintien de la pression de consigne ; (d) : mise sous-vide avec injection d’air extérieur ; (P) : pression de consigne ; (Po) : pression atmosphérique ; (Pv) : pression de vide.
Pressure variation during DIC treatment cycle
(a): vaccum installation; (b): saturated steam injection; (c): treatment time; (d): vacuum with cool air injection; (P): set pressure; (Po); atmospheric pressure; (Pv): vacuum pressure.
2.2 Méthodes d’analyses
La teneur en eau des produits (W) est déterminée par la méthode de dessi- cation dans une balance infrarouge Mettler LP16. Elle est exprimée en kg·kg–1 (base sèche).
La détermination des masses volumiques de ces produits à caractère hydro- phile est effectuée par la méthode du pycnomètre à poudre (poudre de cracking de 80 µm). Le principe consiste à travailler sur un volume constant prédéter- miné que l’on remplit alternativement de poudre seule, puis de poudre avec le produit. Un tapotement mécanique régulier assure le tassement homogène de l’ensemble. La différence de masse du système et la connaissance de la masse volumique de la poudre permettent de calculer le volume occupé par les échan- tillons et d’en déduire leur masse volumique. L’erreur de mesure est de l’ordre de 2 %. Le taux d’expansion (T) est alors calculé de la façon suivante :
Avec ρ0et ρi, les masses volumiques du produit séché respectivement par simple convection et par convection/DIC.
L’évolution des teneurs en eau au cours du post-séchage est déterminée par pesées régulières du produit (balance Sartorius au 1/100e de g) au cours de son étuvage (erreur de mesure de 1 %). Les courbes de post-séchage sont déterminées jusqu’à une teneur en eau finale de 0,05 kg·kg–1(base sèche) (figure 4). Elles sont ensuite modélisées mathématiquement par le logiciel STATGRAPHICS avec le modèle empirique : Ln(W) = a + b Ln (t) dont le coeffi- cient de corrélation varie entre 0,97 et 0,99. Le gain de temps au post-séchage est calculé par rapport au produit séché non traité par DIC :
Avec t1 et t2 les durées de post-séchage du produit traité respectivement par convection/DIC et par simple convection.
L’analyse de la réhydratation est obtenue par mesure de l’évolution de la masse des échantillons trempés dans de l’eau désionisée à température ambiante (18 °C). Des pesées régulières sont ainsi réalisées avec une erreur relative de mesure voisine de 4 %. Les courbes de réhydratation sont mesurées jusqu’au palier final de l’opération correspondant à la stabilisation de la teneur en eau. La caractérisation des divers types d’évolution de la teneur en eau (figure 5) est déterminée par la vitesse initiale Vi et la capacité de réhydratation Cr :
2.3 Plan d’expériences
L’objectif est d’optimiser les conditions du traitement DIC dans le cas des fraises en analysant l’effet des paramètres opératoires les plus influents.
Les principaux critères de réponse analysés concernent autant la qualité d’usage du produit (préparation pour muesli, apéritif, pâtisserie, biscuit…) que
Vi dW
dt Cr W finale
W initiale
=
=
0
Gs t t
= 2t− ×1
2
100 T
i
= ρρ0
La détente instantanée contrôlée appliquée au séchage des fraises 183
Figure 4
Courbe expérimentale de l’évolution de la teneur en eau au cours du séchage suivant le traitement utilisé
(▲) : post-séchage par convection sans traitement DIC ; (■) : post-séchage par convection après traitement DIC (3 bar, 10 s, 0,2 kg·kg–1(base sèche)).
Evolution of moisture content during drying process
(▲): convection post-drying without DIC treatment; (■): convection post-drying after DIC treatment (3 bar, 10 s, 0,2 kg·kg–1(dry basis)).
Figure 5
Courbes expérimentales de différentes évolutions des teneurs en eau pendant la réhydratation de produits séchés par DIC/convection
(▲) : essai n° 1 (2 bar, 15 s, 0,08 kg·kg–1(base sèche)) ; (●) : essai n° 21 (1,3 bar, 10 s, 0,125 kg·kg–1(base sèche)) ; (■) : essai n° 14 (4,7 bar, 10 s, 0,125 kg·kg–1(base sèche)).
