Evaluation des propriétés d`un fondant de base et

La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94
Evaluation des propriétés d’un fondant de base
et production industrielle
G. BUSSIERE 1 et T. TABOURET 2
1. Conseiller scientifique France Fondants
2. Enseignant-chercheur de l’IUT de Biologie, Université de Dijon.
Avant-propos
France Fondants est né en 1991 de la volonté des
2 principales entreprises françaises opérant sur le
marché des avant-produits de pâtisserie, de
construire un pôle de taille européenne dans le
domaine du fondant en s’appuyant sur les compétences d’un groupe sucrier. France Fondants a donc
pour “Sociétés mères” deux Sociétés à vocation
commerciale : Bial, filiale française du groupe
Boehringer Ingelheim, (née du regroupement de
Produits Marguerite, SOGAP et Dejaut) et
Patisfrance, filiale française de Schwartau, ainsi
qu’une Société à vocation industrielle, Sucreries et
Distilleries de l’Aisne, 4ème groupe sucrier français.
1
Connaissances actuelles
sur le fondant
1.1 DÉFINITION
DU FONDANT
Le fondant est un produit traditionnel de la confiserie-chocolaterie et de la pâtisserie. Il peut être
défini comme suit : produit sucre, de couleur
blanche, de consistance pâteuse et de texture hétérogène (semi-cristallisé).
Il comporte donc 2 phases en équilibre de saturation :
• une phase discontinue solide constituée de
microcristaux de saccharose (de taille inférieure à 25
microns pour ne pas être détectés à la dégustation.)
• une phase continue liquide enrobant les cristaux
composée :
- de l’eau de la formule
- du sirop de glucose (anticristallisant)
- de la fraction non cristallisée du saccharose
Le fondant est fabriqué selon une technologie
typiquement confiserie.
En fait, par fondant, il faut entendre une large
gamme de produits différents par la texture et la
viscosité et adaptés à des utilisations diverses :
a) fondant pour glaçage
b) fondant pour fourrage
c) fondant à enrober
d) fondant à candir
La spécificité du fondant pâtissier découle essentiellement de l’organisation du marché français,
resté largement artisanal :
L’avant-produit est utilisé soit en glaçage, pour un
décor de surface “retravaillé” par un tempérage
vers 35 40°c, aromatisé et allongé d’un peu d’eau ou
de sirop de sucres, soit en fourrage mélangé avec de
la matière grasse, par exemple, et aromatisé.
Le conditionnement se fait dans la plupart des cas
dans des unités de petite taille, en l’occurrence des
poches souples (de 10 à 25 kg) placées dans une
boîte carton, ou encore dans des seaux plastique.
61
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1.2 TECHNOLOGIE
DU FONDANT
1.2.1 Composition
- eau
9 à 14 %
- saccharose
65 à 85 %
- sirop de glucose (38 40 DE) 6 à 20 % (exprimé
en matières sèches)
Au plan de la composition, il s’agit donc d’un produit d’une grande simplicité, en particulier il ne
renferme aucun agent de texture.
1.2.2 Procédé de fabrication
a) dosage des ingrédients
b) cuisson sous pression permettant la dissolution
du sucre suivi d’une détente (retour à pression
atmosphérique) entraînant la vaporisation de l’eau
en excès.
c) refroidissement jusque vers 50°c conduisant à
une sursaturation très élevée.
d) battage : action mécanique violente générant
une population très dense de microcristaux de saccharose. La cristallisation est exothermique et
entraîne un réchauffement de 10 à 15°c.
e) maturation : phase statique de longue durée
(de quelques heures à plusieurs jours) durant
laquelle vont de pair : poursuite de la cristallisation
et refroidissement.
1.2.3 Matériels
Les 2 premières opérations constituent le fondeCritères d’appréciation d’un fondant
1. Examen du fondant en “l’état”
➯ Blancheur
➯ Brillance
➯ Plasticité
2. Aptitude à l’emploi du fondant “préparé”
➯ Etalement
➯ Extrusion
➯ Trempage
3. Tenue dans le temps
➯ Craquèlement
➯ Ecoulement
ment de la technologie de confiserie, elles peuvent
donc être réalisées avec tout équipement industriel
existant sur le marché. La phase de refroidissement
est capitale car elle doit conduire le sirop jusqu’à un
niveau élevé de sursaturation sans développement
intempestif de cristallisation. Deux techniques existent : soit un refroidissement en film mince sur tambour refroidi (procédé Baker et Ter Braak), soit un
refroidissement par vaporisation sous vide poussé
(procédé Otto Hansel).
