Effects of heat treatments on food. Effets des traitements thermiques sur les produits alimentaires

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1 Effects of heat treatments on food Effets des traitements thermiques sur les produits alimentaires Angélique Fontana 1 Sommaire 1. Pourquoi chauffer les aliments et quels traitements? 2. Le phénomène physique : transferts de chaleur dans l aliment 3. Les techniques : stérilisation et pasteurisation, cuisson 4. Conséquences biologiques et biochimiques et organoleptiques : Implications pratiques 2 1

2 Pourquoi chauffer les aliments et quels traitements? 3 Le chauffage des aliments Le chauffage des aliments a essentiellement pour buts de : améliorer l'acceptabilité gustative : donner un goût, un arôme et une texture appréciés des consommateurs favoriser la digestibilité des aliments assurer la conservation : détruire les micro-organismes Dans tous les cas, l aliment subit des transformations physico-chimiques qui peuvent se révéler négatives comme la baisse de valeur nutritionnelle (disponibilité) de certains nutriments (acides aminés, vitamines ) 4 2

3 Le chauffage des aliments Le chauffage peut être réalisé par diverses méthodes : ébullition (départ de substances solubles) ou friture, grillade (formation d'une couche superficielle protectrice emprisonnant certaines substances dans l'aliment ) ou cuisson à la vapeur ou sous vide 5 Le chauffage des aliments Le chauffage peut être réalisé à différents niveaux énergétiques : Cuisson domestique (rôtir, pocher, cuire à la vapeur ou en croûte ) ou industrielle (cuisson-extrusion ou nouvelles techniques telles le chauffage ohmique ou par infrarouges) Pasteurisation : traitement à 70 C<T<100 C ; pour détruire les formes microbiennes végétatives Stérilisation : traitement à T>100 C ; pour détruire toutes les formes bactériennes (spores) et assurer une conservation à long terme 6 3

4 Le phénomène physique : transferts de chaleur dans l aliment 7 Modes de transferts de chaleur Dans tous les cas, les transferts de chaleur peuvent se faire principalement selon 3 modes : Par rayonnement (rayons infrarouges ou micro-ondes) Par conduction (contact direct avec la source de chaleur) (sans agitation) Par convection (transfert mettant en jeu un fluide dont les mouvements sont importants) (avec ou sans agitation) 8 4

5 Chauffage et transfert thermique L apport d énergie en un point du produit n est pas immédiat (cinétique physique qui se superpose à la cinétique biologique de destruction des microorganismes ou des enzymes) La chaleur progresse de particule à particule et les obstacles à cette progression sont nombreux. Les lois qui régissent les transferts thermiques (chauffage ou refroidissement) dans un matériau reposent sur plusieurs paramètres. 9 Courbes de pénétration de la chaleur Les transferts thermiques se traduisent par des courbes de pénétration de chaleur caractéristiques du produit, du récipient, de son agitation et de la différence de température entre le milieu chauffant et le cœur du produit. Il faut connaître l évolution de la température dans la partie du produit subissant au total (chauffage + refroidissement) le chauffage le plus faible. La position de ce point critique varie en fonction du produit et de l application ou non d une agitation mécanique. 120 Température ( C) Convection forcée Convection naturelle Conduction Milieu chauffant Temps (min) 10 5

6 Position du point critique dans une conserve Il faut connaître l évolution de la température dans la partie du produit subissant au total (chauffage + refroidissement) le chauffage le plus faible. La position de ce point critique varie en fonction du produit et de l application ou non d une agitation mécanique. Transfert thermique de type conductif ou convectif forcé Transfert thermique de type convectif naturel 11 Suivi de la pénétration de la chaleur Thermocouple Presse étoupe Point critique Les disques d enregistrement température/temps sont exigés par la loi (archivage obligatoire) Thermocouple Deux fils en métaux différents sont connectées par leurs extrémités, un courant I circule si T C - T f force électromotrice. Sonde Pt100 Variation de la résistance d un métal en fonction de la température (Pt = grande résistance, petit capteur, stable dans le temps) 12 6