Evolution of moisture content during rehydratation of air dried products treated with DIC process
(▲): sample n° 1 (2 bar, 15 s, 0,08 kg·kg–1(base sèche)); (●): sample n° 21 (1,3 bar, 10 s, 0,125 kg·kg–1(dry basis)); (■): sample n° 14 (4,7 bar, 10 s, 0,125 kg·kg–1(dry basis)).
les données technico-économiques de production (durée du séchage…). Il s’agit :
– du taux d’expansion T du produit (adimensionnel) ; – du gain de temps au post-séchage Gs ( %) ;
– de la capacité de réhydratation du produit Cr (adimensionnelle) ; – de la vitesse initiale de réhydratation du produit Vi ( %/s).
Parmi les nombreux paramètres opératoires entrant en jeu dans le traitement par DIC (dimension du produit, pression de vide, taux de remplissage du réac- teur…), certains ont déjà été optimisés, d’autres sont fixés pour des raisons économiques ou techniques (LOUKA, 1996).
Seuls trois paramètres opératoires essentiels et facilement contrôlables seront retenus pour le plan d’expériences. Leur domaine de variation a été fixé après quelques essais qui ont permis de déterminer une zone de traitement représentative. Il s’agit de :
– la pression absolue de traitement P (de 2 à 4 bar absolus) ; – la durée de traitement t (de 5 à 15 s) ;
– la teneur en eau du produit avant traitement W (de 0,08 à 0,17 kg·kg–1 (base sèche)).
Le plan d’expériences utilisé est un plan central composite. Ce type de plan d’expériences permet de faire intervenir les effets linéaires (P, t, W), les interac- tions (Pt, PW, Wt) ainsi que les effets quadratiques (P2, t2, W2) des trois facteurs suivant l’équation globale du modèle :
Y = a0+ a1P + a2t + a3W + a4Pt + a5PW + a6Wt + a7P2+ a8t2+ a9W2 avec : (ai) i = 1 à 9: coefficients des paramètres du modèle.
Le plan se décompose en trois parties distinctes :
– le plan orthogonal factoriel en huit essais : il fait intervenir en les combinant tous les paramètres opératoires aux limites inférieures et supérieures du domaine d’étude choisi (2 bar et 4 bar, 5 s et 15 s, 0,08 et 0,17 kg·kg–1 (base sèche)) et permet l’analyse des interactions ;
– la répétition de huit essais avec les conditions opératoires au centre du domaine choisi (3 bar, 10 s, 0,125 kg·kg–1(base sèche)) afin de vérifier la variance de la reproductibilité ;
– les six points axiaux (1,3 bar et 4,7 bar, 1,6 s et 18,4 s, 5 et 20 kg·kg–1 (base sèche)) calculés de façon statistique qui permettent de tester l’effet quadratique de chaque facteur.
Le traitement statistique et la détermination des coefficients sont effectués en utilisant le logiciel STATGRAPHICS pour Windows.
3 - RÉSULTATS ET DISCUSSION
3.1 Analyse des résultats
L’ensemble des conditions opératoires et des résultats obtenus (taux d’ex- pansion, gain au post-séchage, capacité et vitesse de réhydratation) est récapi- tulé dans le tableau 1.
Tableau 1
Résultats des essais du plan d’expériences sur le taux d’expansion, le gain de temps au post-séchage, la capacité de réhydratation et la vitesse de réhydratation Results of the experimental design for expansion rate, convection post-drying time
reduction, rehydration capacity and rehydration speed
Conditions opératoires Critères réponses
Rang P t W Gs Vi
(bar) (s) (kg/100 kg T (%) Cr (%/s)
base sèche)
1 2 15 8 1,7 52,1 35,1 6,6
2 3 10 12,5 1,87 46,7 30,4 6,4
3 4 15 17 2,41 56,4 26,9 6
4 3 10 12,5 1,72 51,7 28 5,7
5 3 10 12,5 1,78 53,4 23,8 5,5
6 4 15 8 2,16 50,2 23,2 5,5
7 3 18,4 12,5 2,05 63,1 29,2 6,3
8 4 5 8 1,53 40,4 27 5,9
9 3 10 12,5 1,85 54,9 26 4,5
10 2 5 8 1,44 36,4 34,7 3,2
11 2 15 17 1,97 52 34,4 5,9
12 3 10 20 1,89 56,4 26,3 4,6
13 2 5 17 1,71 43,9 29,9 3,5
14 4,7 10 12,5 1,99 50,9 20,2 4,5
15 3 10 5 1,67 54 32,7 5,2
16 3 1,6 12,5 1,63 45,5 30,9 4,8
17 3 10 12,5 1,93 58,4 31,6 5
18 3 10 12,5 1,72 45,7 27,6 4,7
19 4 5 17 1,72 54,6 27,4 4,4
20 3 10 12,5 1,95 47,8 26 4
21 1,3 10 12,5 1,5 24,6 27,7 2,9
22 3 10 12,5 1,7 47,4 23,5 4,4
(P) : Pression opératoire ; (t) : Durée de traitement ; (W) : Teneur en eau ; (T) : Taux d’expansion ; (Gs) : Gain de temps au post-séchage ; (Cr) : Capacité de réhydratation ; (Vi) : Vitesse de réhydrata- tion.
