Les émulsions alimentaires

Utilisation de la Lécithine

Exemple de la mayonnaise

Introduction: Qu'est ce qu'une émulsion ?

 

1) Forces en présence

a) Forces electrostatiques

b) Forces de Van Der Waals

c) Forces Steriques

 

2) Crémage

a) Qu'est ce ?

b) Comment empecher le cremage

1 Réduire la taille moyenne des gouttelettes

2 Réduire la différence de masse volumique

3 Augmenter la viscosité du milieu

 

2) La Lécithine

a) Triglycérides

b) Phospholipides

c) Emulsifiant

d) Extraction du soja

e) Utilisation - Interet

 

Conclusion

Introduction: Qu'est ce qu'une émulsion ?

L'encre de Chine que les anglais appellent en fait Indian Ink, vient en fait des Egyptiens, découverte voici 4000 ans. L'homme c'est vite aperçu que pour laisser une trace sur une surface, pour dessiner, il était commode d'employer un liquide coloré. Pour cela la technique la plus simple est de disperser dans l'eau un pigment coloré. Ainsi le liquide imbibe le support (papyrus, papier...) entrainant avec lui les grains colorés. Quand un scribe de l'ancien ampire veut ainsi fabriquer de l'encre noire, il ecrase d'abord la flemme d'une bougie sur une surface solide, et obtientt du noir de fumée qu'il melange a l'eau. Malheuresement quelquels jours apres avoir melange l'eau et le carbone, les grains noirs seretrouvent au fond de l'encrier, et tout est a recommencer. Quel scribe genial eut l'idee de melanger alors un peu de gomme arabique a l'eau et de disperser ensuite le noir de fumee? on l'ignore, mais le resultat est etonnant!. L'encre reste stable peandant un an, et on utilise toujours ce procede pour preparer l'aquarelle.

systeme Colloiale

Cet encre de chine ainsi préparée est un systeme colloidal. Le sang, le lait, la mayonnaise, le chocolat, la peinture sont de tels sytèemes. Ils ont en commun leur hétérogéneité. Leurs entités structurales, ont une dimension linéaire comprise entre 1 micron et 1 nanometre. Le type le plus simple de systeme colloidal est appele emulsion et consiste en une phase de particule dispersees dans une seconde, une dispersion de gouttelettes de liquide dans un milieu liquide.

Interet

Pourtant on a besoin de creer des emulsions, l'interet d'une emulsion eau huile pour la cosmetique est tres important, puisque la majorité des principes actifs ne sont pas dans la phase aqueuse, mais dans l'huile. pourtant, les cremes doivent contenir beaucoup d'eau pour ne pas etre irritantes. De meme dans l'alimentation, les aromes seront plus riches, si on a acces a la fois a ceux soluble dans l'eau que dans l'huile. D'ailleur, il amusant de s'apercevoir qu'il ne faut pas faire des emulsions indestructibles sans quoi les goutelettes d'huiles ne fusioneraients pas avec la salive, et adieu les bons aromes solubles dans l'huile.

I Qu'est ce qu'une émulsion ?

1 Modele et stabilité

Lorsqu'on forme une vinaigrette en melangeant de l'huile et de leau, on forme des petites gouttelettes d'huile dans l'eau d'environ 1mm qui fusionnent pour donner rapidement deux phases biens separees d'eau et d'huile. L'emulsion n'est pas stable. Si on rajoute de la moutarde on s'apercoit en melangeant qu'on "emulsifie" la solution. Les gouttes deviennent plus petites , leur dimension deviennent comparables a celle de la longuer d'onde de la lumière, ce qui rend la solution opaque, la lumiere etant fortement diffusee.

a) Forces en présence

Pour essayer de comprendre comment creer une emulsion relativement stable, il faut tout d'abord comprendre quelles sont les forces mises en jeux. Les interactions entre les goutelettes sont principalement de 3 types. Les trois contributions les plus importantes a l'energie u(h) (h etant la distance entre 2 goutelettes) sont les forces electrostatiques, les forces de Van Der Waals, et les forces dites stériques.

1) Forces de Van Der Waals

Les forces de Van Der Waals sont attractives , avec un potentiel en 1/h^6 (resultat classique dePCSI pour des dipoles charges) Ce resultat est toujours valable pour des particules non chargees si on considere que l'ecahnge de charges entre 2 particules non chargees se fait en un temps grand devant le temps de retard du potentiel créé. Mais la resultante de ces forces dans toutes les durictions et moyennee donne un potentiel en -1/h . D'ou le graphe sur les transparents, energie libre avec 1 minima, et un maxima.