7 Sonde de température embarquée 34 mm Microprocesseur programmable Batterie au lithium (1000 h) Mémoire (+1000 couples t/t) Communication avec le module d interfaçage/pc Sonde température (Ø = 5 mm) précision : ± 0.25 C sensibilité : 0.1 C temps de réponse : 63 % de la variation en 8 s DATATRACE TEMP, société Ball, USA 13 Sonde de température embarquée STERILISATION - PASTEURISATION Les familles d'enregistreurs PicoVACQ, NanoVACQ et NanoVACQ Plat permettent de mesurer la température et la pression à l'intérieur des autoclaves ou des packagings (boîtes de conserves, bouteilles, barquettes). CUISSON Les enregistreurs TMI-Orion (familles PicoVACQ et NanoVACQ) sont adaptés au contrôle de cuisson. Jusqu'à 150 C ils peuvent être utilisés sans boucliers thermiques. Au delà de 150 C, ils doivent être protégés par un bouclier thermique. 14 7

8 Pénétration par convection naturelle Le temps de pénétration dépend surtout du volume des récipients (leur forme et leurs propriétés de conduction interviennent). Un liquide contenu dans un récipient en verre est placé dans un autoclave à 121 C. Le temps nécessaire pour que le liquide atteigne 121 C à cœur est mesuré. Volume (ml) Temps (min) Il faut 12 min pour atteindre 121 C à cœur quand il y a 1 flacon dans l autoclave. Il faut 19 min lorsqu il est placé dans un bac avec d autres flacons Il faut 30 min lorsqu il est placé au centre de bacs empilés. {analogie avec les variations de température de produits disposés sur des palettes} [Un flacon dans une étuve (air chaud statique) s échauffe très lentement] 15 Les techniques : stérilisation et pasteurisation, cuisson 16 8

9 Blanchiment Avant les traitements de stérilisation, le blanchiment des produits végétaux permet : d'éliminer les gaz occlus dans les tissus pour prévenir les phénomènes ultérieurs de bombages, oxydation ou corrosion des boîtes de dénaturer des enzymes "génants" d'assouplir la structure des légumes pour faciliter l'emboîtage ou de réduire le volume des légumes-feuilles Mais les conséquences peuvent être : des pertes par dissolution des pertes par dégradation thermique 17 Différentes méthodes de stérilisation Classique pour tous les types de produits : remplissage-fermeture-stérilisation-refroidissement Autostérilisation pour les produits liquides ou pâteux : stérilisation-remplissage-fermeture-refroidissement Aseptique pour les produits liquides ou pâteux avec des particules solides : stérilisation-refroidissement --> enceinte stérile : remplissage-fermeture 18 9

10 Différentes méthodes de stérilisation La stérilisation dans l emballage? Lorsqu'un aliment subit un traitement thermique dans un emballage étanche, il faut que le barème de stérilisation soit respecté au cœur du volume emballé. Le produit se trouvant au bord de l emballage subit donc un traitement plus long à la température du barème, surtout pour les produits ayant une faible conductivité thermique (limitations diffusionnelles). Il s ensuit un certain nombre d inconvénients pour les qualités organoleptiques du produit. 19 Différentes méthodes de stérilisation La stérilisation dans l emballage? En effet cette surchauffe pourra provoquer une réaction de Maillard (brunissement non enzymatique) qui va avoir pour conséquences : l apparition d arôme «cuit», dû à la formation de diverses molécules volatiles comme l hydroxyméthylfurfural (HMF) ou l anhydride sulfureux H 2 S l apparition d un brunissement dû à la formation de mélanoïdines la dénaturation de vitamines, en particulier celles du groupe B 20 10

11 Différentes méthodes de stérilisation ou l emballage en conditions stériles? C est pourquoi on préfère aujourd hui stériliser d une part les liquides en continu dans des échangeurs de chaleur, d autre part les emballages par des méthodes le plus souvent chimiques. Il faut ensuite emballer le produit dans des conditions stériles. En travaillant de la sorte, l hétérogénéité du couple (temps, température) appliqué au produit est faible et on obtient des produits ayant de meilleures qualités nutritionnelles et organoleptiques. 21 Chauffage par rayonnement Ces procédés complètent les chauffages traditionnels (convection, conduction). Les procédés mixtes associant chauffage classique et rayonnement se multiplient. Les infrarouges et les micro-ondes sont de nature électromagnétique. Ils diffèrent par leurs situations dans le spectre des ondes électromagnétiques : infrarouges : 0,76 < < 10 µm ; micro-ondes : quelques cm < < dizaines cm Si une onde électromagnétique frappe un substrat, son énergie se transforme en énergie mécanique amplification des «vibrations moléculaires»