(P): Treatment pressure; (t): Treatment time; (W): Moisture content; (T): Expansion ratio; (Gs):
Convection post-drying time reduction; (Cr): Rehydration capacity; (Vi): Rehydration speed.
La détente instantanée contrôlée appliquée au séchage des fraises 185
Tableau2 Coefficients de régression du modèle global du plan d’expériences et niveau de risque de chaque paramètre Regression coefficients of the complete experimental design and significance value of each parameter TGsCrVi R288,580,472,968,8 L0,40,40,60,6 FacteurCoefficientRisqueCoefficientRisqueCoefficientRisqueCoefficientRisque (10-2)(10-2)(10-2)(10-2) Constante1,2–11,956,6–2,2 P0,060,2310,80,10,53,911,7 t–0,040,22,10,6–183,80,21,5 W0,030,8–1,49,9–328,6–0,144 P2–0,0154,6–4,70,5–0,735,6–0,410,2 t20,0007500,0438,50,0069,10,0122 W2–0,0002900,0727,10,06130,00282,7 Pt0,022,4–0,3037,9–0,229–0,18 PW–3.10–3730,3634,10,327,2–0,0181,9 Wt3.10–483,6–0,0926,44.10–239,10,00665,9 (P): Pression opératoire; (t): Durée de traitement; (W): Teneur en eau; (T): Taux d’expansion; (Gs): Gain de temps au post-séchage; (Cr): Capacité de réhydratation; (Vi): Vitesse de réhydratation; (R2): Coefficient de corrélation du modèle; (L): Test de non ajustement. (P): Treatment pressure; (t): Treatment time; (W): Moisture content; (T): Expansion ratio; (Gs): Convection post-drying time reduction; (Cr): Rehydration capacity; (Vi): Rehydration speed; (R2): Correlation coefficient; (L): Test of lack of fit.
Le procédé DIC agit sur le produit en modifiant sa structure par création d’une alvéolation lors de la détente. Les taux d’expansion obtenus sont systé- matiquement supérieurs à 1,5 et atteignent un maximum de 2,4.
Cette modification de la texture a un impact direct sur les transferts de cha- leur et de matière au sein du produit lors de son post-séchage. Le séchage du produit après traitement DIC est plus efficace et permet un gain de temps conséquent (de 24 % à 63 %). Même si une corrélation directe entre gain de temps au post-séchage et taux d’expansion ne peut être explicitée, la tendance générale constatée montre une diminution de la durée de séchage lorsque le taux d’expansion augmente.
Par contre, la capacité et la vitesse de réhydratation ne peuvent pas être corrélées de façon simple et aucune tendance n’est remarquable. Certains essais présentent en effet une vitesse de réhydratation très lente pour une capacité de réhydratation élevée, moyenne ou faible. On note par ailleurs une différence marquée entre les essais traités à forte pression (4,7 bar) et à faible pression (1,3 bar). Le premier présente une capacité de réhydratation faible et une vitesse de réhydratation moyenne (courbe type 3 de la figure 5), à l’inverse, le second présente une capacité de réhydratation élevée pour une vitesse de réhydratation assez faible (courbe type 2 de la figure 5). Ceci peut s’expliquer par le fait que le traitement à forte pression tend à expanser le produit jusqu’à la destruction des parois cellulaires. Cette destruction des parois accélère la vitesse de réhydratation initiale puisque l’eau peut facilement diffuser au sein du produit, elle limite par contre la capacité de réhydratation du produit qui n’est plus assez structuré pour retenir l’eau. À l’inverse, un traitement à basse pres- sion donne une mauvaise expansion du produit. Ce manque de porosité peut ralentir la diffusion de l’eau en début de réhydratation mais ne limite pas la quantité d’eau totale absorbable par le produit.
L’analyse du plan d’expériences qui suit permet de quantifier cette influence des paramètres opératoires.
