Article pp.397-411 du Vol.25 n°5-6 (2005)

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FOCUS : Émulsions alimentaires foisonnées

Cristallisation de la matière grasse de lait anhydre : influence du polymorphisme et des émulsifiants

M. Ollivon

¹

, P. Relkin

²

*, C. Michon

²

, D. Kalnin

¹

et F. Mariette

³

SUMMARY

Crystallisation of anhydrous milk fat: Influence of polymorphism and emulsifiers Crystallisation and melting behaviour of the same anhydrous milk fat (AMF) has been examined in the frame of a multi-laboratory french research joint project, called CANAL-SEA, aiming at evidencing the role played by stabilised and/or destabilised milk fat globules in structural properties of food aerated products (foams). Complex AMF thermal behavior was evidenced by calorimetry either in isothermal mode, or during temperature scans, rheology and low field proton NMR. These results combined to those obtained by coupling of time-resolved synchrotron X-ray diffraction at both small and wide angles with DSC allowed not only to evidence heat-induced transitions, but also to characterise one or two different polymorphic transitions 2L(/

3L)α→ 2L(/3L)β’ between two groups of triacylglycerols depending on the condition- ning temperature, 4 or 22°C. On the other hand, effects of addition of mono and dig- lycerides (E471) in variable amounts from 0 to 2.5% in AMF studied by DSC and rheology indicated that triacylglycerol crystallisation was triggered at a higher temperature than that observed in the absence of the emulsifier (by approx. 5.2°C for 1%

E471), whereas NMR relaxation time of the solid phase was related to other changes of the cristal structure. The existence of this complex polymorphism and its time – and temperature – dependent evolutions should be considered in all process using milk fat as ingredient.

Keywords

fat crystallisation, DSC, DSC-XRD, NMR, rheology, emulsifiers.

RÉSUMÉ

La cristallisation et la fusion de la matière grasse de lait anhydre (MGLA) ont été étu- diées dans le cadre du programme CANAL-SEA qui vise, en particulier, à mettre en évi- dence le rôle joué par les globules gras, déstabilisés ou non, dans les propriétés structurales des mousses alimentaires. Le comportement complexe de la MGLA, a été mis en évidence par l’application de la microcalorimétrie différentielle en mode isotherme ou en mode balayage (MCD), de la rhéologie et de la RMN du proton. Les résultats

1. 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.

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

3. Laboratoire de Technologie des Équipements Agroalimentaires – CEMAGREF – 17, avenue de Cucillé – CS 64427 – 35044 Rennes cedex – France.

* Correspondance : relkin@ensia.fr

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combinés à ceux observés par couplage de la diffraction des rayons X aux grands et aux petits angles et de la microcalorimétrie différentielle, ont permis non seulement l’observation des transitions de structures induites par la chaleur, mais aussi l’identification d’une ou deux transitions polymorphiques 2L(/3L)α→ 2L(/3L)β’ entre deux groupes de triacyl- glycérols en fonction des conditions de température (4 ou 22 °C). D’autre part, la MCD et la rhéologie ont montré que l’addition à la MGLA d’un mélange de mono et diglycérides (E471) en proportions variables (0 et 2,5 %) peut déclencher la cristallisation de la MGLA à des températures qui augmentent avec la concentration d’émulsifiant (approx. 5,2 °C pour 1 % de E471). Par ailleurs, la relaxation RMN de la fraction cristallisée de la MGLA en présence de tensioactifs, traduirait également d’autres modifications structurales des cristaux. L’existence du polymorphisme et ses évolutions complexes doivent être prises en compte dans tous les procédés utilisant la matière grasse laitière.

Mots clés

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

1 – INTRODUCTION

La cristallisation de la matière grasse joue un rôle déterminant pour la stabilité de nombreux produits alimentaires. Le beurre et l’ensemble des produits laitiers sont sensi- bles aux variations de composition de leur matière grasse en particulier au moment des changements climatiques (BRODIN, 1989). Les margarines, le chocolat, les pâtes à tartiner et de nombreux produits de confiserie sont également très affectés par la cristallisation et les comportements thermiques de la phase grasse de ces produits (MARANGONI, 2005 ; MARANGONI et ROUSSEAU, 1996). Dans l’article suivant et dans la plupart des articles de ce numéro spécial, le rôle déterminant de la MGL sur la stabilité physique des émulsions huile-dans-eau est souligné (WALSTRA, 1996 ; AWAD et SATO, 1992 ; COUPLAND, 2002).

Cette stabilité dépend d’un grand nombre de paramètres mais l’état de cristallisation de la matière grasse joue un rôle important sur la stabilisation/déstabilisation des globules gras dans des émulsions utilisées comme base pour la fabrication de mousses (RELKIN et al., 2003).

