Modélisation et transferts dans les procédés de traitement des produits carnés et lien avec leur qualité

Modélisation des transferts et des réactions dans les procédés de traitement des produits carnés et lien avec leurs qualités

P.S. Mirade, J. Sicard, S. Portanguen, J.D. Daudin, et A. Kondjoyan

INRA, UR370 QuaPA, 63122 St-Genès-Champanelle

Première partie :

Cuisson des viandes

Migration de jus dans le morceau en cours de cuisson

Phénomène de surface : formation d’une croûte

SH NH₃⁺

+ + -

+

Après traitement thermique Après traitement thermique Après traitement thermique Après traitement thermique

SH NH₃⁺

+ -

-

O H

H O

H H

O H H

-

Etat natif Etat natif Etat natif Etat natif

Surface hydrophile Surface hydrophileSurface hydrophile Surface hydrophile

Acide aminé hydrophobe Acide aminé hydrophobe Acide aminé hydrophobe

Acide aminé hydrophobe Liaison covalenteLiaison covalenteLiaison covalenteLiaison covalente Liaison hydrophobe O

H H

Déliaison de l’eau = Phénomène rapide

Déliaison de l’eau = Phénomène rapide

Déliaison de l’eau = Phénomène rapide

Déliaison de l’eau = Phénomène rapide

0 1 2 3 4

30 40 50 60 70

Déformation cumulative (mm)

Température (°C)

élevée faible

Teneur en tissu conjonctif :

Migration de jus sous pression Migration de jus sous pression Migration de jus sous pression Migration de jus sous pression

Thermo Thermo Thermo

Thermo----contraction contraction contraction contraction des des

des des fibres fibres fibres fibres constituant constituant constituant constituant la la

la la structure structure structure structure musculaire musculaire musculaire musculaire

35°C 50°C 60°C 70°C

Contraction d’une pièce de bœuf observée en IRM Contraction d’une pièce de bœuf observée en IRM Contraction d’une pièce de bœuf observée en IRM

Contraction d’une pièce de bœuf observée en IRM Effet de la température sur la déformationEffet de la température sur la déformationEffet de la température sur la déformationEffet de la température sur la déformation

Phénomènes beaucoup plus lents que la déliaison

Phénomènes beaucoup plus lents que la déliaison Phénomènes beaucoup plus lents que la déliaison

Phénomènes beaucoup plus lents que la déliaison

Etat d’équilibre à l’issue d’une cuisson longue Etat d’équilibre à l’issue d’une cuisson longue Etat d’équilibre à l’issue d’une cuisson longue Etat d’équilibre à l’issue d’une cuisson longue

La valeur de la concentration en eau à l’équilibre La valeur de la concentration en eau à l’équilibre La valeur de la concentration en eau à l’équilibre

La valeur de la concentration en eau à l’équilibre dépend dépend dépend de la dépend de la de la de la température et non de la taille du morceau (pour tous les muscles) température et non de la taille du morceau (pour tous les muscles) température et non de la taille du morceau (pour tous les muscles) température et non de la taille du morceau (pour tous les muscles)

1,25 1,75 2,25 2,75 3,25

0 50 100 150

X

Temps de cuisson (min)

Concentration en eau/Taille cubes Concentration en eau/Taille cubes Concentration en eau/Taille cubes Concentration en eau/Taille cubes

1 cm 3 cm 5 cm 7 cm Arête :

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

0 20 40 60 80 100

SM ST LT

IS MA

Température(°C)

Xeq(kg eau/kg MS)

Goni & Salvadori

T = 70°C

Equilibre concentration en eau /T Equilibre concentration en eau /T Equilibre concentration en eau /T Equilibre concentration en eau /T

OILLIC et al. Meat Science, 88(3), 338-346 (2011) BOMBRUN et al. Meat Science, 99, 113–122 (2015)

Effets sur la perte de jus de : espèce animale, Effets sur la perte de jus de : espèce animale, Effets sur la perte de jus de : espèce animale, Effets sur la perte de jus de : espèce animale, direction des

direction des direction des

direction des myofibres myofibres myofibres myofibres, maturation, et congélation , maturation, et congélation , maturation, et congélation , maturation, et congélation

Comportement cinétique similaire pour toutes espèces (bœuf, cheval, porc, agneau, Comportement cinétique similaire pour toutes espèces (bœuf, cheval, porc, agneau, Comportement cinétique similaire pour toutes espèces (bœuf, cheval, porc, agneau, Comportement cinétique similaire pour toutes espèces (bœuf, cheval, porc, agneau, poulet). Maturation & congélation affectent X

poulet). Maturation & congélation affectent X poulet). Maturation & congélation affectent X

poulet). Maturation & congélation affectent X

. Pas d’effet de l’orientation des fibres . Pas d’effet de l’orientation des fibres . Pas d’effet de l’orientation des fibres . Pas d’effet de l’orientation des fibres

1 1,5 2 2,5 3 3,5

0 20 40 60 80

X (kg/kg DM)

Cooking Time (min) 70°C, 90°C

2 2 2

2 espèces espèces espèces espèces différentes différentes différentes différentes

Dash/Full line Horse/Beef

maturation maturation maturation maturation Congélation Congélation Congélation Congélation

Orientation différente des fibres Orientation différente des fibres Orientation différente des fibres Orientation différente des fibres

Morceaux de SM de 1x1x7CM Morceaux de SM de 1x1x7CM Morceaux de SM de 1x1x7CM Morceaux de SM de 1x1x7CM

OILLIC et al. Meat Science, 88(3), 338-346 (2011)

