Agro-Alimentaire et Cuisson-Extrusion

La naissance de la cuisson-extrusion

L’application de l’extrusion réactive en industrie alimentaire est relativement récente.

En effet, le transfert technique entre les thermoplastiques et l’industrie alimentaire va surtout porter sur les cuiseurs-extrudeuses, dont l’extrudeuse fut le précurseur.

Dans un premier temps,seuls les systèmes monovis étaient présentes sur le marché. La cuisson-extrusion est alors employée pour le traitement de produits semi-humides.

L’apparition des systèmes bivis apportera un nouvel élan dans le développement des applications alimentaires de la cuisson-extrusion

Définition de la cuisson-extrusion

Le procédé d’extrusion réactive est largement appliqué en industries agro alimentaires.

Il permet l’obtention de produits expansés, précuits ou texturés. L’extrusion réactive est alors appelée dans ce cas cuisson-extrusion.

La cuisson-extrusion se définit comme étant un procédé qui « consiste à faire subir en continu à des matières premières ou à un mélange de matières premières un traitement mécanique et un traitement thermique simultanés, durant un temps très court.

Le procédé de cuisson-extrusion est employé pour produire une large gamme de produits tels que les céréales de petit-déjeuner, les confiseries, les biscuits de type "pain plat", les snacks apéritifs et la farine infantile précuite.

Elle est aussi employée pour la production de fromages fondus ou la fabrication de surimi, la solubilisation de pectines et autres hémicelluloses, les modifications chimiques de biopolymères, la production d’amidons thermoplastiques etc.

Principe de la cuisson extrusion

Le principe du procédé de cuisson-extrusion est identique au procédé de base, il comporte les mêmes opérations unitaires : l’aliment est d’abord mélangé et homogénéisé grâce à l’apport d’énergie mécanique, il est ensuite cuit grâce à l’énergie thermique apportée afin de modifier certaines de ses liaisons moléculaires et puis finalement, le produit sera extrudé grâce à la force de pression vers l’extérieur à travers la filière.

En effet, au cours de son traitement dans l’extrudeuse l’aliment traité subit certaines modifications (suite aux forces de cisaillement, de pression et aux effets de la chaleur) qui changent considérablement son aspect initial et lui confèrent les qualités organoleptiques et sensorielles souhaitées. 

Les principales applications :

Cas des réacteurs chimiques : transformation de caséines en caséinates

La caséine est une substance protéique qui constitue la majeure partie des composants azotés du lait. Elle est très largement exploitée en IAA et en industries chimiques.

lait caseine

Pour la plupart de ses applications, la caséine (insoluble dans l’eau) doit subir une opération de neutralisation qui l’amène sous sa forme commercialisable de caséinates soluble dans l’eau.

Classiquement l’opération s’effectue dans des réacteurs ordinaires en présence d’une quantité importante d’eau.

La cuisson-extrusion permet de réaliser la neutralisation de la caséine à sec.

Un refroidissement du fourreau est nécessaire durant l’opération pour éviter l’échauffement du produit.

A sa sortie de la filière, le produit doit subir une opération de séchage,ce qui lui permet de conférer un extrait sec proche de 94%. Un broyage lui apporte la granulométrie recherchée.

Le cuiseur-extrudeur peut dans ce cas être considéré comme un réacteur fonctionnant en continu

L’application de la cuisson-extrusion est très rentable par rapport au procédé traditionnel. Elle permet de réduire significativement les coûts d’énergie et de consommation d’eau. En utilisant le procédé de cuisson-extrusion, il suffit d’utiliser une solution de caséine/eau de 10-30%.

Les extrudeuses bivis sont très utilisées dans ce genre de transformation.

La majorité des grandes firmes européennes travaillant avec la cuisson-extrusion emploie des extrudeuses bivis Clextral (France) ou Werner-Pfleinderer GmbH (Allemagne).

Cas des produits amylacés : les amidons modifiés

L’amidon tel qu’il est à l’état naturel ne permet pas de répondre aux exigences de l’industrie. D’où est venue la nécessité de le modifier de façon à ce qu’il réponde aux besoins.

amidon modifié

Selon la norme ISO N°1227-1979, l’amidon modifié est un amidon dont une ou plus de ses propriétés physiques ou chimiques sont modifiées. Ces propriétés peuvent être modifiées par des procédés physiques et/ou chimiques ou biotechnologiques

Le procédé classique de fabrication d’amidon modifié par cuisson-extrusion consiste à laver puis chauffer dans une cuve une solution d’amidon appelée « lait d’amidon » à 40% de matière sèche. La nécessité de matériel lourd et le coût élevé (dû au besoin de séchage) représentent les principaux inconvénients de ce procédé.

L’emploi de la cuisson-extrusion permet non seulement de réduire le temps de l’opération (puisque la fabrication se fait en voie sèche) mais elle permet aussi de réduire de manière considérable le coût lié au séchage.

Les principaux produits amylacés produits par cuisson-extrusion sont les produits expansés et alvéolés (pains plats), les produits déshydratés (purée en flocons...) et les produits précuits (farine infantile instantanée).

Les produits expansés et alvéolés : le pain plat

Le pain plat est un produit croustillant qui a connu un grand succès dès sa commercialisation grâce à ses qualités nutritives et gustatives intéressantes.pain plat

Le caractère croustillant d’un aliment constituait autrefois un signe de qualité associé à un produit fraîchement préparé.

Le pain plat doit sa nature croustillante à sa fine structure alvéolaire. Il est produit exclusivement en utilisant une extrudeuse bivis.