12 Chauffage par rayonnement Pour les IR, il s agit de vibrations intramoléculaires (liaisons chimiques) et intermoléculaires (liaisons hydrogène). Pour les micro-ondes, le mécanisme le plus important est la rotation bipolaire des molécules (fréquence du champ). Les molécules les plus polaires telles que l eau sont les plus exposées à ce type de mécanisme. Les températures atteintes restent modérées et le temps d exposition relativement court par rapport à un chauffage classique. Le changement d orientation des molécules d eau (dipôle) est de 2,45 milliards de fois par seconde. 23 La cuisson sous vide Le «sous vide» est un procédé au cours duquel le produit est conditionné sous vide puis cuit ( 70 C/n heures), refroidi et conservé au réfrigérateur. Le produit est réchauffé avant consommation. L aliment cuit dans son propre jus (peu de sel) : les pertes d'arômes, nutriments et humidité sont limitées par le procédé. L absence d oxygène est favorable à la préservation de la fraîcheur et à la flaveur de l aliment. Le goût des herbes et des épices est spectaculairement accentué. Le risque potentiel concerne la sécurité microbiologique. La croissance dans le produit de germes pathogènes anaérobies et/ou psychrotrophes est à craindre en raison des méthodes de préparation, de distribution et de stockage

13 Conséquences biologiques et chimiques et organoleptiques : Implications pratiques 25 Caractéristiques initiales de l aliment Qualité initiale déterminante : Les traitements de conservation ou de transformation ne permettent pas de de corriger la défectuosité d une matière première. Toute évolution de la matière première marque le produit. Les caractéristiques du produit (ph, force ionique, a w, potentiel redox) vont influer sur l impact d un traitement thermique aussi bien sur les composants que sur les microorganismes ou les enzymes

14 Chauffage et Vitesse de réaction La température joue sur les vitesses des réactions chimiques et biologiques. La température augmente la vitesse de l ensemble des réactions qu elles soient de synthèse ou de dénaturation (enzymes). La connaissance des vitesses relatives des différentes réactions est à la base de l optimisation des traitements thermiques. 27 Action sur les microorganismes Les microorganismes, comme tous les êtres vivants, sont sensibles à la chaleur. Au-dessous de leur température optimale de croissance, l augmentation de la température accélère leur métabolisme, tandis qu au-dessus, la dénaturation des enzymes nécessaires à leur fonctionnement aboutit à la mort des cellules. À basse température, les transformations biochimiques du produit et la croissance microbienne seront limitées. Ces traitements auront relativement peu d impact sur la viabilité des microorganismes. Au contraire les traitements par la chaleur vont être au moins en partie curatifs et leur objectif est de détruire significativement les microorganismes

15 Action sur les microorganismes Étant données les lois de la destruction thermique des microorganismes, pour augmenter le niveau de sécurité du produit traité on pourra augmenter la température du traitement ou augmenter la durée de traitement ou les deux. Un traitement thermique sera caractérisé par un couple (temps, température) qui caractérisera l efficacité du traitement. Il existe une assez grande hétérogénéité de comportement des microorganismes par rapport au traitement par la chaleur. 29 Action sur les microorganismes Dans le lait, on considère que la plupart des germes pathogènes sont détruits par un traitement thermique à 72 C pendant 15 s. Néanmoins pour obtenir une durée de conservation plus longue, il faut non seulement détruire les cellules végétatives mais aussi leurs formes de résistance appelées spores. Ces spores sont très thermorésistantes et nécessitent des traitements à haute température par exemple 138 C pendant 2 s