Le comportement thermique de la matière grasse a été étudié dans ces produits directement en émulsion ou sur la matière anhydre, à l’aide de différentes techniques physiques. Ces techniques apportent des informations complémentaires les unes des autres sur l’état de la matière grasse, solide ou liquide, sur son organisation au sein des cristaux en fonction de la température et du temps et l’évolution de cette dernière en fonction de ces deux paramètres. Certaines de ces techniques permettent d’appréhender le polymorphisme complexe des triglycérides (TG) de la matière grasse.

L’analyse microcalorimétrique différentielle (MCD) est la technique la plus utilisée. Elle permet la détermination de l’ensemble des paramètres thermodynamiques (chaleur spé- cifique, température, enthalpie et entropie) du système étudié sur de larges gammes de température (ex. – 80 - + 80 °C) et à des vitesses de balayage (ex. 0 - 400 °C.min^-1) très différentes. Pour les matières grasses dispersées, elle permet en particulier de caractéri- ser ces paramètres au sein même des différentes phases (KALNIN et al. 2002, RELKIN et al., 2002). La résonance magnétique nucléaire à bas champ, RMN (MARIETTE, et al., 1996) est reconnue comme la méthode de référence pour la détermination du rapport solide/

liquide en milieu anhydre (ISO 8292:1991). La RMN permet d’accéder d’une part à la pro- portion des différentes phases en présence (via la mesure des intensités des signaux), et d’autre part à des informations sur les dynamiques moléculaires en lien avec le polymorphisme via les temps de relaxation. La mesure des couples ou des forces nécessaires au déplacement d’un mobile appuyant sur un échantillon contenant de la matière grasse permet de caractériser son état par sa viscosité, son seuil d’écoulement et/ou les compo- santes du module d’élasticité mesuré en régime dynamique aux petites déformations (non destructif) (MARANGONI et ROUSSEAU, 1996). Il est ainsi possible de caractériser la

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cristallisation ou les évolutions polymorphiques. Les techniques de microscopie, en particulier en lumière polarisée, permettent de mettre en évidence la morphologie des cristaux (taille, forme), leur distribution spatiale et dans une certaine mesure les premières étapes de leur formation. La diffraction des rayons X est cependant la seule technique capable de caractériser la structure de ces cristaux à l’échelle moléculaire bien que l’absorption infrarouge (IR) puisse être utilisée parfois pour identifier l’arrangement des chaînes hydro- carbonées. Le développement récent du couplage de la diffraction des rayons X et de la microcalorimétrie différentielle a permis la caractérisation physique simultanée des pro- priétés thermiques et structurales de différents produits alimentaires sur un seul et même échantillon de petit volume directement pendant un balayage en température ou en isotherme (OLLIVON et al., 2004).

Les triglycérides qui sont les constituants majeurs des huiles et graisses cristallisent dans les conditions habituelles de refroidissement sous des variétés polymorphiques instables. La forme cristalline la plus fréquemment rencontrée après ces refroidissements est la variété α. Cette variété est caractérisée par l’existence de nombreux défauts d’empilements des chaînes dans le cristal. Selon la nature et la composition de la matière grasse, et en particulier l’existence d’une phase liquide, cette variété pourra se transfor- mer en une variété plus stable de type β ou β’ à des vitesses variables avec la tempéra- ture de stockage ; cette transformation peut être instantanée ou prendre des mois dans le cas particulier du beurre de cacao stocké à basse température. Ces deux dernières varié- tés qui diffèrent principalement par le positionnement des chaînes hydrocarbonées conti- guës les unes par rapport aux autres forment des arrangements cristallins plus compactes que les formes α.

Le polymorphisme des triglycérides conduit à l’existence d’un polymorphisme pour leurs mélanges. Comme la composition des matières grasses naturelles peut être très complexe, l’ensemble des triglycérides purs conduit à l’existence d’un polymorphisme plus complexe pour leurs mélanges. Il en résulte la coexistence de plusieurs types de cristaux lesquels ne se présentent pas nécessairement sous les mêmes types d’empilements longitudinaux des chaînes hydrocarbonées. Des variétés 2L peuvent coexister avec des 3L ou d’autres 2L et des variétés α peuvent coexister avec d’autres variétés, par exemple β ou β’ (voir la nomenclature recommandée dans KALNIN et al. 2004). Une étude récente a montré l’existence de six variétés cristallines dans la MGLA selon les conditions de refroidissement. Il a été montré d’une part que lors d’un refroidissement à 1 °C.min^-1, quatre de ces variétés peuvent coexister avec une phase liquide et d’autre part que l’une des variétés formées se transformait partiellement en une autre plus stable pendant ce refroidissement (LOPEZ et al., 2002).

L’influence de la présence d’émulsifiants et de la composition des couches protéi- ques interfaciales sur la stabilité physique de systèmes dispersés a été récemment mise en évidence principalement par microscroscopie électronique à transmission (Z^HANG et GOFF, 2005), par rhéologie (GRANGER et al., 2005) et par MCD (RELKIN et al., 2002 ; RELKIN, 2004), dans le cas de matières grasses de différentes sources (MGLA et dérivés d’huile de palme) qui sont principalement utilisées pour les préparations de crèmes glacées ou fouettées.