2) Forces electrostatiques

Dans l'eau des particules colloidales ou des gouttelettes portent des charges electriques nettes. Il y a deux sources principales de charges: l'ionisation des groupes acides et basiques (les groupes carboxyliques donnant CO2- et les groupes aminés donnant NH3+), et l'adsoprtion de petis ions commes Na+ Cl- (ce qui explique le role du sel dans la mayonnaise). Le signe et la valeur moyenne des charges depend aussi du pH , d'ou le role du citron dans la mayonnaise. Le jaune d'oeuf contient certaines proteines presentees plus loin ont de tels groupes. La chaine carbonnees de ces proteines aura plutot tendance a se placer dans la phase d'huile, et la "tete" de la moleculke chargee aura plutot tendance a ce placer du cote aqueux. On a donc des goutellettes d'huiles entourres de telles proteines, avec une tete aquafile, et une queue lipophile,lipophyle-hydrophile qui se placent donc a l'interface entre l'eau et l'huile, et qu'on appelle tensio actif. la moutarde contient de tels tensio actifs, le jaune d'oeuf aussi. Lorsque 2 goutellettes se rapprochent, l'une de l'autre, cela provoque une augmentation de la concentration des petits ions de charges opposes appeles contre-ions. il en resulte une augmentation de la pression osmotique: Les goutelletttes d'huile entourees de tensio actif chargee, va attirerer des contres ions de charges opposes. on a donc une couche d'ion de charge opposee autour des goutellettes. lorsque les gouttes se rapprochent, ces couches s'interpenetrent, et la concentrations des contres ions devient trop importante.c c'est ce qui provoque la repulsion. On montre que l'energie d'interaction est proportionelle a : ln(1+exp(-h/k)) ou et k la distance caracteristique de la presence des contres ions. (plus k est grandplus la force sera importante. ( l'exponentielle vient du fait que la concentration des contreions, fonction de h est donnee par e(energie /energie thermique) et d2E/dx2=ro/e0

3) Forces Steriques

Lorsque les gouttelettes sont encore plus pres l'une de l'autre il faut aussi etudier les forces dites steriques, , procurees par la gene sterique des proteines dépassant de la goutelletes. ce qui fait que ce graphe n'est pas valable pour les petites valeurs de h. On trouverait en fait un deuxieme minima.

b) Notion de potentiel

Le melange Eau-Huile est instable; [PS ds la mayonnaise l'eau est apportee par le jaune d'oauf, d'ailleur qd la mayonnaise tourne, au lieu d'ajouter un autre jaune parcequ'il y a pas assez d'eau, on peut ajouter de l'eau] en effet pour la former il faut fournir une energie proportionelle a l'aire de l'interface crée. Le coefficient de proportionalite noté gamma est appele tension superficiel. [on a la relation gamma=d(energie libre/dsurfcae] . l'eau pure a une tension de surface gamma=73 milli Nm-1 (ou Jm-2). entre l'huile et l'eau elle est de 10milli Nm-1. Si on s'interesse a diminution d'energie interfaciale lorsque 2 gouttes fuisionnent, la surface de la goutte resultante est environ 3 fois plus petite. D'ou l'energie qui diminue d'autant.

Donc on a bien pigé... le role du tensio actif, qui abaisse en fin de compte la tension de surface entre les gouttes d'huile et l'eau dues aux charges des tensio actifs qui entraiennet les contres ions .. etc , les forces de van der waals, et puis la gene sterique.

Il faut donc apprendre a faire une emulsion la plus stable possible. et pour cela il faut limiter les nombreux facteurs de destabilisation qui sont: L'inversion de phase. En rajoutant trop d'huile dans l'eau, on obtient non plus des gouttes d'huile dans l'eau, mais des gouttes d'eau dans l'huile. La floculation: les gouttes se rapprochent en paquet. La coalescence qui est l'etude de la fusion de 2 gouttes. et enfin le cremage.

2) Crémage

a) Qu'est ce ?

Mais on ne peut pas totalement empecher avec les tensio actifs 2 goutelettes de fusionner puisqu'on ne fait que diminuer latension interfacale et non la supprimer. A moins de faire des micro emulsions, mais ca , c'est une autre histore.

Mais pour eviter tout de meme qu'elles fusionnent, il faut que les gouetllettes soient le plus loins les unes des autres a l'origine!. or Archimede nous apprend qu'une goutte d'huile moins dense que l'eau va monter avec la poussee d'archimede. Les gouttes vont se retrouver en haut de la mayonnaise en concentrations tres eleves ( par rapport au bas de la moyonnaise), et vont s'entrechoquer, favorisant leur fusion. C'est ce qu'il faut eviter! on appelle ce phenomene le cremage.