16 Action sur les toxines microbiennes La pasteurisation (30 min à 60 C) détruit les formes végétatives des Salmonella, l activité toxique persiste même après une stérilisation (15 min à 121 C). Les toxi-infections à Clostridium perfringens s expliquent par sa spore lui permettant de résister aux conditions défavorables (3 à 4 h de mijotage ou 30 min à 110 C) mais sa toxine est thermolabile. La toxine de Clostridium botulinum est aussi détruite après quelques secondes à 100 C. Les aflatoxines (mycotoxines) sont produites dans des graines (riz, arachide, soja, blé ) et dans les produits dont la teneur en eau est supérieure à % (aw > 0,75). Ces toxines sont insensibles à l ébullition et à un autoclavage de 4 heures à 121 C. L histamine (décarboxylation de l histidine par enzymes endogènes ou bactériennes) est thermostable. 31 Lois de destruction thermique La destruction thermique des microorganismes et de leurs spores par la chaleur suit une cinétique d'ordre 1 : log N0 N t D t : temps de chauffage à la température T T : constante D : temps de réduction décimale à T D T, temps de réduction décimale, est le temps nécessaire à la température T pour diviser par 10 le nombre de microorganismes initialement présents 32 16

17 Temps de réduction décimale D T D T correspond au temps nécessaire pour que le nombre de germes soit divisé par 10 à la température T. Plus la valeur de D T est élevée, plus la thermorésistance de la souche étudiée est grande. Pour une température donnée, D T varie d une espèce à une autre et dépend des caractéristiques du milieu. 1.00E E E E E E E E E+00 D T Temps T = Cte Courbe de survie 33 D T = f(ph), a w, ph Variation de D 121 C (s) pour les spores de Cl. botulinum en fonction du ph Effet de la chaleur quand l a w Type A B* E F* D 110 (min) 2,8 1,35 0,8 1,6 Variation de D 110 C (min) en fonction des types de Cl. Botulinum [* B et F protéolytiques] 34 17

18 Lois de destruction thermique La destruction est directement proportionnelle au nombre de microorganismes présents (cinétique du premier ordre) La stérilité absolue n est jamais atteinte probabilité de survie Il apparaît que plus N 0 est faible (contamination initiale modérée, bonne hygiène), plus le temps de chauffage nécessaire sera court pour stabiliser le produit D avec la résistance du germe à la chaleur. 35 Lois de destruction thermique La diminution du temps de réduction décimale D en fonction de la température suit une cinétique d'ordre 1 : log D0 T T0 DT z z est l augmentation de la température requise pour entraîner une réduction de D ou du temps de traitement de 90%. En connaissant z, caractéristique d'une souche, et D à une température T, il est possible de calculer D pour toutes les températures. z et D T permettent donc de caractériser la thermorésistance d'un microrganisme lors d'un traitement thermique quelconque 36 18

19 Influence de la température sur D La relation entre la vitesse relative de destruction thermique des microorganismes et la température peut être représentée par l équation d Arrhenius. E a RT k A e Le temps de réduction décimale D et le temps t de stérilisation sont fonction de la température. Cette fonction s exprime par : log D T1 DT2 log t 1 t 2 T 2 T1 z 37 Valeur stérilisatrice F D T et D Tréf sont les valeurs de D pour les températures T et T réf, et z est l élévation de température nécessaire pour diviser par 10 le temps de réduction décimale ou le temps de stérilisation. DT*10 T Tréf z Dréf tt*10 T Tréf z ttréf F La valeur stérilisatrice F correspond au temps de traitement t à T réf = 121,1 C = 250 F avec z = 10 C (facteur de thermorésistance des spores bactériennes) 38 19

20 Indicateur de stérilisation L expérience montre que la stérilisation est obtenue si le traitement thermique permet 12 réductions décimales de C. botulinum à 121,1 C. Si D = 12,3 s en milieu tampon ph 7, le temps de stérilisation à 121,1 C est : t D log N 0 N 12,3 log s C. sporogenes est souvent utilisé comme indicateur pour l établissement des barèmes de stérilisation à la place de C. botulinum. La variabilité de la charge microbienne et de sa nature justifie des marges de sécurité relativement grandes. Des ingrédients comme le sucre, l amidon ou les épices peuvent présenter des charges microbiennes élevées. 39 Signification de la valeur stérilisatrice Une F = 3 signifie qu un chauffage de 3 min à 121,1 C au point critique du produit est estimée comme nécessaire et suffisant pour assurer une réduction de à 10 0 du nombre de C. botulinum dans les produits de ph 4,5. Type de conserve F 0 appliquées Barème* Petits pois 10 à min/116 C Champignon 6 à min/122 C «Corned beef»** 6 à min/116 C * Les barèmes sont indiqués pour des boîtes métalliques cylindriques 1/2 forme haute (** boîte métallique troncopyramidales 7 oz), température initiale > 60 C (**> 10 C), stérilisation en statique