Modéliser l’effet de la thermo Modéliser l’effet de la thermo Modéliser l’effet de la thermo

Modéliser l’effet de la thermo----contraction sur contraction sur contraction sur contraction sur la concentration en eau et la perte de poids la concentration en eau et la perte de poids la concentration en eau et la perte de poids la concentration en eau et la perte de poids

Temps (s)

50°C 70°C 90°C

Transfert Chaleur Transfert Chaleur Transfert Chaleur Transfert Chaleur

3D équations 3D équations 3D équations 3D équations classiques de la classiques de la classiques de la classiques de la

conduction conduction conduction conduction

Effets de convection Effets de convection Effets de convection Effets de convection

interne et de interne et de interne et de interne et de déformation négligés déformation négligésdéformation négligés déformation négligés

Transfert par Transfert par Transfert par Transfert par migration de jus migration de jus migration de jus migration de jus Sous contraintes Sous contraintes Sous contraintes Sous contraintes

mécaniques mécaniques mécaniques mécaniques

Assimilé à une Assimilé à une Assimilé à une Assimilé à une cinétique chimique cinétique chimiquecinétique chimique cinétique chimique

du 1er ordre du 1er ordre du 1er ordre du 1er ordre

Prédictions Prédictions Prédictions Prédictions

Pertes Pertes Pertes Pertes de

de de

de poids poids poids poids profils profils profils profils de de de de teneur

teneur teneur

teneur en eau en eau en eau en eau

KONDJOYAN et al. Meat Science, 95(2), 336–344. (2013) KONDJOYAN et al. Meat Science, 97(3), 323–331 (2014) BOMBRUN et al. Meat Science, 99, 113–122 (2015)

Phénomènes Phénomènes Phénomènes

Phénomènes de surface de surface de surface de surface ---- Profils

Profils Profils

Profils de de de teneur de teneur teneur en teneur en en en eau et structure de la eau et structure de la eau et structure de la croûte eau et structure de la croûte croûte croûte

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0 2 4 6

Water content (% V)

Distance from the surface (mm)

124°C/20min 124°C/40min 192°C/30min 210°C/10min 210°C/20min

5b

B C

1

2 3

4 5

2 1

3 4 5

1. Zone à dominante liquide 2. Zone liquide/vapeur

3. Front d’Evaporation/ébullition 4. Fin de la formation de vapeur 5. Zone sèche

Forme sigmoïde des profils pour les hautes températures.

Forme sigmoïde des profils pour les hautes températures.

Forme sigmoïde des profils pour les hautes températures.

Forme sigmoïde des profils pour les hautes températures.

Le front d’ébullition pénètre de plus en plus profondément dans la viande Le front d’ébullition pénètre de plus en plus profondément dans la viande Le front d’ébullition pénètre de plus en plus profondément dans la viande Le front d’ébullition pénètre de plus en plus profondément dans la viande

Profils Profils Profils

Profils IRM IRM IRM IRM

PORTANGUEN et al. Food and Bioprocess Technology, 7, 3308-3318 (2014)

Seconde partie :

Fabrication d’un jambon sec

Nuo Deng, Chine

TCM lors de la fabrication du jambon sec

Salage

T basse 8 – 15 jours Transfert sel + + Transfert eau - Q sel entrant

Sel Eau

T basse

Plusieurs semaines Transfert sel + + Transfert eau +

T haute

1-2 semaines Transfert sel - Transfert eau + +

T intermédiaire Plusieurs mois Transfert sel - Transfert eau ++

Temps

Modèle 3D de « jambon numérique »

Objectif : Construire un modèle permettant de calculer la distribution du sel et de l’eau, ainsi que l’évolution de la protéolyse, tout au long de la fabrication d’un jambon sec :

I - Partie expérimentale : étude de la protéolyse et développement de lois phénoménologiques : IP = f(X

, X

, T, muscle)

II – Partie numérique : le modèle de « Jambon numérique »

Géométrie et maillage d’un jambon

Une tâche complexe réalisée à partir d’une série de 181

images de tomographie X (fournies par l’IFIP) et

correspondant à des coupes 2D d’un jambon frais et de

l’utilisation de Mimics®.

Modèle 3D de jambon : 202000 mailles, 5 groupes de muscles différents, importation dans Comsol® Multiphysics

La géométrie 3D de jambon

construite est vraiment réaliste

Principales conditions limites : transferts eau/sel

Sorties du modèle de « jambon numérique »

Distributions des teneurs en eau, en sel et de l’IP

Au bout de … 1 semaine Au bout de … 2 semaines Milieu du salage Fin de salage

IP

X

X

PI Sel Eau

(%) (%MT) (%MT)

Distributions des teneurs en eau, en sel et de l’IP

Milieu du repos Fin du repos

IP

X

X

Au bout de … 6 semaines Au bout de … 11 semaines

PI Sel Eau

(%) (%MT) (%MT)

Teneurs moyennes en sel par groupe de muscles

Teneurs moyennes en eau par groupe de muscles

Valeurs moyennes d’a _w par groupe de muscles

Valeurs moyennes d’IP par groupe de muscles

Les différences (IP)

se créent dès le salage !

Perspectives : vers un « jambon num. virtuel »

Continuer à développer des modèles 3D en y intégrant de + en + de données

expérimentales (étape cruciale du salage)

Développer des modèles 2D (calculs

beaucoup plus rapides, prise en compte de la déformation)

A + long terme : développer des modèles simplifiés/dégradés

Aller vers le ‘’virtual processing’’ et le ‘’virtual food’’

selau bout de 9 mois avec déformation du maillage en fonction du flux d’eau moyen évaporée