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La Cristallisation - 3ème Colloque - Paris, novembre 94

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Introduction

Lors de la formulation et la fabrication industriel-le du chocolat, l’ingrédient le plus important est lebeurre de cacao. Economiquement, il s’agit de l’in-grédient le plus coûteux dans le chocolat puisqu’ilintervient à hauteur d’un tiers dans le prix du pro-duit fini. De plus, des matières grasses addition-nelles sont nécessaires dans la formulation car lesfèves de cacao n’apportent pas suffisamment debeurre de cacao pour fabriquer le chocolat. Selonl’origine, la composition et les caractéristiques dedureté du beurre de cacao peuvent varier considé-rablement (1).

Durant la fabrication, le processus de cristallisa-tion influence largement les propriétés rhéolo-giques du produit, lesquelles agissent à leur toursur la viscosité, le démoulage (contraction), le cro-quant, la brillance et les caractéristiques de fontepour la tablette finale. C’est pourquoi il apparaîtimportant d’étudier cette composante “grasse”puisqu’elle intervient sur le comportement du cho-colat durant la fabrication et le stockage.

L’objectif de l’article est de présenter les effetsdes composés lipidiques mineurs sur la cristallisa-tion du beurre de cacao avant d’aborder le méca-nisme de la cristallisation des lipides dans le cas dubeurre de cacao non raffiné.

La majorité des matières grasses et des huiles uti-lisées en tant qu’ingrédient alimentaire sont raffi-

nées à l’issue de l’extraction initiale. Le procédé deraffinage peut comporter des étapes de blanchi-ment, de dégommage, d’alcalinisation, de désodo-risation, de fractionnement, d’hydrogénation etéventuellement d’interestérification. Ces traite-ments réduisent généralement la fraction d’acidesgras libres et permettent d’éliminer les composésles plus polaires tels que les phosphatides, les gly-colipides, les substances protéagineuses et mucila-gineuses.

Ainsi, lorsque l’on tente de comprendre le proces-sus de solidification de graisses ou d’huiles raffi-nées, on se trouve en fait face à un système com-posé pour l’essentiel de triacylglycérol pur. C’estd’ailleurs ce qui a récemment été montré lors duraffinage du beurre de cacao (2). L’allure de la cris-tallisation d’un beurre de cacao ayant subi un raffi-nage classique se caractérise par une réduction dela période d’induction de la cristallisation et parune augmentation de la vitesse de croissance descristaux. (figure 1).

Le beurre de cacao est obtenu par un pressagehydraulique des cotylédons de fèves de cacao,appelés “nibs”, ou, plus spécifiquement à l’issue dupressage de la pâte de cacao. Ce produit non raffi-né contient de nombreuses sortes de lipides, autresque les seuls triacylglycérols, ce qui donne unmélange particulièrement complexe (3) (tableau 1).Afin de mieux comprendre le processus de cristalli-sation d’un tel mélange hétérogène, des connais-sances autres que celles fournies par l’étude de sys-tèmes modèles sont nécessaires.

Influence de la composition

sur la cristallisation du beurre de cacao

Paul S. DIMICKPennsylvania State University,

College of agricultural Science, Dept. of food Science,University Park, USA


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1 Nucléation et

croissance des cristauxL’étude de la croissance des cristaux à des fins de

purification fait l’objet d’investigations depuis ledébut du XVIe siècle. Les noyaux se définissentcomme des agrégats contenant au moins le nombred’atomes ou de molécules qui déterminent la maillecristalline élémentaire (4). Les phénomènes denucléation sont de nature homogène ou hétérogè-ne. Lorsque la nucléation se produit dans une solu-tion pure, on parle de nucléation homogène. Cecise produit en l’absence de particules “étrangères”dans la solution, qui pourraient agir comme sup-port de nucléation.