21 Pasteurisation La pasteurisation ne vise qu une destruction sélective de la flore microbienne (formes végétatives des pathogènes, flores concurrentes à une culture, problème organoleptique, stabilisation facilitée par le ph ou l a w ) La valeur pasteurisatrice est établie comme la valeur stérilisatrice mais avec des références différentes : z VP F T réf tt*10 T Tréf z VP souvent avec z = 7 C et T réf = 70 C Le microorganisme pris comme référence dépend de la nature des produits traités. Pour les produits acidifiés par exemple, le microorganisme de référence est souvent Bacillus coagulans et z = 8.9 C avec Tréf = 93.3 C, mais le contrôle du ph est primordial : avec ces références, un traitement de 0.1 min est suffisant à ph<3.9 mais 20 min sont recommandées à ph 4.4 (National Canners Association). 41 Pasteurisation ph < 4,5 et T < 100 C pasteurisation stabilisante (+ cas d une faible a w ) ph > 4,5 et T < 100 C pasteurisation associée au froid et à une durée limitée (l'addition de sucres ou de sels, l utilisation d emballages hermétiques complètent le dispositif de protection ) Un produit acide pasteurisé et non refroidi (70 C < T< 85 C) peut être directement conditionné dans des récipients préchauffés. La fermeture et le retournement du récipient pendant 3 à 4 min permet d obtenir une autopasteurisation suffisante de l ensemble produit, récipient, système de fermeture

22 Valeur cuisatrice La plupart des modifications qualitatives des aliments au cours de la cuisson (couleur, flaveur, texture destruction d'une vitamine ou viscosité) suivent le même type de cinétique que la destruction des microorganismes et l'on utilise les mêmes paramètres D et z pour les estimer avec la valeur cuisatrice : z VC F Tréf Le plus souvent avec Tréf = 100 C Et z = 25 C pour la dégradation des vitamines B et C ou les pertes de couleur des végétaux ou l'aptitude à la cuisson des haricots secs Ou z = 33 C pour la texture des viandes VC 100 tt*10 T Valeur cuisatrice Critère dégradation de la vitamine B1 dégradation de la vitamine C formation de la couleur qualités sensorielles texture de la viande bovine dépôt de gelé (jambon) z ( C) 26 à à Valeur cuisatrice et valeurs de z pour différentes caractéristiques d un produit chauffé C est la périphérie du produit qui subit les dommages de cuisson les plus importants. Les modifications qualitatives sont de moins en moins marquées de la périphérie vers le cœur. Il faut : minimiser les effets négatifs de la cuisson à la périphérie minimiser la différence de cuisson entre la périphérie et le cœur

23 Valeur cuisatrice Les valeurs pasteurisatrice et cuisatrice sont calculées aux deux extrêmes, c est-à-dire à cœur et à la périphérie, pour caractériser le plus précisément possible une cuisson. Lors d'un transfert conductif, comme pour les pâtés ou le foie gras, la valeur stérilisatrice est faible à cœur et il vaut mieux travailler à basse température pour limiter la cuisson en périphérie. Lors d'un transfert convectif, comme pour les légumes en saumûre ou les liquides, l'augmentation de la température de traitement permet de réduire les valeurs cuisatrices à cœur et en périphérie d'autant plus facilement que la valeur stérilisatrice est élevée à cœur : c'est le principe des traitements HTST (High Temperature Short Time) 45 Traitements haute température-courte durée Une efficacité donnée (F) peut être obtenue à différentes températures. L accroissement de la vitesse de la réaction en fonction de l augmentation de la température variant d une réaction à l autre, il est possible d accroître fortement une réaction tout en minimisant les effets sur une autre réaction. t (min) A C B Spores bactériennes : stérilisation pratique A : F = 0,2 min ; z = 10 C B : F = 8,0 min ; z = 10 C Thiamine (N/N 0 = 10 %) C : F = 8,0 min ; z = 33 C 0,1 T ( C) 121,1 Effet du couple temps-température du traitement sur la destruction de spores et de la thiamine Une température plus élevée, associée à une durée plus courte, permet d avoir une même destruction de spores tout en perdant 46 moins de thiamine 23