La technique de diffraction des rayons X couplée à la DRX a permis de démontrer que si les températures et les enthalpies de cristallisation étaient modifiées, il s’agissait bien des mêmes variétés cristallines (KALNIN, 2004).

L’étude que nous présentons ci-dessous à un triple objectif. Elle vise d’une part à montrer l’intérêt d’utiliser un ensemble de méthodes et en particulier des techniques cou- plées pour caractériser les propriétés physiques des mélanges complexes formés par la MGLA. D’autre part, nous démontrerons ci-dessous que l’évolution des variétés instables est fonction des conditions de stockage de la MGLA. Enfin nous montrerons que la pré- sence de certains émulsifiants peut influencer la cristallisation de la MGLA.

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2 – MATÉRIELS ET MÉTHODES

2.1 Origine des produits

Les ingrédients utilisés pour cette étude sont les mêmes que ceux fournis par les industriels pour la fabrication des émulsions (cf. tableau 1 article suivant). L’émulsifiant E471 est un mélange de mono et diglycérides d’acide gras saturés qui nous a été fourni par Degussa (Carentan-France), partenaire du programme. Les échantillons sont prépa- rés par mélange à chaud – (70 °C) des ingrédients.

2.2 Analyse microcalorimétrique différentielle (MCD)

L’analyse microcalorimétrique différentielle (MCD) d’échantillons de MGLA en balayage de température et en isotherme a été réalisée sur un microcalorimètre haute sensibilité µDSC-III (Setaram-Caluire-France) qui fonctionne avec des porte-échantillons cylindriques pouvant accueillir un volume maximum < 1 mL et des vitesses de chauffage- refroidissement comprises entre 0,1 °C et 1,2 °C.min^-1 dans un domaine de température compris entre – 20 et 120 °C.

La MGLA est constituée d’un grand nombre de triacylglycérols (TG) subissant chacun des transformations d’état (cristallisation, fusion) ou de structure (polymorphisme) qui rendent son étude particulièrement délicate. Pour l’étude de ce comportement thermique complexe nous avons utilisé un programme de chauffage-refroidissement entre 50 °C et – 10 °C similaire à celui utilisé pour les émulsions (RELKIN, 2004). Le microcalorimètre a été utilisé soit en mode balayage pour des cycles de refroidissement-chauffage (0,5 °C.min^-1), soit en isotherme après refroidissement des échantillons à 4 °C. L’échan- tillon (~ 0,1 mL) est prélevé et encapsulé à l’état fondu et immédiatement soumis au programme de refroidissement-chauffage dans le microcalorimètre.

2.3 Couplage diffraction de rayons X - MCD

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 sensibi- lité dans les deux techniques (KELLER et al., 1998 ; OLLIVON et al. 2004).

Les porte-échantillons sont dans ce cas, des capillaires en verre de Lindeman uti- lisables pour la diffraction des rayons X d’environ 1,5 ± 0,1 mm de diamètre, 80 mm de longueur et 10 µm d’épaisseur. Le capillaire échantillon est rempli à l’aide d’une seringue spéciale développée au laboratoire, sur une hauteur de 20 mm environ, puis il est transféré dans le calorimètre préalablement réglé à cette température. Le capillaire porte-échantillon est pesé avant et après l’expérience. Le vecteur de diffusion q = 2π/d = 4π/λ sinθ est une unité commode pour caractériser la position d’une raie de diffraction car elle permet de s’affranchir de la longueur d’onde. Les paramètres d, λ et θ représentent comme dans la relation de Bragg (2d sinθ = nλ) la distance entre plans réticulaires, la longueur d’onde d’observation λ et l’angle d’incidence des rayons X, respectivement. Le calorimètre et la ligne synchrotron (D24 de LURE) utili- sés sont décrits dans les références (KELLER et al., 1998 ; OLLIVON et al. 2004).

2.4 Mesure des temps de ralaxation et des taux de solide par RMN

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.

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Un circuit de refroidissement (BVT3000) permet d’ajuster la température de l’échan- tillon. 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. Les mesures RMN résultent de la moyenne de trois mesures indépendantes du même échantillon. La mesure du taux de solide est réalisée à partir de l’acquisition du signal de relaxation spin-spin. Ce signal est obtenu par la fusion de deux signaux, le signal d’induction libre entre 11 µs et 100 µs obtenu par une séquence type FID (Free Induction decay), et entre 150 µs et 400 ms par une séquence d’écho de spin type Carr-Purcell-Meiboon-Gill (CPMG). Les paramètres des séquences sont les suivants : temps de récupération TR (5s), nombre d’accumulation fixé à 16 pour les deux séquences, pas d’échantillonnage pour la séquence FID (0,4 µs) et pour la CPMG (0,2 ms).

