Study of the combined effect of the freezing process and storage conditions on the quality of frozen products. : Application to porous matrices
Etude de l'impact couplé du procédé de congélation et des conditions d'entreposage sur la qualité des produits surgelés. : Application aux matrices poreuses
Résumé
During the freezing of food products, an ice crystalline structure is developped and continues to evolve throughout the cold chain, particularly during the storage stages when the products are likely to be subject to temperature variations. The phenomena of crystallisation and recrystallisation will contribute to modify the microstructure of the products and thus alter their quality. In this context, the main objective of this thesis is to study the coupled impact of freezing and storage conditions on the evolution of the microstructure of a frozen sponge cake, in order to better understand the mechanisms of crystallisation and recrystallisation as well as the formation and location of ice in a porous matrix.Two types of sponge cake were studied: a non-reactive model sponge cake and a reactive reference sponge cake. Their manufacturing protocol was validated by a series of measurements of thermo-physical properties (densities, water content, porosity). DSC measurements were carried out to determine the freezing point and the fraction of freezable water in the baked sponge cake. Different techniques were then used to characterise the evolution of the microstructure of the frozen sponge cake during the cold chain: cryo-MEB and X-ray microtomography. Concerning microtomography, two types of tests were performed: (i) samples of model sponge cake were frozen at two different rates (slow and fast freezing) and then stored for two weeks under stable or fluctuating temperature conditions. These samples were then visualized in the frozen state at very high resolution using a CellStat thermostat cell installed at the ANATOMIX beamline of synchrotron Soleil; (ii) In the case of the reference sponge cake, the evolution of the microstructure of the same sponge cake sample during its freezing and storage (with temperature fluctuations) could be followed continuously for 6 days using the CellDyM thermostat cell installed on a laboratory microtomograph. In this case, a specific image processing method based on Digital Volume Correlation (DVC) was implemented to segment the images and follow the evolution of the microstructure.The results show that rapid and slow freezing of the model sponge cake result in (i) small and coarse ice crystals within the starch matrix and (ii) more of less thicker ice layers at the pore interfaces. In the case of slow freezing, the majority of the ice forms at these interfaces reflecting greater water migration from the matrix to the pores. During storage, the crystalline microstructure changes regardless of the initial freezing rate and storage conditions. However, the microstructure changes are more important when the products are frozen slowly regardless of the storage conditions. Furthermore, our results show that although the benefits of fast freezing are reduced at the end of the two-week storage period, the products still have a better quality than the slow-frozen samples. Finally, the results obtained with the CellDyM cell allowed to highlight different phenomena, such as the shrinkage of the porous matrix during freezing and thermal cycling as well as the formation and growth of crystals at the pore interface which are preferential sites for ice nucleation. All these original results open many perspectives in terms of modelling and optimisation of cold chain parameters to preserve product quality.
Au cours de la congélation des produits alimentaires, une structure cristalline de glace se développe et continue d'évoluer tout au long de la chaine du froid notamment durant les étapes de stockage où les produits sont susceptibles de subir des variations de températures. Les phénomènes de cristallisation et de recristallisation vont contribuer à modifier la microstructure des produits et ainsi altérer leur qualité. Dans ce contexte, le principal objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'impact couplé de la congélation et des conditions de stockage sur l’évolution de la microstructure d'une génoise surgelée, afin de mieux comprendre les mécanismes de cristallisation et de recristallisation ainsi que la formation et la localisation de glace dans une matrice poreuse.Deux types de génoises ont été étudiés : une génoise modèle non réactive et une génoise de référence réactive. Leur protocole de fabrication a été validé par une série de mesures des propriétés thermo-physiques (densités, teneur en eau, porosité). Des mesures par DSC ont été réalisées afin de déterminer la température de congélation commençante et la fraction d’eau congelable dans la génoise cuite. Différentes techniques ont ensuite été mises en œuvre afin de caractériser l’évolution de la microstructure des génoises congelées au cours de la chaîne du froid : la cryo-MEB et la micro-tomographie RX. Concernant la microtomographie, deux types d’essais ont été réalisés : (i) des échantillons de génoise modèle ont été congelés à deux vitesses différentes (congélation lente et rapide) puis stockés pendant deux semaines dans des conditions stables ou avec fluctuations de températures. Ces échantillons ont été ensuite visualisés à l’état congelé à très haute résolution en utilisant une cellule thermostatée CellStat installée sur la ligne ANATOMIX du synchrotron Soleil ; (ii) dans le cas de la génoise de référence, l’évolution de la microstructure d’un même échantillon de génoise pendant sa congélation et son stockage (avec fluctuations de température) a pu être suivie en continu pendant 6 jours à l'aide de la cellule thermostatée CellDyM installée sur un microtomographe de laboratoire. Dans ce cas, une méthode de traitement d’image spécifique basée sur la corrélation digitale volumique (DVC) a été mise en œuvre pour segmenter les images et suivre l’évolution de la microstructure.L’ensemble des résultats obtenus a ainsi permis de montrer que la congélation rapide et lente de la génoise modèle donne lieu respectivement (i) à des cristaux de glace petits et grossiers à l'intérieur de la matrice d'amidon et (ii) à des couches de glace plus ou moins épaisse à l’interface des pores. Dans le cas d'une congélation lente, la majorité de la glace se forme à ces interfaces reflétant une plus grande migration d'eau de la matrice vers les pores. Au cours du stockage, la microstructure cristalline évolue quelle que soit la vitesse de congélation initiale et les conditions de conservation. Cependant, les changements de microstructure sont plus importants lorsque les produits sont congelés lentement quelles que soient les conditions de stockage. Par ailleurs, nos résultats montrent que même si les avantages de la congélation rapide sont réduits à la fin de la période de stockage de deux semaines, les produits ont toujours une meilleure qualité que les échantillons congelés lentement. Enfin, les résultats obtenus avec la cellule CellDyM ont permis de mettre en évidence différents phénomènes, comme la rétraction de la matrice poreuse lors de la congélation et du cyclage thermique ainsi que la formation et la croissance des cristaux à l’interface des pores qui sont des sites préférentiels pour la nucléation de la glace. L’ensemble de ces résultats originaux ouvrent de nombreuses perspectives en termes de modélisation et d’optimisation des paramètres de la chaîne du froid pour préserver la qualité des produits.
Origine : Version validée par le jury (STAR)