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Des surgelés sous le microscope à rayons X d’ANATOMIX

Alors qu’ils représentent une partie significative des produits alimentaires surgelés, peu d’études portent sur les mécanismes intervenant à l'échelle microscopique lors de la congélation des produits poreux comme les mousses, le pain ou les pâtisseries. Dans le cadre d’un travail de thèse co-dirigé par des équipes de l’INRAE, de l’Université Paris-Saclay, d’AgroParisTech, de l’Université Grenoble Alpes, du CNRS et de Météo France, ces mécanismes ont été étudiés par microtomographie X sur la ligne ANATOMIX à SOLEIL. Le protocole d’analyse mis au point pourra être étendu à la caractérisation de la microstructure d’autres produits congelés.

Figure 1 : Cellule CellStat installée sur le microtomographe de la ligne ANATOMIX. Les branchements nécessaires sont le fluide caloporteur et 2 câbles électriques pour sonde et contrôle du module à effet Peltier, l’arrivée d’air sec.

La maîtrise de la chaine du froid conditionne la qualité des produits alimentaires surgelés de leur production, à leur consommation. La compréhension des modifications physiques pouvant altérer leur qualité notamment sous l'effet des fluctuations de température est nécessaire. Nous savons que ces modifications sont essentiellement liées à la microstructure initiale des produits définie par le procédé de congélation lors de la formation des cristaux de glace. Cette microstructure est ensuite amenée à évoluer avec notamment les phénomènes de recristallisation (croissance en taille des cristaux de glace) et de sublimation (déshydratation en surface et formation de givre) qui interviennent en cours de stockage. S’il est maintenant reconnu que la microstructure des produits alimentaires influence dans une large mesure leurs propriétés physiques, texturales et organoleptiques, mais aussi leur stabilité et donc leur durée de vie, les mécanismes qui interviennent à l'échelle microscopique restent encore peu maitrisés. La majorité des études traitant de la microstructure des aliments surgelés concerne les produits carnés et autres produits de la mer. Quelques-unes concernent les produits végétaux. Les produits poreux sont quant à eux assez peu traités alors qu’ils représentent une partie significative des produits alimentaires subissant une congélation comme les mousses, le pain ou encore les pâtisseries. Leur grande porosité (>50%) les rend plus difficiles à étudier, notamment du fait des transferts d’eau couplés à des transferts de chaleur à l’interface pore-matrice (phénomène d’évapo-condensation).

Afin d’étudier la congélation et le stockage de produits alimentaires poreux surgelés, des équipes d’INRAE, de l’Université Paris-Saclay, d’AgroParisTech, de l’Université Grenoble Alpes, du CNRS et de Météo France se sont associées autour d’un travail de thèse. Pour cette étude, un produit poreux modèle de formulation simple et de fabrication maîtrisée a été développé (matériel modèle de type génoise). Depuis plusieurs années, ces équipes utilisent la microtomographie par rayons X afin de visualiser et caractériser en trois dimensions la microstructure de produits alimentaires et non alimentaires congelés comme la neige à Météo France. Elles ont développé des cellules spécifiques pour le maintien d’échantillons à l’état congelé pendant des mesures de tomographie X mais aussi afin de pouvoir faire varier sa température et ainsi suivre l’évolution de sa structure. La cellule CellStat développée au sein du CEN/CNRM pour la neige en est un exemple (Figure 1).

L’un des défis dans ce travail est de pouvoir accéder à des images en 3D avec un contraste suffisant au sein de la génoise permettant de différencier les pores, la glace et la matrice et avec une résolution spatiale allant de l’échelle submicronique à plusieurs centaines de microns et une résolution temporelle acceptable. Seule la microtomographie par rayons X au synchrotron permet d’accéder à de telles images (Figure 2).

Figure 2 : Coupe XY de génoise :
(a) avant congélation
(b) après congélation rapide
(c) après congélation lente
(d) après congélation lente et stockage 7 jours à -20°C

La ligne de lumière ANATOMIX au synchrotron SOLEIL est dédiée à l’imagerie tridimensionnelle par rayons X à ces échelles et permet de fournir des radiographies de qualité exceptionnelle en termes de contraste et de résolution. Cet instrument fonctionne dans une gamme d’énergie photonique suffisamment basse, adaptée à l’imagerie de produits peu denses et peu absorbants comme les produits biologiques et alimentaires. Une collaboration avec la ligne ANATOMIX a alors été initiée sur cette thématique. Des essais préliminaires ont permis d’adapter la cellule CellStat à la platine de microtomographie et pour des échantillons de génoise.

Des séries de mesures sur la ligne de lumière ANATOMIX ont permis de réaliser de l’imagerie à haute résolution (taille du voxel 0,65 µm) de plus d’une cinquantaine d’échantillons de génoise avant et après congélation avec différentes conditions de stockage au laboratoire : congélation lente et rapide, stockage pendant des durées différentes à température constante ou avec fluctuations de température calibrées.

Les images obtenues ont permis de mettre en évidence la microstructure de la génoise avant (Figure 2a) et après congélation (Figure 2b, 2c et 2d). Les pores apparaissent en noir sur les coupes horizontales, la matrice de la génoise en gris très clair et la glace en gris plus foncé. Lors de la congélation rapide (17 °C/min), la glace semble uniformément répartie au sein de la matrice de la génoise (Figure 2b), aucune couche de glace ne s’est formée à l’interface matrice/pore, l’eau ne semble pas avoir eu le temps de diffuser vers les pores, mais des cristaux isolés apparaissent. Une visualisation en 3D (Figure 3) permet une appréciation de la forme et de la localisation de ces cristaux. Durant la congélation lente (0,3 °C/min), une couche de glace épaisse s’est formée à l’interface (Figure 2c), l’eau contenue dans la matrice semble avoir diffusé vers les pores. Durant le stockage à -20°C pendant 7 jours d’un échantillon congelé lentement (Figure 2d), la structure de l’échantillon congelé est légèrement modifiée, la couche de glace à l’interface pore/matrice s’est épaissie, conduisant même au remplissage de certains pores. Ces premières analyses montrent que la microstructure et les phénomènes à l’interface semblent dépendants de la rapidité de la congélation et de la durée de stockage. Une analyse plus fine de ces images devrait aider à mieux comprendre les mécanismes de transport d’eau mis en œuvre lors de la congélation et du stockage de produits poreux.

Figure 3 : Visualisation 3D de la structure poreuse d’une génoise congelée rapidement. La matrice est représentée en blanc alors que la glace est représentée en gris. La répartition et la morphologie des cristaux de glace à l’interface des pores apparaissent clairement.

De façon plus générale, la méthodologie mise au point dans la fabrication d’échantillons tests calibrés, leur maintien en température lors de mesures de tomographie X et le traitement systématique des images obtenues sur la ligne ANATOMIX peut être étendue à la caractérisation de la microstructure d’autres produits congelés nécessitant un maintien à basse température qu’ils soient alimentaires, biologiques ou non.