La phase de battage est limitée aux cas où l’on
veut générer une phase cristalline à partir de sirop
sursaturé. L’appareil utilisé s’appelle un “canon à
fondant” : fourreau refroidi muni d’un ou de deux
arbres parallèles portant des pales et assurant une
action mécanique violente.
A titre d’information, France Fondants dispose de
2 lignes de production :
• une ligne basée sur le refroidissement sur tambour (débit 2,0 T/h).
• une ligne basée sur le refroidissement par vaporisation sous vide (débit 1,6 T/h).
1.3 EVALUATION
Le jugement du client utilisateur est évidemment
“souverain”. S’agissant d’un utilisateur artisan, son
appréciation est largement empirique. D’une façon
synthétique, le fondant doit lui apporter 3 niveaux
de satisfaction :
1° Appréciation à réception du fondant “en l’état”
Phénomènes mis en jeu
Couleur du sirop après cuisson :
➥ qualité des matières sucrantes
➥ procédé de cuisson
Diffraction de la lumière : nombre et taille de cristaux
Enrobage des cristaux par le sirop
Critères rhéologiques dépendant de :
➥ rapport phase liquide/phase solide
➥ viscosité de la phase liquide (teneur en eau,
teneur et type de sirop de glucose)
➥ surface développée des cristaux
Dessèchement
 
Air ambiant
Aw
Reprise d’eau
Tableau 1 : Critères d’appréciation d’un fondant en liaison avec la technologie du fondant.
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DE LA QUALITÉ
DU FONDANT
Etat du support (gâteau)
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Réfractométrie
Fondant après dilution pondérale
➡ 1 fondant + 1 eau
➡ 1 fondant + 2 eau
➡ 1 fondant + 9 eau
➡ 1 fondant + 3 sirop de sucre
➡ 1 fondant + 3 sirop de sucre
+3 eau
Observations


Pureté
non
modifiée
Augmentation
de la
Pureté
Séchage à l’étuve
Etuve atmosphérique 105° C
durée : 3/4/5/6 > 6h
Etuve sous vide 500 mm Hg 80° C
➞ liaison au vide maintenue/coupée
➞ avec ou sans sable (Fontainebleau,
Origny)
➞ avec ou sans silicagel
durée : 3 à 26 h
Séchage sous Infrarouge
Tableau 2 : Divers modes de mesure de l’humidité (Fondants et sirops de glucose).
• Blancheur et brillance
• Plasticité
2° Aptitude à l’emploi du fondant “préparé”
• Etalement à la spatule
• Extrusion à l’aide d’une “poche à douille”
• Trempage des gâteaux
3° Tenue dans le temps :
Sachant que les produits de pâtisserie fraîche ont
une “durée de vie” de 48 h en armoire réfrigérée.
Dans le tableau 1, nous avons classé, dans la partie gauche, les critères d’appréciation ; alors que
dans la colonne de droite sont recensées les causes
les plus probables. En définitive, une meilleure
connaissance du fondant par une approche rigoureuse et scientifique, s’avère délicate compte tenu
de la complexité du problème, résumé par :
1° Approche purement empirique des utilisateurs
2° Diversité des modes de “préparation” du fondant avant emploi
3° Diversité des techniques de mise en œuvre sur
les pâtisseries
4° Variabilité des conditions de stockage des produits de la pâtisserie.
A cette complexité propre à l’utilisateur, s’ajoute
la complexité intrinsèque du fondant due principalement à son hétérogénéité de texture. (équilibre
entre une phase cristalline et une phase liquide).
2 Connaissance du fondant
Nos efforts ont porté sur une détermination plus
précise de la phase cristalline : (quantitativement et
qualitativement), partant de l’hypothèse que cette
détermination nous aiderait à la compréhension
des propriétés technologiques.
2.1. DÉTERMINATION
DE L’HUMIDITÉ
La première difficulté rencontrée a porté sur la
mesure de l’humidité, tant au niveau des matières
premières (sirop de glucose) qu’à celui du fondant.
Nous avons comparé les résultats trouvés par
réfractométrie après solubilisation de la phase cristalline par dilution, avec ceux trouvés par étuvage,
selon différentes modalités (Tableau 2).
Les expériences ont été conduites par des personnes différentes à des époques différentes. Nous
avons constaté une dispersion des résultats supérieure à 10 % en valeur relative !