Le mélange de matières premières est convoyé dans la trémie, tout au long de la partie active vis-fourreau, il subit des contraintes thermomécaniques (pression et cisaillement) et une transformation chimique qui permet d’aboutir à un mélange homogène. L’amidon est gélatinisé et la masse est poussée vers la filière qui texture et met en forme le produit final.

La texture alvéolaire est obtenue grâce à l’eau qui s’évapore en sortant de la filière. La vapeur se trouve emprisonnée dans la pâte et « écarte » légèrement le pain plat : c’est le phénomène d’expansion.

Les produits précuits : la farine infantile instantanée

La matière première est prise en charge par une vis sans fin. La vis, en tournant, entraîne le produit vers la filière. Le travail de la vis engendre l'augmentation de la température et de la pression, ainsi qu'une forte contrainte de cisaillement.

céréale bébé En effet, le produit à tendance à rester accroché au fourreau et à être refoulé tandis que la vis le pousse vers l'extérieur. En sortant de la filière, la pression diminue soudainement, le produit passe d'une zone à haute pression, à la pression atmosphérique. L'eau contenue dans celui ci se vaporise spontanément ce qui provoque l'expansion du produit.

Le procédé traditionnel qui permet la fabrication de farine infantile instantanée consiste à introduire des enzymes (amylolytiques) dans un réacteur afin d’hydrolyser partiellement l’amidon.

L’emploi de la cuisson-extrusion permet non seulement de réduire le coût de l’opération mais aussi de travailler sans autres traitements ou additifs.

1. Cas des produits protéiques d’origine animale

la cuisson-extrusion doit faire l'objet d'une attention particulière dans la texturation de mélanges protéiques à teneur élevée en eau parce que son application - et tel qu’il a été démontré dans les études expérimentales - a permis de restructurer la VSM (viande séparée mécaniquement) par procédé discontinu ou par cuisson-extrusion, en présence ou en absence de divers additifs.

Cette technologie permet à partir de matières premières déstructurées, de préparer en continu des aliments cuits ayant une texture humide et fibrée semblable à la viande de volaille ou de poisson.

La cuisson-extrusion s’effectue en milieu humide. Le but souhaité suite à l’emploi de la cuisson-extrusion dans ce cas est la texturation/fibration en continu de matières protéiques alimentaires.

cuisson extrusion

La C.E.M.H peut être employée pour les viandes de boeuf difficilement commercialisables, des chutes de découpe de jambon, des petites viandes de volailles, des chutes de filets ou des pulpes de poisson.

Le traitement thermomécanique de protéines conduit souvent à des réticulations chimiques ce qui se traduit par l'obtention de produits élastiques dont les propriétés se rapprochent de celles du caoutchouc.

La configuration de la vis, la vitesse de vis, le taux d'entrée et la forme de matrice peuvent être changés de façon à obtenir un produit ayant les propriétés désirées.

Dans le cas des saucisses (saucisses de Francfort par exemple ) les extrudeuses sont refroidies en permanence avec de l'eau glacée.

On parle dans ce cas de cuisson-extrusion à froid.

La même technique est appliquée pour la fabrication de « gel de poisson » à partir du surimi.

2. Cas de produits protéiques d’origine végétale

Les protéines végétales proviennent essentiellement des légumineuses tels que l’arachide et les lentilles. Ils peuvent provenir aussi de céréales riches en gluten et également des protéines de soja.

La cuisson-extrusion permet à partir de protéines végétales d’imiter la texture fibreuse des produits carnés.

Le développement de la CEMH devrait relancer ces applications, qui ne se sont guère développées jusqu’à maintenant.

Sous l'influence de l'élévation de la température et de la pression, « de nouvelles liaisons apparaissent dans les chaînes protéiques et entre plusieurs chaînes de protéines »

Cela se traduit par une texturisation du produit fini et permet la production de substituts de viandes à partir de protéines végétales.

Il s'agit essentiellement de farine de soja qui a été préparée puis séchée, donnant une substance à la texture spongieuse, à laquelle on rajoute des saveurs proches de celles de la viande.

La fabrication de protéines végétales texturées (PVT) est l'une des applications particulièrement prometteuse de la technique de l'extrusion.

3. Développement en cours

La cuisson-extrusion semble être d’une grande utilité pour certains secteurs de l’IAA qui ne l’ont pas encore exploité tels que l’industries chocolatières (où la cuisson-extrusion pourrai remplacer le procédé classique de conchage de chocolat ou également l’industrie de brasserie dans la fabrication des grains cru.

La cuisson-extrusion semble être d’une grande utilité pour certains secteurs de l’IAA qui ne l’ont pas encore exploité tels que l’industries chocolatières (où la cuisson-extrusion pourrai remplacer le procédé classique de conchage(3) de chocolat) ou également l’industrie de brasserie dans la fabrication des grains cru.

En effet, l’application de la cuisson-extrusion sur le gluten du blé permet l’obtention de gluten plastifié à la base de nombreuses applications dans le domaine emballages biodégradables.

Il est également possible de produire des APG (très appliqué en industrie de tensioactifs) à partir des sucres en utilisant la technique de la cuission-extrusion. Plusieurs travaux de recherches récents ont aboutit à la fabrication de matériaux biodégradables à partir de produits d’origine végétale tel est le cas de Suyatma (2006) qui a développé des films biodégradables développés à partir de chitosane(4).

En effet, « On prévoit que 25% des produits et intermédiaires de la chimie organique seront produits à partir de la biomasse en 2025. De plus, le COSIC souhaite mettre en place un grand programme : la chimie du végétal confirme cette ambition nationale »