Cependant, de nombreuses matières grassesnaturelles contiennent des substances endogènes

(provenant de la plante) qui peuvent intervenircomme sites de nucléation et rendre alors la nucléa-tion hétérogène. Ces deux types de nucléation ini-tient la cristallisation et correspondent ainsi au phé-nomène de cristallisation dite primaire. Lorsque lamatière grasse cristallise, les surfaces des cristauxpeuvent à leur tour agir comme catalyseur pour lacristallisation secondaire. Durant cette phase secon-daire, des cristaux de matière grasse constitués deplusieurs composants peuvent se former. Il s’agitsans doute du processus intervenant lors de la soli-dification du beurre de cacao non raffiné. La solidi-fication relève d’étapes primaire, secondaire et ter-tiaire (figure 2).

15

0

1

2

35 55 75 95 115 135 155 175 195 215 235 255 275 295 315 335

Temps (min)

Absorbance (500 nm)

Non raffinéDCWBDeDCWBCWBCWD

Figure 1 : Courbes de cristallisation de beurres de cacaoraffinés ou non raffinés provenant du Brésil (Bahia) ; illus-tration de l’effet du raffinage sur la période d’induction dela cristallisation (1).

Classe Gamme Moyennede lipides % en poids % en poids

Triacylglycérols 96.21 - 97.30 96.97Diacylglycérols 0.80 - 1.79 1.30Monoacylglycérols 0.02 - 0.04 0.03Acides gras libres 0.88 - 1.46 1.17Stérols 0.10 - 0.14 0.12Glycolipides 0.30 - 0.80 0.46Phospholipides < 0.10 - 0.20 0.10

(a) Beurres issus de 6 pays d’origine différents

Tableau 1 : Composition lipidique du beurre de cacao (a)

0

0

1

2

3

Absorbance (550 nm)

Temps (min.)

100 200 300 400 500 600

Période d'induction secondaire

Croissance primaire

Période d'induction primaireNucléation primaire

Nucléationsecondaire

Croissance secondaire

Figure 2 : Phénomènes de cristallisation intervenant pen-dant la solidification du beurre de cacao.

Une période d’induction correspondant à unrefroidissement de la solution précède l’initiationde la cristallisation. Cette étape primaire ou denucléation engendre la solidification de moinsd’1 % de la solution (5). L’énergie requise pour uneagrégation tridimensionnelle et une orientationdes molécules de la solution sous forme de noyauxest supérieure à l’énergie nécessaire au dépôt demolécules à la surface des noyaux.

La croissance cristalline se caractérise donc parune croissance rapide des noyaux mais est dépen-dante du nombre de noyaux, de la surface spéci-fique, des caractéristiques chimiques et de la vites-se de refroidissement. La croissance cristalline sepoursuit jusqu’à ce que les agrégats de matièregrasse se touchent. Cela se produit normalementlorsque 50 à 70 % de la solution est solidifié (6).Enfin, l’étape tertiaire est atteinte et c’est ce quel’on appelle le croûtage. A ce stade, il se forme desponts entre les cristaux de matière grasse et il enrésulte un beurre de cacao solide.


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2 Morphologie

des cristauxLa microscopie électronique à balayage ou en

lumière polarisée est utilisée pour visualiser le beur-re de cacao durant la cristallisation (figure 3). Dansnos premières études, les caractéristiques visuellesdes cristaux obtenus à partir d’un beurre de cacaoont été examinées durant une cristallisation sta-tique (7). De nombreuses structures cristallines ontété identifiées : “trempe”, “individuelle”, “paillet-te”, “lame”, “épineux”, “aiguille”, “nœudpapillon”. En lumière polarisée, et dans des condi-tions de cristallisation statique ou dynamique, lesprocessus de solidification du beurre de cacao sontsensiblement différents et la nature des cristauxobtenus peut varier (8).