Le signal de relaxation spin-spin (T2) est alors ajusté selon l’équation suivante :

avec A_n et T_2n les amplitudes et les temps de relaxation des différentes fractions protoniques liquides et cristallisées (MARIETTE et al. 2005). Le terme sinus (at)/at avec a une constante arbitraire et t le temps permet de tenir compte de la forme du FID spécifique des systèmes cristallisés (« phénomène de Pake »). L’ajustement du signal est obtenu à partir du logiciel Table-Curve 2D 5,0 (Jandel).

Le temps de relaxation spin-réseau T₁ de la fraction cristallisée est obtenu par l’application d’une séquence du type saturation-récupération au cours de laquelle le signal est acquis à deux intervalles de temps 11 µs et 70 µs. Le T₁ de la fraction cristallisée est alors déterminé par soustraction des signaux acquis à 11 et 70 µs. Le signal de relaxation T₁est calculé à partir du modèle suivant :

avec pour chaque exponentielle n, l’amplitude A_n et la valeur du temps de relaxation T₁.α est un paramètre ajustable qui permet de tenir compte de l’erreur de l’impulsion RMN (α est égal à 1 pour une impulsion parfaite à 90°). L’ajustement du signal est réalisé par une méthode dite continue basée sur la Maximisation de l’Entropie (MARIETTE et al., 2005) qui permet de déterminer une distribution des temps de relaxation.

Protocole de refroidissement des échantillons de matière grasse pour la RMN : la MGLA est préalablement chauffée à 70 °C pendant 60 minutes et les tensioactifs sont rajoutés (2,5 %). Puis les tubes RMN sont remplis à l’aide d’une pipette. La cinétique de refroidissement rapide est obtenue en plaçant chaque tube RMN directement dans une ambiance à 4 °C. La cinétique de refroidissement lente est réalisée à 0,1 °C min^-1 à partir d’un cryostat programmable (Julabo, FP50). Les échantillons sont stockés une nuit à 4 °C avant la réalisation des mesures RMN à 4 °C.

2.5 Évolution des propriétés rhéologiques en fonction de la température

L’évolution des propriétés rhéologiques, sous l’effet d’histoires thermiques différen- tes, est mesurée à l’aide du viscoélasticimètre CP20 (TA-Instrument) muni d’une géomé- trie plan-plan (R = 4 cm). Cet équipement est adapté pour la caractérisation de propriétés visco-élastiques à l’aide de tests harmoniques (1rad.s^-1) sous contrainte uni-axiale engen- drant une déformation en cisaillement radial. Les échantillons (6 g) sont mis en place à 20 °C puis chauffés à 60 °C pour fondre toutes les structures cristallines. Ils subissent ensuite des cycles de chauffage-refroidissement entre 60 °C et 4 °C, à 1 °C.min^-1 ou des isothermes à 4 °C (après refroidissement à 1 °C.min^-1). Les modules conservatif (G’) et dissipatif (G”) sont régulièrement mesurés pendant la durée des essais où l’amplitude maximum de contrainte est fixée à 0,04 N (MICHON et al., 2003).

y t A e at

at A e A

t T

t

( ) = ( ) T

( ) + + A

−⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ −

1 21

2

2 22 3

sin e e cte

t T

t

− −T

+ +

23

4 24

y t A T e d T

t

( ) = ( ) −⎛ T

⎝⎜ ⎞

⎠⎟

−

∫

⁰∞ ¹ ¹ ^α ¹ ¹

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3 – RÉSULTATS ET DISCUSSION

Les techniques physiques utilisées dans ce travail (MCD-DRX, essais rhéologiques en mode dynamique, RMN du proton) peuvent être utilisées en mode balayage de tempé- rature comme en isotherme. Un objectif secondaire, mais intéressant de cet article sera d’extraire des paramètres structuraux complémentaires en combinant non seulement dif- férentes techniques mais aussi les deux modes d’utilisation (balayage en température et isotherme).

3.1 Analyse en balayage de température par microcalorimétrie différentielle (MCD) et viscoélasticimétrie

Les signaux obtenus par microcalorimétrie différentielle (MCD), en balayage de tem- pérature au refroidissement et au chauffage (0,5 °C.min^-1) d’échantillons de MGLA en pré- sence (courbes a’) et en l’absence (courbes a) d’émulsifiant E471 sont présentées en figure 1.