Concernant les analyses réfractométriques, en
plus de la correction habituelle en fonction de la
température, une deuxième correction de lecture
est en principe nécessaire en fonction de la concentration et de la pureté de la liqueur observée. Mais
elle est difficile à calculer d’après les données de la
bibliographie (Flavell, cité par Junk & Pancoast
1973).
L’adjonction de sirop de sucre a pour but d’augmenter la pureté de la liqueur. En effet, toujours
d’après la bibliographie citée, lorsque la pureté
atteint au moins 96, la correction à appliquer est du
même ordre que l’erreur de lecture au réfractomètre et devient donc facultative. Mais lorsqu’on
augmente le facteur de dilution, on multiplie aussi,
au niveau du calcul final, par ce même facteur l’erreur de lecture réfractométrique.
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température oC
Cinétique de température
fondant carton
de 10 Kg sur palette
70
60
o
C centre palette
50
o
C bord palette
40
30
20
10
0
0
20
40
60
temps en heures
80
100
120
Figure 1 : Cinétique de température d’un fondant conditionné en carton de 10 Kg sur palette.
2.2. OBSERVATIONS
2.3 CALCUL DE LA PHASE CRISTALLINE
À L’ÉQUILIBRE DE SATURATION
MICROSCOPIQUES
Nous nous sommes bornés à la microscopie
optique, en lumière blanche et polarisée. La microscopie à balayage est en effet compliquée par la
présence d’eau. Il est difficile de tirer des données
quantitatives de telles observations, car l’analyse
d’images est peu adaptée au cas des cristaux, même
petits. Par contre, ces observations sont utiles lorsqu’on suit un process méthodologique ou technologique.
Il suppose aussi que l’on connaisse la limite de
solubilité de chaque type de liquidus à toutes les
Cinétique de température
fondant seau
individuel 15 Kg
température oC
70
Ce calcul suppose d’abord que l’équilibre de saturation soit atteint. Il n’est donc pas recevable au
cours de la fabrication, puisqu’il faut attendre une
période de maturation de plusieurs jours avant de
voir se stabiliser les températures (figure 1, figure 2).
60
o
C cœur
50
o
C bord
40
30
20
10
0
0
5
10
15
temps en heures
20
Figure 2 : Cinétique de température d’un fondant conditionné en seau individuel de 15,5 Kg.
64
25
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températures de saturation envisagées. Or les données bibliographiques dans ce domaine sont particulièrement pauvres (Jackson and Silsbee 1924).
2.4 MESURE
DE LA POPULATION
CRISTALLINE PAR SÉPARATION
Toute mesure concernant le fondant se heurte à
une difficulté de taille : l’impossibilité pratique de
le manipuler, vu sa consistance élevée, ne serait-ce
que pour le transférer dans un tube.
On est donc amené à le “diluer” pour l’assouplir.
Le diluant doit être juste saturé en saccharose dans
les conditions de la manipulation. Il doit seulement
diluer l’échantillon initial pour faciliter la séparation des cristaux, donc à la plus faible dose possible
pour le modifier le moins possible.
Le diluant le plus simple est la solution aqueuse
de saccharose, soit environ 68 Brix à température
ambiante. Le principe de la méthode est reporté
dans le tableau 3.
Nous avons expérimenté quelques variantes,
notamment par HPLC, mais sans grand succès. La
fiabilité de la méthode serait fortement améliorée
si l’on pouvait effectuer la séparation complète du
mix en deux fractions. Nous n’y sommes pas encore
parvenus.
2.5 MESURE
PAR
RMN
PULSÉE
Dans le contrôle de routine des margarines, la
RMN pulsée sert à déterminer la proportion de cristaux en fonction de la température. Son principal
intérêt est la (relative) simplicité et rapidité des
100 Fd

∑ sucre cristallisé
Eau
x = MSG + SD

liquidus Fondant +
manipulations. La précision admise est de 1 à 2 %.
Le principe de la RMN pulsée consiste à appliquer
des pulsions magnétiques très brèves (moins de
deux microsondes) au matériau sous analyse placé
dans un champ magnétique principal perpendiculaire aux pulsions. Les protons du matériau,
momentanément déviés dans leur vibration par les
pulsions, reviennent progressivement s’aligner sur
le champ principal. Ce phénomène se traduit par un
signal d’induction libre mesurable, qui s’affaiblit
suivant une courbe appelée FID (Free Induction
Decay ou Atténuation de l’Induction Libre).