Une série de cristallisations réalisées à 25°Cdurant 3 à 10 heures par intervalles d’une heure estprésentée figure 4. Les structures cristallines ne sontpas très apparentes avant 3 heures ; celles qui seforment dans les 3 premières heures ne dépassentpas 10 µm et restent finalement peu nombreuses.Lorsque l’incubation statique continue, la dimen-

sion des cristaux d’origine augmente ainsi que leurnombre. Au bout de 10 heures, la taille des cristauxest d’environ 25 à 50 µm et leur forme est du type“aiguille”.

Figure 3 : Vues microscopiques en lumière polarisée de lacroissance cristalline, depuis le germe cristallin en formede tubule ou “nœud-papillon” jusqu’au cristal en sphéruli-te ou en “paillettes” (A, C, E, G). Les mêmes cristaux sontvisualisés en microscopie électronique à balayage (B, D, F,H) durant la solidification du beurre de cacao.

Figure 4 : Structures cristallines lors d’une cristallisationstatique à 25°C de 3 à 10 heures par intervalles d’1 heure,montrant la formation de cristaux en sphérulites (8).

La comparaison de cristaux, obtenus par une cris-tallisation dynamique à partir d’un lot identique debeurre de cacao provenant de Côte d’Ivoire, révèleun importante différence dans les structures cristal-lines (figure 5). Les cristaux se forment plus rapide-ment et ressemblent à des sphérulites symétriquesau bout de 4 à 5 heures. Les caractéristiques mor-phologiques des cristaux varient aussi en fonctionde la température d’incubation. Les cristaux formésà 30 - 34 °C présentent une structure différente etpossèdent des points de fusion allant de 33 à plusde 40 °C (7) (figure 6). Les différences au niveau dela composition en triacylglycérols sont aussi impor-tantes (9) (tableau 2).

Lorsque la température d’incubation s’élève, laquantité de 1,3 distéaroyl - 2 oléoylglycérol (SOS)augmente, simultanément à une décroissance en


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1,3 dipalmitoyl - 2 oléoylglycérol (POP) et en 1 pal-mitoyl - 2 oléoyl - 3 stéaroylglycérol (POS). A cestade, il a été suggéré que les isolats de beurre decacao à haut point de fusion se forment par unmécanisme de cristallisation fractionnée, danslequel les cristaux qui se forment à des tempéra-tures supérieures possèdent des proportions plusélevées de SOS, triacylglycérols à haut point defusion.

Des analyses thermiques ainsi que des analyses decomposition ont eu pour but de répondre à la ques-tion suivante : quel est le mécanisme de la cristalli-sation du beurre de cacao non raffiné ? En outre,quel est le processus de nucléation et quels sont lescomposants qui interviennent en tant que germesou semences pour les noyaux.

3 Les germes cristallinsDans notre laboratoire, nous avons observé en

1987 un cristal possédant un haut point de fusionsitué à 39,4 °C et correspondant à une morphologiede type “nœud papillon” (10) (figure 7). Ce cristalse trouvait au sein d’une matrice de cristaux de typesphérulites ou “paillettes”. Concernant les composi-tions en triacylglycérol, ce cristal était riche en SOS.Les germes qui se forment durant les premièresétapes de la solidification du beurre de cacao ontété isolés et identifiés comme ayant des points defusion extrêmement hauts.

Lorsque le temps d’incubation augmente de 3 à12 heures, le point de fusion des cristaux isoléspasse d’une valeur élevée de 72,4 °C à environ 33 °C, soit le point de fusion du beurre de cacao (11)

Figure 5 : Structures cristallines lors d’une cristallisationdynamique entre 2 et 5 heures 30 par intervalle de30 minutes illustrant la formation de cristaux en sphéru-lites (8).