3.2 Optimisation des paramètres
L’ajustement du modèle est d’abord vérifié par la variable L (test de non-ajus- tement) qui teste la validité du modèle statistique choisi. Une valeur inférieure à 0,05 indiquerait que le modèle choisi n’est pas adéquat et que les données expérimentales doivent être interprétées avec un modèle plus complexe.
Pour chaque facteur, les coefficients du modèle global ainsi que le niveau de risque de ses coefficients sont donnés dans le tableau 2. Un niveau de risque inférieur à 0,05 indique que le paramètre est significativement différent de la valeur nulle à un niveau de confiance fixé à 95 %. Il pourra donc être retenu lors de la réduction du modèle à une équation plus simple.
Les modèles globaux obtenus rendent compte des résultats expérimentaux de façon assez significative (R2de 68 à 88 %).
On remarque que la pression est un paramètre primordial pour l’ensemble des caractéristiques. D’autres facteurs jouent un rôle plus ou moins marqué selon la réponse observée. Pour exemple, la teneur en eau a de l’influence sur le taux d’expansion alors qu’elle n’est pas significative pour les autres caracté- ristiques. Certains effets n’étant donc pas influents, on simplifie le modèle en ne
La détente instantanée contrôlée appliquée au séchage des fraises 187
prenant en compte que ceux dont le niveau de risque est inférieur à celui des paramètres linéaires (P, t, W). Seul le modèle basé sur la capacité de réhydrata- tion ne peut être réduit sous peine d’obtenir une corrélation globale non signifi- cative. Pour les autres réponses, on obtient des modèles réduits dont les coefficients de corrélation sont sensiblement maintenus (tableau 3). Les sur- faces de réponses correspondantes sont données dans la figure 6.
Tableau 3
Coefficients de régression du modèle réduit du plan d’expériences Regression coefficients of the reduced experimental design
T Gs Cr Vi
R2 87,5 72,2 72,9 67,9
L 0,7 0,4 0,6 0,8
Coefficients
Cte 1,36 – 19,9 56,61 – 2,69
P – 0,07 32,98 0,1 3,75
t – 0,02 0,95 – 1 0,26
W 0,02 0,52 – 3 – 0,04
P2 – 4,75 – 0,71 – 0,37
t2 0,006 0,01
W2 0,06
Pt 0,02 – 0,2 – 0,11
PW 0,3
Wt 0,04
(P) : Pression opératoire ; (t) : Durée de traitement ; (W) : Teneur en eau ; (T) : Taux d’expansion ; (Gs) : Gain de temps au post-séchage ; (Cr) : Capacité de réhydrata- tion ; (Vi) : Vitesse de réhydratation ; (R2) : Coefficient de corrélation du modèle ; (L) : Test de non ajustement.
(P): Treatment pressure; (t): Treatment time; (W): Moisture content; (T): Expansion ratio; (Gs): Convection post-drying time reduction; (Cr): Rehydration capcity; (Vi):
Rehydration speed; (R2): Correlation coefficient of model; (L): Test of lack of fit.
L’augmentation de la pression, de la durée de traitement ainsi que de la teneur en eau du produit améliore son taux d’expansion. Il en est de même pour le gain de temps au post-séchage et la vitesse de réhydratation avec cepen- dant, une stabilisation de ces valeurs pour des pressions élevées. Ceci peut être lié à l’apparition d’un léger phénomène de caramélisation observable à la surface des produits traités à forte pression (haute température). Cette caramé- lisation offre une résistance aux échanges de matière et tend à réduire la vitesse de séchage et de réhydratation.
L’interaction entre les paramètres P et t est significative pour le taux d’ex- pansion et la vitesse de réhydratation. Ceci indique que ces paramètres ne sont pas indépendants : l’influence croissante de la pression sera d’autant plus importante que la durée de traitement sera prolongée.
La détente instantanée contrôlée appliquée au séchage des fraises 189
Figure 6
Surfaces de réponses pour le taux d’expansion, le gain de temps au post-séchage, la capacité de réhydratation et la vitesse de réhydratation en fonction du couple (P, t) (P) : Pression opératoire ; (t) : Durée de traitement ; (W) : Teneur en eau ; (T) : Taux d’expansion ; (Gs) : Gain de temps au post-séchage ; (Cr) : Capacité de réhydratation ; (Vi) : Vitesse de réhydratation.