Les enregistrements de cristallisation et de fusion de la MGLA présentent chacun au moins trois événements thermiques majeurs. En l’absence d’émulsifiant, la température de cristallisation initiale de la MGLA (21 °C) diffère fortement de celle de fusion finale (36 °C), (∆ = env. 15 °C) comme cela a déjà été observé précédemment pour la MGLA (LAVIGNE, 1995, LOPEZ et al., 2002 ; LOPEZ et al., 2005) et pour une matière dérivée d’huile de palme (RELKIN et al., 2002, 2003). Cependant, la MCD seule ne permet pas de préciser l’origine de ce décalage, pas plus que les identifications respectives des événements thermiques ou l’implication précise de tel ou tel triglycéride aux différents événements

Endo

Température, °C

0 10 20 30 40 50

(a’)

-1Heat flow, W.g (a)

Figure 1

Courbes de cristallisation et fusion de la MGLA, seules (a) et en présence de E471 (a’) (1,75 %).

Crystallisation and melting thermogrammes obtained from Anhydrous Milk Fat, alone (a) or in presence of emulsifier E471 (a’) at 1.75%.

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thermiques. Les fractionnements de la MGLA en stéarine et oléine primaires, puis leurs fractionnements ultérieurs en stéarine et oléine secondaires et tertiaires couplées à des analyses chromatographiques des compositions triglycéridiques ont permis l’identification des TG de la MGLA responsables de chacun des événements thermiques. Les arrangements cristallins dont l’évolution ou la disparition est responsable des événements thermiques ont pu être identifiés par DRX (LAVIGNE, 1995, LOPEZ et al., 2005). La cristallisation des triglycérides les plus saturés serait à l’origine de ces différences.

La figure 2 montre l’effet extrêmement important de la cristallisation sur le niveau de module G’’ qui est multiplié par un facteur 10 000 entre 22 et 4 °C : au-delà de 10⁴ Pa, le module n’est plus mesurable puisque c’est la structure de l’appareil qui fléchit avant d’arriver à déformer la matière grasse !! On indique qu’en fusion, l’hystérésis thermique observé par MCD, d’environ 15 °C, l’est également par viscoélasticimétrie (∆Τ = 40-24 = 16 °C). Ces deux résultats sont identiques, aux décalages de température d’une technique à l’autre près. La question est maintenant de savoir l’origine exacte de ces décala- ges. Sont-ils dus à un retard à la cristallisation ou à une évolution polymorphique de la MGLA? Un conditionnement en isotherme à 4 °C de l’échantillon a été opéré pour tenter de caractériser si une évolution cristalline avait lieu au cours du temps à cette tempéra- ture.

3.2 Analyse microcalorimétrique différentielle (MCD) par diffraction des rayons X en mode isotherme

Nous avons étudié l’évolution de la cristallinité d’échantillons de MGLA par MCD et par MCD-DRX en mode isotherme afin de répondre à la question, « est-il possible d’identifier les évolutions cristallines par MCD ? ».

Les figures 3 et 4 représentent les évolutions des propriétés thermiques et structurales d’échantillons de MGLA maintenus à 4 °C après fusion et refroidissements de ces derniers.

Température (°C)

0 10 20 30 40 50 60 70

G’’ (Pa)

10⁴ 10³ 10² 10¹ 10⁰ 10^-1 10^-2

Figure 2

Évolution du module G’’ enregistré au cours du refroidissement puis du chauffage (1 °C. min^-1) d’un échantillon de MGLA (amplitude maximum de la force appliquée

à l’échantillon = 0,04 N).

Evolution of G“ modulus during cooling and re-heating cycles (1°C.min^-1 of Anhydrous Milk Fat sample (strength maximum amplitude fixed at 0.04 N).

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26,6 min (AMF) 20 min (AMF + 1,75 % MDG)

10 20 30 40 50 60

Time at 4°C, min

Exothermic heat flow, W.g-1

Figure 3

Enregistrements de MCD obtenus en mode isotherme à 4 °C (refroidissement lent) à partir de MGLA, seule (trait gras) ou en présence de E471 (1,75 %).

Thermogrammes obtained by DSC in isothermal mode at 4 °C (low cooling rate) from anhydrous milk fat, alone (bold curve), or in mixture with emulsifier E471 at 1.75%.

time (min)

I (cts)

6 000

4 000

2 000

0

0,1 0,2 0,3 0,4 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0 1 500 β’

3Lβ’ 2Lβ‘

3Lα 2Lα 62A 38A

α

°

65A^° 45A^°

q (A^°^-1)

°

Figure 4

Enregistrements de MCD couplée à la DRX, obtenus en mode isotherme à 4 °C.

Les parties à gauche et au centre correspondent respectivement aux petits et grands angles, la partie droite correspond à la courbe MCD enregistrée simultanément.

DSC-XRD scans obtained in isothermal mode at 4°C. Curves in the left and at the center correspond to small and wide angles, respectively; curve in the right

is obtained simultaneously by DSC.

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La MCD en mode isotherme (figure 3) montre l’existence d’une transition après quel- ques minutes de stabilisation à 4 °C. Après environ 27 minutes, dans les conditions d’analyse en absence d’émulsifiant, le pic exothermique de cette transition atteint son maximum d’amplitude.