Tableau 2 : Triacylglycérols POP, POS, et SOS dans lesbeurres de cacao de Côte d’Ivoire et dans les Cristaux dutype sphérulite. Formation à 26, 28, 30 et 32 °C (a)

Echantillon Type de Triacylglycéride (%)

POP POS SOS

Beurre pur 14.8 A 45.4 A 28.8 A26.0°C 12.9 B 45.8 A 32.6 B28.0°C 10.2 C 45.4 A 39.0 C30.0°C 8.4 D 43.3 A 43.2 D32.0°C 8.3 D 37.8 B 46.4 E

(a) Pour une colonne donnée, les moyennes suivies dela même lettre ne sont pas significativement différentesà p = 0,05

Figure 6 : Vues microscopiques en lumière polarisée decristaux de beurre de cacao en conditions de cristallisationstatique à 30 °C (A), 33 °C (B) et 34 °C (D) (7).


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(figure 8). Les points de fusion des germes cristallinsdépassent en général 60 °C. Les cristaux isolés pos-sédaient un point de fusion de 62 °C et le cristal insitu, avant qu’il ne soit isolé, possédait un point defusion de 63,1 °C (figure 9). La granulométrie de cescristaux était en moyenne de 10 à 15 µm avec unemajorité d’entre eux inférieure à 10 µm.

Les germes à haut point de fusion, isolés à partirdes beurres de cacao de Côte d’Ivoire après une cris-tallisation statique, possèdent une composition trèsdifférente lorsqu’on les compare au beurre decacao d’origine dont ils sont issus. On trouve desquantités nettement supérieures en lipides polairesdans les germes issus de beurre de cacao non raffi-né (12) (tableau 3). Les glycolipides participent àhauteur de 11 % et les phospholipides pour 6 %dans les germes, tandis qu’il n’y a que 82 % delipides simples. Le beurre de cacao, qui est constituéprincipalement de triacylglycérols monoinsaturés,contient normalement moins de 1 % de lipides

295,00 300,00 305,00 310,00 315,00 320,00 325,000,00

0,75

1,50

Scan rate : 20,00 deg/min

peak from : 311 to 317

MCAL/SEC

MAX : 314,31

TEMPÉRATURE (K)

Figure 7 : Profil thermique, obtenu par calorimétrie différentielle à balayage, de cristaux à bas points de fusion et detubules (ou cristaux en “nœuds papillon”) dont le point de fusion est de 39,4 °C.

400,00

0,13

0,25

50 60 70 80 90

TEMPÉRATURE (C)

MCAL/SEC

0

3

6

9

12

15

18

21

Figure 8 : Profil thermique obtenu par calorimétrie diffé-rentielle à balayage de germes cristallins formés au boutde 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 et 21 heures de cristallisation sta-tique à 26 °C (II).


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polaires. Les germes dont le point de fusion est à 60 °C possèdent 50 % d’acylglycérols trisaturés.

Les analyses des acides gras de la fraction delipides simples constituant les germes donnent unrésultat de 89 % d’acides saturés contre 63 % pourle beurre de cacao. Les profils en triacylglycérols etleur composition sont présentés respectivementfigure 10 et dans le tableau 4.

4 Composition des germesEn raison des teneurs élevées en phospholipides

trouvées dans les germes à haut point de fusion parrapport au beurre de cacao dont ils étaient issus, il

est apparu opportun d’étudier la composition deces lipides polaires pour mieux appréhender la cris-tallisation.

Les phospholipides isolés à partir des lipides desgermes cristallins, d’une part, et des beurres decacao de Côte d’Ivoire ayant subi une cristallisationstatique, d’autre part, se regroupent au sein de 8espèces (13). On trouve ainsi la lysophosphatidyl-choline (LPC), la phosphatidyléthanolamine (PE), lephosphatidylinositol (PI), l’acide phosphatidique(PA), la phophatidylsérine (PS), le phosphatidylgly-cérol (PG) et le diphosphatidylglycérol (DPG). Lesgermes et le beurre de cacao d’origine contiennentles mêmes espèces de phospholipides bien que PE(30,4 %) et PC (30,2 %) soient les espèces majori-taires dans les germes.