Response surfaces of the effects of pressure (P), time (t) and moisture content (W) on expansion ratio, convection post-drying time reduction, rehydration
rate and rehydration speed
(P): Treatment pressure; (t): Treatment time; (W): Moisture content; (T): Expansion ratio; (Gs):
Convection post-drying time reduction; (Cr): Rehydration rate; (Vi): Rehydration speed.
La capacité de réhydratation du produit est influencée principalement par la pression opératoire choisie. Contrairement aux autres réponses, la pression a ici un effet décroissant et la capacité de réhydratation sera favorisée à de faibles pressions. La teneur en eau du produit ainsi que la durée de traitement n’ont par ailleurs que peu d’influence, leur choix pourra donc être établi sur la base d’autres critères (économiques, techniques…).
Les conditions opératoires optimales pour chaque caractéristique sont réca- pitulées dans le tableau 4.
Tableau 4
Conditions opératoires optimales pour chaque facteur réponse du plan Optimum treatment conditions for each design plan factor
T Gs Cr Vi
P (bar) 4,7 3,5 1,3 2,2
t (s) 18,4 18,4 18 18
W (%) 19 20 5 5
(P) : Pression opératoire ; (t) : Durée de traitement ; (W) : Teneur en eau ; (T) : Taux d’expansion ; (Gs) : Gain de temps au post-séchage ; (Cr) : Capa- cité de réhydratation ; (Vi) : Vitesse de réhydratation.
(P): Treatment pressure; (t): Treatment time; (W): Moisture content; (T):
Expansion rate; (Gs): Convection post-drying reduction; (Cr): Rehydration capacity; (Vi): Rehydration speed.
4 - CONCLUSION
L’objectif du présent travail est d’étudier l’application du procédé de séchage/texturation par DIC au cas des fraises. Après des essais de faisabilité, on a cherché à déterminer l’impact des paramètres opératoires sur l’ensemble des caractéristiques du produit. L’étude menée a permis de mettre en évidence l’influence primordiale de la pression. Ce paramètre de traitement devra donc être choisi avec le plus grand soin suivant la caractéristique principale recher- chée sur le produit fini. Des pressions élevées favorisent en effet le taux d’ex- pansion et le gain de temps au post-séchage. Elles ont cependant une influence plus modérée sur la vitesse de réhydratation et défavorisent nettement la capa- cité de réhydratation.
Les résultats obtenus par la méthode des plans d’expériences permettent de distinguer schématiquement plusieurs zones caractéristiques de traitement suivant la pression opératoire utilisée :
– à faible pression (1,3 à 2,2 bar) : on obtient un produit de faible taux d’ex- pansion, ne permettant qu’un très léger gain de temps au post-séchage.
Par contre, du fait de la préservation de sa structure initiale (avant DIC), ce produit atteint une capacité de réhydratation maximale ;
– à moyenne pression (2,2 à 3,5 bar) : avec un taux d’expansion moyen et une faible dégradation thermique, le produit s’adapte bien au post- séchage et le gain de temps Gs augmente jusqu’à son optimum. La vitesse de réhydratation se stabilise alors que la capacité de réhydratation diminue légèrement ;
– à forte pression (3,5 à 4,5 bar) : le produit est très expansé, mais présente une modification de sa couleur provenant d’une légère caramélisation en surface. Le transfert de matière ainsi affecté induit une légère diminution du gain de temps au post-séchage et de la vitesse de réhydratation. À un niveau encore plus élevé de pression, la détente provoque la rupture et la destruction partielle des parois cellulaires du produit, limitant sa capacité de réhydratation.
Une zone de traitement correcte pour l’ensemble des caractéristiques se situe entre 2,2 et 3,5 bar avec la nécessité d’un ajustement spécifique en fonc- tion de la qualité recherchée sur le produit fini. Suivant leur importance, la durée de traitement et la teneur en eau devront être définies en vue d’affiner l’optimi- sation et de tenir par ailleurs compte d’autres critères techniques (problème de collage pour des produits humides, réduction de la durée de préséchage…).
L’optimisation décrite dans cet article a été réalisée sur les propriétés géné- rales de fraises séchées et traitées par un réacteur pilote de laboratoire. En vue du développement de ce procédé, une plus large étude sera menée sur un réacteur industriel dont la capacité de traitement permettra de plus larges ana- lyses visant les caractéristiques gustatives ou sensorielles du produit.
Reçu le 21 février 2000, révisé le 29 novembre 2000, accepté le 13 décembre 2000.
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