En MCD couplée à la DRX, le même phénomène exothermique est enregistré après quel- ques minutes à 4 °C (figure 4). L’étude des différentes raies observées aux petits et grands angles permet de constater que ce pic exothermique correspond à la conversion de deux variétés cristallines de type α (2L et 3L) donc à chaînes verticales par rapport au plan des stra- tes (LAVIGNE, 1995, LOPEZ et al., 2002) en deux autres variétés cristallines de type β’ (2L et 3L) (KALNIN et al., 2004). L’inclinaison et le resserrement des chaînes en des variétés plus compactes que celles initialement formées semble donc être le moteur principal de cette transition.

Cependant, le dédoublement encore visible aux grands angles de la raie observée vers 4,2 Å et une bosse subsistant vers q = 0,13 Å^-1, pourraient laisser penser que la double réaction de transition α →β’ n’est pas complète et que des traces de α subsistent après 30 minutes.

La réaction observée en mode isotherme à 22 °C qui est présentée figure 5 est beau- coup moins énergétique que celle enregistrée à 4 °C. Le nombre et l’intensité des raies de diffraction sont, aussi, moindres puisque seule la transition 2Lα 2Lβ‘ est observée.

La disparition des raies de type 3Lα et 3Lβ‘ dans la figure 5 : – confirme la coexistence des variétés observées figure 4 ;

– permet l’attribution des transitions des deux figures : 2Lα (45 Å) → 2Lβ‘ (38 Å) et 3Lα(65 Å) → 3Lβ‘(62 Å) ;

– montre que les variétés 3L sont thermiquement moins stables que les variétés 2L, lesquelles persistent à des températures supérieures ;

– ces dernières sont attribuables préférentiellement à des TG saturés alors que les 3L correspondent plus particulièrement à des TG insaturés ou à chaîne plus courte (LAVIGNE, 1995).

time (min)

I (cts)

7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0

0,1 0,2 0,3 0,4 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0 2 000 4 000 β’

2Lβ‘

2Lα 38A

α

45A^° q (A^°^-1)

°

> exo Figure 5

Enregistrements de MCD couplée à la DRXT, obtenus en mode isotherme à 22 °C.

Parties à gauche et au centre correspondent aux petits et grands angles, la partie droite à la MCD enregistrée simultanément, respectivement.

DSC-XRD scans obtained in isothermal mode at 22°C. Curves in the left and center correspond to small and wide angles, respectively; curve

at the right is obtained simultaneously by DSC.

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Une autre confirmation de la métastabilité des phases formées à basse température après un refroidissement assez rapide (2 °C.min^-1) est fournie par la comparaison des enregistrements de fusion enregistrés à 0,5 °C.min^-1 juste après ce refroidissement ou après une période de tempérage à 4 °C pendant 10 heures (figure 6). Le pic de fusion situé entre 13 et 19 °C est considérablement réduit après le tempérage, la transition observée plus haut ayant permis la formation entre-temps d’une variété plus stable.

3.3 Analyses par RMN à 4 ˚C

3.3.1 Taux de solide et relaxation spin-spin

Le résultat de l’ajustement de la relaxation spin-spin pour chacun des échantillons de MGLA, MGLA + E471 est donné dans le tableau 1 dans le cas de la cinétique lente et dans le tableau 2 dans le cas de la cinétique rapide. Les temps de relaxation T₂₃ et T₂₄, décrivent la fraction liquide de la matière grasse. Les deux temps de relaxation ne sont pas à rapprocher de deux fractions protoniques spécifiques mais traduisent plutôt une forte distribution de la relaxation résultant de la composition complexe de la MGLA. Le temps de relaxation T₂₁ décrit la fraction cristallisée de matière grasse. Remarquons une composante de relaxation T₂₂ avec un temps de relaxation de 50 µs qui est intermédiaire entre une fraction solide et une fraction liquide. Ce type de fraction a déjà été observée dans la littérature et a été rapproché d’une structure amorphe (MARIETTE et LUCAS, 2005 ; MARIETTE et al. 1996).

Endo

Température, °C

0 10 20 30 40

Endothermic heat flow, W.g-1

10 H (4 °C)

Figure 6

Enregistrements de MCD des fusions de la MGLA, observées après un refroidissement de 50 °C à – 10 °C (2 °C.min^-1), puis après un tempérage isotherme à 4 °C pendant 10H,

vitesse de chauffe de 4 à 50 °C (0,5 °C.min^-1).

Melting DSC curves obtained from AMF, which was cooled from 50°C to – 10°C (2°C.min^-1), or after an isothermal treatment at 4°C for 10 h (0.5°C.min^-1, heating rate).

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Tableau 1

Temps de relaxation T₂ et amplitude relative des signaux de MGLA, et MGLA + E471 après une cinétique de refroidissement lente.