Nous avons utilisé deux méthodes de calcul :
• Dans la première (Rubel 1985), un modèle
mathématique est ajusté en 2 points A et B de la
courbe FID* de deux margarines connues, par ex :
A = 10 microsecondes
B = 60 microsecondes
Voir figure 3
Ce modèle permet, à partir des mesures A et B sur
une margarine inconnue, d’extrapoler la valeur a’
au temps 0. Le pourcentage de protons appartenant au solidus est
100
a’ – b
a’
La méthode INRA (non publiée) modélise séparément deux branches de la courbe FID, une pour le
solidus seul, une pour le liquidus seul. Le pourcentage de protons appartenant aux cristaux est alors
100
α x 100 =
sirop saturé

a
a + b’
eau 32
sucre 68
α = coefficient de dilution
MSG = Matières Sèches Sirop de Glucose
SD = Sucre Dissous
❶ Mixage
❷ Filtration ou essorage
❸ Réfractométrie sur le Liquidus
l=
x + 68 α
E + x + 100 α
➎ Calcul de x à partir de l’équation (R)
Calcul de ∑ = 100 – (E + x)
Erreur d∑ = –
(R)
dE
–
(100 – S)α + E
1–l
(1 – l)
En pratique +/– 2 % environ
2
dl
❹ Mesure de E
Tableau 3 : Mesure de la phase cristalline du fondant ; principes des mesures.
65
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Nous avons dû diluer le fondant pour le transférer dans les tubes RMN, à cause de leur faible diamètre (4 à 7 mm). Cette dilution fait disparaître les
différences de viscosité des liquidus et par suite fait
disparaître aussi les différences de FID des fondants,
de sorte que les mesures de FID ne sont plus significatives.
Amplitude
a
FID
a'
IDU
3 800
SOL
4 000
S
3 600
3 400
b'
2.6 MESURE PAR RÉFLECTOMÉTRIE
LASER (PARTEC)
3 200
3 000
LIQUIDU
S
b
2 800
Le Partec mesure la réflexion d’un mince rayon
laser (diamètre = 1 mm) qui balaye une fenêtre
immergée dans la suspension voir figure 4.
2 600
2 400
2 200
2 000
0
10
A
20
30
40
microsecondes
50
60
B
Figure 3 : Fondant RMN pulsée.
Une variante a aussi été testée, basée sur la courbe du liquidus seul, puisque dans le fondant tout ce
qui n’est pas liquidus représente des cristaux. Il faut
alors peser l’échantillon avant analyse. Les résultats
ont été décevants.
En premier lieu, l’extrapolation au temps 0 (que
nous avions réussie dans le cas du chocolat, par ex.)
exigerait pour les fondants un appareil très performant mais peu accessible.
Mais surtout, contrairement à la théorie, la granulométrie des cristaux et la viscosité propre du
liquidus sont apparues ici prépondérantes dans le
signal FID.
La suspension est agitée vigoureusement pour
que l’écoulement devant la fenêtre soit turbulent.
Cela implique donc, une fois encore, de diluer
convenablement le fondant avant mesure.
L’appareil mesure la distribution en nombre des
cordes qu’il détecte.
Mais le logiciel peut, en faisant l’hypothèse que
ces cordes appartiennent à des sphères par classes
de taille, afficher une autre distribution en nombres
appelée “sphérique”, ou une distribution en
volumes, donc en masse dans le cas du fondant
puisqu’il n’y a qu’une famille de particules en suspension : les cristaux.
Cette dernière distribution souligne l’importance
des gros cristaux, car un petit nombre de gros cristaux peut représenter une grande partie de la masse
totale. A l’inverse, la distribution exprimée en
nombre favorise la comptabilisation des fins cristaux.
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
Flux de
particules
tête de mesure
lentille
de balayage
source lumineuse
fenêtre de mesure
Figure 4 : Réflectomètre laser Partec.
66
zone de
balayage
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La courbe de cette figure peut être regardée
comme l’étalonnage, fiable dans les conditions testées, d’une population de cristaux de granulométrie moyenne 20 microns, pour une concentration
comprise entre 5 et 15 %.
TM = Nombre total de mesures
22 500
22 000
M = 23 µ
Me = 13 µ
22 000
21 500
Incontestablement, cette méthode mérite une
étude plus approfondie, s’il se confirme qu’elle
peut fournir, en une seule manipulation, à la fois la
proportion en masse des cristaux et leur granulométrie.
21 368 M = 21,6 µ
21 000
20 500
20 000 M = 20,3 µ
20 000
2.7 GRANULOMÉTRIE AVEC
COULTER COUNTER ET
DIFFRACTOMÉTRIE MALVERN
19 600 M = 19,6 µ
19 500
19 000
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
% cristaux
Figure 5 : Réflectométrie Laser Partec.