La poussee d'archimede etant Fg=mg[(r0-r)-1] ce qui donne pour une sphere de rayon a: Fg=4/3.pa3g[(r0-r)-1].De plus la force subit lors de son ascension une force de friction de la forme Fv=-f.v (on peut connaître f (Stokes) f=6ph0a le principal étant que f est proportionnel à a ) A l'équilibre v=cst càd fv=4/3.pa3g[(r0-r)-1] d'où vmigration=2a2g(r0-r)/9h0. (h0 est la viscosité de cisaillement). Pour une gouttelette d'huile dans l'eau de la mayonnaise, et dont la taille est d' environ 1m, on trouve une vitesse de migration de 1mm.h-1. Au-dessous d'1mm.h-1 cet effet est négligeable devant les autres causes de déstabilisation. Comme les mouvements browniens. (rappel c'est l'agitation aleatoire des particules dans le liquide du aux chocs aleatoires d'autres particules , decouvert par le professeur brown qui observait des grains de pollen sous un microcope et qui n'arretaient pas de bouger))

[paragraphe inutile] En fait, cette loi n'es applicable que pour des sheres rigides infiniments diluées. Pour des fractions volumiques 0

f=0,2 vreel = 30% vmigration (crème liqueur)

f=0,4 vreel = 10% vmigration (sauce salade)

f=0,6 vreel = 2% vmigration (mayonnaise)

Cette loi montre qu'il y a 3 façons d'inhiber le crémage:

b) Comment empecher le cremage

1/ Réduire la taille moyenne des gouttelettes: a

Pour produire de fines gouttelettes, il faut apporter beaucoup d'énergie lors de la préparation. pour cela dans l'industrie on n'utilise pas des batteurs pour faire de la mayonnaise, mais on melange a l'aide de forte pression l'eau et l'huile. On peut donc comparer le temps decremage d'une mayonnaise avec des petites ou des grosses gouttelettes d'huile. par exemple en faisant une mayonnaise a la main ou au batteur, apres avoir mesurer la taille des goutellettes au microscope.

2/ Réduire la différence de masse volumique: r0-r

Le crémage peut être totalement éliminé si r0-r . En fait il y a très peu de marges de manoeuvre en tenant compte des contraintes chimiques légales et toxicologiques. Ainsi la différence de masse volumique entre l'eau et l'huile alimentaire à environ 50kg.m3 mais on peut alourdir la phase aqueuse en y ajoutant de l'ethanol, des protéines ou des sucres. On peut arriver ainsi à un écart de 5kg.m3. Dans la masse de la gouttelette, on compte la masse de l'huile et la masse du tensioactif qui l'entoure. Et proportionnellement la masse du tensio actif intervient d'autant plus que la gouttelette est fine. ( Dans le lait homogénéisé on trouve des gouttelettes de masse apparente identique à celle de la phase continue, donc impossible à crémer qqsoit la force centrifuge)

3/ Augmenter la viscosité du milieu

Pour augmenter la viscosité du milieu on utilise des gommes généralement adragantes (c'est le produit durci à l'air de l'exsudat visqueux fourni par l'Astrgalus gummifer (légumineuse)* ou arabiques (exsudat naturel ou provoqué par l'incision du tronc et des branches d'Acacia du Sénégal :Acacia verek (légumineuse)* [voir étiquette de mayonnaise] ce sont de longues chaines qui rendent le liquide plus visqueux. [TP rajouter de la gomme ou non ds la mayonnaise et comparer] la gomme arabique s'achete en pharmacie.

c) Mesure

[TP:Comparer pour une même force centrifuge, le temps de crémage suivant qu'on fasse une mayonnaise avec de l'eau et de la lécithine E322 achetée en pharmacie (généralement extraite de graine de Soja)et avec du jaune d'oeuf (eau+lecithine+protéines) Pour comparer, on mesure la hauteur de la couche de crème sur la hauteur totale à l'oeil nu (on peut aussi congeler la mayonnaise et observer au microscope, mais la aussi on risque d'agir sur le milieu an formant des cristaux indesirables). Pour ne pas du tout modifier le milieu en mesurant, on peut utiliser des ultrassons (et en mesurant leur vitesse en fonction de la hauteur de prise d'essai, on connaitra la concentration des gouttes d'huile dans l'eau car le son ne se propage pas la ala meme vitesse dans l'eau et dan slm'huile d'aopres la c=1/racine(Chi*masse volumique) qui donnent de très neaux graphes (cf Doc).]