Tableau 2

Temps de relaxation T₂ et amplitude relative des signaux de MGLA, et MGLA + E471 après une cinétique de refroidissement rapide.

En fonction de la cinétique de refroidissement les amplitudes des fractions liquides et solides sont modifiées. L’amplitude de la composante T₂₁ augmente de 5 % lors d’un refroidissement rapide. De la même façon, l’amplitude de la composante T₂₂ augmente de 4 %. Par opposition la fraction liquide diminue. Ceci entraîne une diminution des temps de relaxation de la fraction liquide. L’addition de tensioactifs entraîne de plus fai- bles variations. On notera une augmentation de 1,5 % pour l’amplitude de la fraction solide. Dans le cas d’une cinétique rapide l’addition de tensioactif n’est pas significative.

3.4 Analyse en balayage de température par microcalorimétrie différentielle, RMN et viscoélasticimétrie de l’influence de l’ajout d’un émulsifiant

La comparaison des enregistrements réalisés par microcalorimétrie différentielle (MCD) d’échantillons de MGLA analysés en balayage de température au refroidissement et au chauffage (0,5 °C.min^-1) est présentée figure 1 en présence et en l’absence d’émul- sifiant (E471). On montre une augmentation sensible de la température de cristallisation

MGLA MGLA + E471

Solide

T₂₁ (ms) 0,026 (± 0,004) 0,025 (± 0,004)

A₁ (%) 43,0 (± 0,4) 44,5 (± 0,7)

a 124 (± 2) 117 (± 2)

T₂₂ (ms) 0,055 (± 0,003) 0,053 (± 0,002)

A₂ (%) 16,1 (± 0,5) 16,9 (± 0,4)

Liquide

T₂₃ (ms) 11,0 (± 0,02) 11,9 (± 0,4)

A₃ (%) 19,8 (± 0,6) 18,2 (± 0,5)

T₂₄ (ms) 34,3 (± 0,8) 36,5 (± 0,8)

A₄ (%) 21,1 (± 0,5) 20,3 (± 0,6)

MGLA MGLA + E471

Solide

T₂₁ (ms) 0,025 (± 0,004) 0,024 (± 0,004)

A₁ (%) 48,8 (± 0,7) 49,6 (± 0,7)

a 113 (± 3) 107 (± 6)

T₂₂ (ms) 0,061 (± 0,003) 0,062 (± 0,002)

A₂ (%) 20,9 (± 0,8) 21,5 (± 0,4)

Liquide

T₂₃ (ms) 6,2 (± 0,2) 6,2 (± 0,4)

A₃ (%) 12,7 (± 0,5) 12,1 (± 0,1)

T₂₄ (ms) 25,4 (± 0,5) 26,2 (± 0,8)

A₄ (%) 17,6 (± 0,5) 16,8 (± 0,2)

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en présence de cette molécule. De même, la réaction exothermique observée en MCD lors de la cristallisation en mode isotherme à 4 °C (figure 3), est observée après un temps plus court lorsque la MGLA est en présence d’émulsifiant E471 (t_max= 20 min, au lieu de 26 min en l’absence d’émulsifiant). En plus du caractère polaire et lyotrope des molécules d’émulsifiant, qui ont une forte tendance à s’autoassocier, il est probable que l’addition du mélange de mono et diglycérides à la MGLA augmente sa température de cristallisation en générant des sites de nucléation.

3.5 Relaxation spin-réseau de la fraction cristallisée

La distribution des temps de relaxation observés par RMN de la fraction cristallisée de la MGLA pure, et de la MGLA contenant les tensioactifs E471 dans le cas de la vitesse de refroidissement lente est représentée dans la figure 7. Pour la MGLA pure, la distribution des temps de relaxation est assez large avec un pic centré à 240 ms mais avec des temps de relaxation au-delà de 600 ms. L’addition de tensioactifs engendre la formation d’une distribution bimodale. Le pic majoritaire se déplace vers les temps de relaxation les plus courts, centrés à 175 ms, et une deuxième population très dispersée avec des temps de relaxation jusqu’à 800 ms apparaît. Ces comportements sont aussi observés avec d’autres tensioactifs.

Dans le cas d’une cinétique rapide, l’addition des tensioactifs n’induit aucune modifi- cation de la distribution des temps de relaxation (figure 7). Par contre, pour les trois échantillons, les temps de relaxation sont plus courts et les pics présentent une distribution plus étroite que celle observée après des conditions plus lentes de refroidissement.