24 Stérilisation et qualité Dans la pratique, des traitements sévères sont appliqués pour augmenter la durée de conservation sans atteindre les zones de chauffage responsables de goût de cuit ou de diminution de la valeur nutritionnelle. Température x 9, C x 2,4 Impact sur la vitesse de destruction des microorganismes Impact sur la vitesse des réactions chimiques 47 Conséquences physiques et organoleptiques Les modifications physiques et organoleptiques (couleur, odeur, saveur, etc.) apportées par la cuisson concernent des molécules généralement plus secondaires sur le plan nutritionnel. Au niveau de la structure des aliments, ce sont essentiellement leur texture et leur consistance qui sont changées par la cuisson

25 Conséquences physiques et organoleptiques Les viandes à cuisson rapide (steaks, filets, entrecôtes, etc.) sont peu transformées d'où l'importance de la tendreté initiale de la viande. Par contre, les viandes à cuisson longue (pôt-au-feu, braisés, etc.) sont davantage modifiées, en particulier au niveau de leur trame conjonctive, car le chauffage du collagène transforme celui-ci en gélatine peu résistante (mais conservant malgré tout une faible qualité nutritionnelle). 49 Conséquences physiques et organoleptiques Les légumes et fruits frais perdent leur fermeté initiale à la cuisson à la suite à la désorganisation de la paroi squelettique pecto-cellulosique entraînant une libération en solution des molécules de pectines qui peuvent reformer un gel avec des ions calcium lors du refroidissement (raffermissement). La cuisson de ces produits en eau adoucie est donc recommandée 50 25

26 Conséquences chimiques et organoleptiques Modifications des aliments la cuisson et changements organoleptiques Produit Viandes et poissons Produits amylacˇs (produits cˇrˇaliers, pommes de terre, manioc, etc.) Mati res grasses Phˇnom ne intervenant au cours de la cuisson Gˇlification des protˇines (collag ne) Auto-oxydation des lipides Libˇration de nuclˇotides solubles Rˇaction de Maillard Dˇnaturation de la myoglobine Gˇlatinisation de lõamidon et autres polysaccharides Oxydations des acides gras insaturˇs et des composˇs isoprˇno des (stˇrols, carotˇno des...) Impact sur les qualitˇs organoleptiques Amˇlioration de la texture (tendretˇ) Gen se des composˇs de saveur, dõodeur et dõar me Changement de la couleur de la viande Changement de la texture Rancissement, gen se de produits aromatiques dˇsagrˇables, gen se de composˇs polycliques ou de polym res dõacides gras, etc. 51 Conséquences chimiques Les modifications des aliments à la cuisson sont synomymes de modifications des molécules alimentaires : Les modifications chimiques dues aux cuissons affectent les différents groupes de molécules à rôle nutritionnel (protéines, glucides, lipides et vitamines). Des interactions entre molécules alimentaires se produisent aussi (brunissement non enzymatique ou réaction de Maillard)

27 Conséquences chimiques Modifications des molécules alimentaires Incidences : Pertes de nutriments importants (acides aminés indispensables, acides gras essentiels, vitamines) Apparition éventuelle de molécules toxiques Exemples : produits résultants de chauffages excessifs dans les huiles de friture ou les viandes et poissons grillés 53 Références Barêmes de stérilisation pour aliments appertisés, Conservation des Produits Agricoles, Structure des aliments, C. SIRET, Techniques de l'ingénieur, Centre technique de la Technologies de transformation des produits agroalimentaires, H.E. SPINNLER, Techniques de l'ingénieur, Modifications biochimiques des constituants alimentaires, D. LORIENT, Techniques de l'ingénieur, La conserve appertisée, aspects scientifiques, techniques et économiques, J. LAROUSSE Coordonnateur, Tec&Doc, Lavoisier, Paris, Génie industriel alimentaire, Tome 1 : Les procédés de conservation, 2ème Edition, P. MAFART, Tec&Doc, Lavoisier, Paris, Génie des procédés alimentaires - Des bases aux applications, J.J. BIMBENET, A. DUQUENOY, G. TRYSTRAM, Dunod, Paris,