II) La Lécithine

La Lécithine un super genial emulsifiant naturel.

1/ ou la trouve t on ?

a) Du Jaune d'oeuf

Provient du grecque lekiqos. jaune d'oeuf. car c'est une proteine qui se trouve dans le jaine d'aouf. On peut pour s'en persuader faire un chromatographie sur couche mince. C'est le principale emulsifiant dans la mayonnaise.

a) Extraction du soja

On trouve de la lécithine dans le soja (c'est la principale source aujourdh'ui de lécithine) et dans le jaune d'oeuf (on l'extrait de l'oeuf principalement pour la cosmetique).

Les graines de soja sont nettoyée, séchées et fendu pour retirer la coque. (la coque de soja sert dans l'alimentation du bétail). Les flocons sont ensuite immérgés dans un bain de solvant (hexane ). L'huile de soja brute subit alors la degommination pour séparer la lécithine brute de l'huile (avec la lécithine, on sépare aussi le calcium, le magnesium, fer, cuivre). le solvant est evaporé. Le reste des flocons entre aussi dans l'alimentation des bestiaux comme substituant de la viande. Ensuite on peut purifier encore la lécithine avec de l'acétone. Mais il faut ensuite enlever le solvant qui est evaporé lentement peandant plusieurs jours à l'air . Les traces de solvant restant sont en quantité inférieureaus normes légales. On peut aussi rafiner la lecithine brute avec du CO2 qui a l'avantage de ne pas etre toxique.

On obtient en fait un mélange insoluble d'acétone constitué de Phosphatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidyl-inositol(pi), acide phosphatidique (PA)

2/ Présentation de la molecule

a) La molecule

Triglycérides

La lecithine est le produit de la condensation d'un diglycéride et de l'ester phosphorique de choline.

La strucure moléculaire des phospholipides dérive de celle des triglycérides. Les acides gras des vegetaux contiennent de 14 à 18 carbones. La forme liquide ou solide d'un acide gras depend de son degré de saturation et ensuite de sa longueur) Les acides gras des vegetaux sont à 80% insaturés et sont donc liquides (huile). Ceux d'origine animal seulement 50% , ils restent à l'etat solide a temperature ambiante (graisse). Tres presents dans l'organisme ils servent ausside réserve d'énergie.

(il faut faire attention pendant le processus d'extraction à le pas chauffer trop , ce qui transformerait les acides gras insturés cis en configuration trans , qui se comporte en fait comme un acide gras saturé, sa temperature de fusion ayant augmenté et au dessus de 150°C ils deviennent mutagene)

Phospholipides

Les phospholipides sont comme les triglycérides sauf que le 1er acide gras a été remplacé par une molécule contenant un phosphate polaire + un autre groupe polaire aussi. Ce qui signifie qu'un phospholipide a une partie hydrophobe et une hydrophyle.

On trouve aussi des phospholipides dans le cervaux. Ils ont des chaines de carbonées plus longues (20 à 22 carbones) et comportent beaucoup plus de doubles liaisons. Ils forment toutes les membrane , et servent de réserve d'énergie.

Ainsi la lecithine n'est pas du tout toxique et parfaitement assimilable. On la donne meme aux personnes qui ont un mauvais taux de bon cholesterole pour le contrebalancer.

b) Utilisation

Ces phospholipides ont donc tendances à former des bicouches, formant ainsi naturellment des bicouches des membranes de toutes les cellules. Ils servent aussi d'émulsifiant, c'est ce qui nous interesse ici. on a vu ds la 1ere partie comment

Utilisé dans la peinture, shampoing, dépoussiérant (poussière->agglomérats), dispersant (pigments dans l'eau), chocolat, sauces......lubrifiant (moules etc.. en bombe), améliore l'elasticité du pain et de toutes les pates au four. bref partout! En plus, pour l'alimentation, il améliore notre santee taux Bon/Mauvais cholesterole, car constitué d'acides gras insaturés.

c) Interet

Parcequ'il est trés présent dans l'organisme et tres bien toléré, on utilise la lécithine de soja dans de plus en plus de produits comme émulsifiant:

En plus, pour l'alimentation, il améliore notre santee taux Bon/Mauvais cholesterole, car constitué d'acides gras insaturés.

Cout peu eleve . surtout depuis que le soja a ete genetiquement modifie. c'est ce qui a marque son essort.

Conclusion

La lecithine trouve de plus en plus d'application comme emulsifiant naturel. et depasse largement le cadre de l'alimentation. Elle a un bel avenir devant elle.

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