La distribution des temps de relaxation est à rapprocher à la fois de la complexité de composition de la MGLA et de l’organisation moléculaire (LEBOTLAN et HELIE, 1995 ; LEBOTLAN et al. 1999). En effet, des travaux conduits sur des triglycérides purs ont montré que le temps de relaxation T₁ suivait un comportement mono-exponentiel et que la valeur du temps de relaxation T₁ était différente suivant l’organisation polymorphique des cris-

Amplitude (U.A)

0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400

T1 (ms) MGLA + E471

MGLA

MGLA + E471 MGLA

Figure 7

Distribution des temps de relaxation T1 de la fraction cristallisée de la MGLA et de la MGLA+ E471 (2,5 %), dans le cas d’une cinétique de refroidissement lente (–)

et après une cinétique rapide de refroidissement ( - - -).

Distribution of relaxation time T1 of crystalline AMF sample, alone or in presence of emulsifier E471 (2.5%) which were cooled to 4 °C slowly (–) or quicly ( - - -).

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taux. Par exemple, le temps de relaxation de cristaux α de tristéarine est égal 600 ms, tandis qu’il atteint 12 s dans le cas d’une structure β (MARIETTE et LUCAS, 2005). De la même façon le temps de relaxation de cristaux d’eau (glace) diminuait en présence de défaut dans la structure cristalline (MARIETTE et LUCAS, 2005). Ainsi, nos résultats sont cohérents avec ces interprétations. La cinétique de refroidissement rapide est connue pour induire des structures polymorphiques α par opposition à la cinétique de refroidissement lente qui induit des cristaux β. Ceci expliquerait les variations de temps de relaxation observées en fonction de cinétiques de refroidissement. La sensibilité des T₁ à l’addition des tensioactifs tend à renforcer cette hypothèse. Il est en effet probable que les tensioactifs induisent des défauts dans l’organisation à courte distance des cristaux et donc une diminution des T₁ des cristaux. Enfin, remarquons que l’effet de la cinétique de température apparaît plus important sur la relaxation spin-spin de la MGLA par rapport aux échantillons contenant des tensioactifs. La présence de tensioactifs minimise l’effet de la température.

L’influence de la concentration de ces émulsifiants sur la température de cristallisation a pu être étudiée également par viscoélasticimétrie en balayage de température avec des échantillons contenant des quantités croissantes de cet émulsifiant (figure 8). La variation de la concentration de 0 à 2,5 % d’émulsifiant s’est traduite par une augmentation de la température de cristallisation de plus de 10 °C alors que la variation de cette augmentation n’est que de l’ordre de 3 °C dans l’intervalle 0-1,75 %. La nature des cristaux et l’existence possible de nouvelles transitions n’ont pu être examinées par d’autre techniques. Il est aussi possible qu’une limite de solubilité dans les phases triglycéridi- ques ait été atteinte vers 2 % et que la présence de concentrations d’émulsifiant > 2 % provoque une séparation latérale de phase favorable à une cristallisation à température plus elevée. Il a été montré récemment que le comportement des émulsifiants en particulier aux interfaces des gouttelettes des émulsions était très complexe et imprévisible (K^ALNIN et al., 2004).

50

0 10 20 30 40

Température (°C) 10⁵

2,5 % E471 0 % E471 ( – · – ) /

0,5 % E471 (— · —)

1,25 % E471(…) / 1,75 % E471 (– – )

15 25 35 45

5

1 °C/min 10⁴

10³

10¹ 10²

10⁰ 10^-1

G’’ (Pa)

– · – ) /

-

Figure 8

Évolution du module G’’ mesuré au cours du refroidissement à 1 °C. min^-1 d’échantillons de MGLA en présence de l’émulsifiant E471 à des concentrations variant entre 0 et 2,5 %.

L’amplitude maximum de la force appliquée à l’échantillon est de 0,04 N.

Evolution of G” modulus during cooling cycles at 1 °C. min^-1 observed from AMF samples, alone or in presence of emulsifier E471, at various concentrations ranging from 0 to 2.5%

(maximum amplitude strength fixed at 0.04 N).

(14)

4 – CONCLUSION

Les techniques calorimétriques (mode isotherme et mode balayage), de mesure des propriétés viscoélastiques et de RMN à bas champ permettent d’étudier la MGLA en pré- sence et en absence de constituants mineurs. Les phénomènes thermiques ou dépen- dant de la température enregistrés montrent l’existence d’un polymorphisme qui modifie la nature des cristaux observés entre le refroidissement et la fusion ou pendant cette der- nière et influence largement les propriétés rhéologiques de la matière grasse. L’étude par microcalorimétrie différentielle couplée à la diffraction des rayons X révèle des évolutions polymorphiques complexes en fonction du temps et de la température. L’existence de ce polymorphisme doit être prise en compte dans tous les procédés développés pour utiliser la matière grasse laitière.

La RMN permet, au travers de la relaxation spin-spin d’accéder à la quantité de cristaux formés. Tandis que la relaxation spin-réseau complète cette approche en apportant une information structurale qui serait liée au polymorphisme. Ces résultats doivent être complétés afin de déterminer les échelles structurales impliquées.

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) et le ministère de l’Éducation Nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche pour le soutien financier au programme RARE CANAL SEA.

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