L’appareil indique aussi le nombre total des
mesures par cycle de balayage (TM). Ce nombre est
proportionnel à la concentration en nombre des cristaux dans la suspension. Par exemple ; ce nombre
augmente si des cristaux se brisent en cours de mesure ; ou si l’agitation plus intense les ramène plus souvent devant la fenêtre ; ou si elle privilégie les fins
cristaux. Mais (TM) diminue si on augmente la focale
du laser car le signal réfléchi s’affaiblit (figure 5).
Contrairement aux cas précédents, où le fondant
était faiblement dilué pour le rendre malléable, il
est ici préalablement désagrégé par ultrasons puis
mis en suspension très diluée (environ 1 g/litre), et
seule la répartition granulométrique est recherchée. L’étude a été faite comparativement entre les
deux appareils.
Notre préférence est allée au Coulter Counter car
il présente à notre avis sur le diffractomètre
(Mastersizer X) des avantages théoriques et pratiques appréciables.
Comme on le voit, l’interprétation des valeurs des
paramètres affichés et de leurs variations est très
délicate car de nombreux facteurs peuvent les
influencer à l’instar de l’agitation.
Au plan théorique, la distribution en volumes
affichée par le diffractomètre repose sur l’hypothèse de particules sphériques, alors que son rayon
laser détecte par diffraction, en réalité, leur surface
projetée, donc plane (voir figure 6).
Nous avons cependant réussi à trouver une procédure opérationnelle fournissant des lectures significatives et stables dans le temps.
D’autre part, la suspension circule en circuit
fermé : les mêmes particules se représentent plusieurs fois dans les positions variables (voir figure 7).
Imprimante
Analyseur
Laser
Filtre
Particules
Lentille
de Fourier
Amplificateur
Détecteur
Figure 6 : Diffractomètre Malvern, configuration du système.
67
La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94
Cellule
Retour de la
cellule au réservoir
Réservoir
Source Laser
trop-plein
flux vers cellule
On/Off
valve
est assez longue et fastidieuse. De plus, le traitement par ultrasons est ici incorporé dans le circuit,
de sorte qu’on ne peut le contrôler au microscope.
Il en résulte des bouchages, obligeant à vidanger,
déboucher, filtrer le dispersant (isopropanol). La
consommation de celui-ci, pour alimenter et/ou
renouveler tout le circuit, est excessive. Au surplus,
les résultats ne nous ont pas paru convaincants.
Vanne principale
Alimentation
principale
Manomètre
Régulateur
de pression
Figure 7 : Diffractomètre Malvern : Système de collecte
d’échantillons.
Dans le Coulter Counter, au contraire, chaque
particule ne traverse qu’une fois l’orifice calibré et
c’est son volume véritable (ou presque*!) qui est
directement détecté par variation de résistivité. Il
n’y a donc pas de modélisation abusive des phénomènes détectés (voir figure 8).
Au plan pratique, le diffractomètre nécessite la
mesure préalable de l’absorption lumineuse de la
suspension, appelée “obscuration”. Cette mesure
En revanche, nous avons constaté que, sur le
même échantillon, le Coulter Counter et Partec
fournissaient des granulométries médianes voisines
(respectivement 14,3 et 13 microns).
* Le Coulter ne convient pas pour les cristaux en
aiguilles par exemple.
Conclusion
La composition physicochimique très simple du
fondant peut faire croire aux théoriciens qu’il est
facile à étudier. Or, il n’en est rien !
Les méthodes d’évaluation disponibles sont
variées, mais le “vécu” brièvement présenté dans
cet exposé montre que chaque méthode doit être
analysée et testée avec la plus grande rigueur.
L’expérience montre que ce ne sont pas toujours les
méthodes les plus séduisantes sur le papier qui donnent les meilleurs résultats dans la pratique.
Bibliographie
• Flavell, 1973, cité par Junk W.R.et Pancoast H.M.
in Handbook of Sugars, 1973 AVI Westport Conn. p
193200.
• Rubel G. 1985, Détermination de la matière
grasse par RMN à impulsions, Revue RIBC, N.1-2, p
14.
• Jackson R. F. and Silsbee G. G., 1924, Saturation
relations in mixtures of sucrose, dextrose and levulose, J. Res. N.B.S. p 277304.
Particules dans
l'électrolyte
Zone de
détection
Tube à
orifice calibré
Figure 8 : Principe du Coulter
68