Durant une cristallisation statique, les glycolipidesprimaires isolés de beurres de cacao et de germescristallins sont des stéaroyl-glycosides et des stéa-royl-glycosides estérifiés (14).

Tableau 3 : Distribution des Lipides dans les beurres decacao de Côte d’Ivoire et dans les germes cristallins.

Echantillon Lipides Glycolipides Phospholipidessimples

Pourcentage moyen en poids

Beurre 98.75.A 0.89 A 0.37 Ade cacao

Germes 82.37 B 11.08 B 6.55 Bcristallins


0,00

0,25

0,50

30 40 50 60 70

TEMPÉRATURE (C)

MCAL/SEC

A

B

Figure 9 : Thermogrammes en calorimétrie différentielle àbalayage de germes cristallins à haut point de fusion. (A)germes isolés, (B) germes formés in situ après 6 heures decristallisation statique à 26,5 °C (II).

Figure 10 : Profils en triacylglycérols de beurre de cacaoprovenant de Côte d’Ivoire, obtenus par chromatographieliquide haute pression sur la fraction de lipides simples(haut) et des germes cristallins (bas) (12).

BEURRE DE CACAO

GERMES CRISTALLINS

PLIO

PLIO

XX

X

PLIP

PLIP

POO

POO

PLIS

PLIS

POP

POP

SOO

SOO

SLIS

POS

POS

PPS/

OO

APP

S/O

OA

SOS

SOS

PSS

PSS

SOA

SOA

SSS

SSS


39

Il semble y avoir des différences relatives dans lesproportions d’acides gras saturés et insaturés asso-ciées à la fraction glycolipidique, ce qui peut-êtrelié aux différences relatives dans les points defusion de la masse de cacao et des germes cristal-lins.

Fréquemment, des composés cristallisant plusfacilement agissent comme sites de nucléation pourune croissance ultérieure. Par exemple, on a pumontrer que les micelles polaires de monoacylgly-cérol agissent comme des impuretés catalytiquesdans les systèmes gras complexes. C’est pourquoi lesimplications des phospholipides et des glycolipidesdans l’allure de la cristallisation font l’objet de spé-culations intéressantes.

Lorsqu’ils sont présents, les lipides polaires peu-vent jouer un rôle significatif dans la formation desnoyaux des germes cristallins. La nature amphiphilede ces lipides polaires peut constituer la base deleur implication dans les événements initiaux de lacristallisation.

Malgré une teneur en eau généralement faible (< 1 %), le beurre de cacao peut s’hydrater plus faci-lement par le biais des lipides polaires. Il a étédémontré que dix molécules d’eau sont associéesdirectement à la tête polaire des PC (15).

Il semble ainsi raisonnable de suggérer que lestraces d’eau présentes dans le beurre de cacao sontassociées aux phospholipides et aux glycolipides. Ilressort clairement de nos recherches que ces molé-cules cristallisent préférentiellement. La polarité desphospholipides peut les rendre énergétiquementaptes à cristalliser à partir de la masse apolaire. Il aété reporté récemment (16) que les espèces de phos-pholipides observées en microscopie électronique àtransmission donnent lieu à des tubules torsadés quisont analogues aux tubules en “nœud papillon”trouvés dans notre laboratoire en 1985 (7).

5 Cristallisation de

beurres de cacao(ORIGINES GÉOGRAPHIQUES DIVERSES)

Les vitesses de nucléation et de croissance sontinfluencées par plusieurs facteurs, dont la tempéra-ture et la vitesse de refroidissement, l’agitation, laconcentration et, de manière prépondérante dansles systèmes lipidiques, la nature et la présenced’additifs. Il est désormais établi que des beurres decacao d’origines diverses présentent une composi-tion et une dureté variables. Une tentative d’ap-proche des phénomènes intervenant dans la cristal-lisation du beurre de cacao est de mieux caractéri-ser ces différences.

Des beurres de cacao de six zones géographiquesdifférentes ont été analysées simultanément avecleurs isolats de germes cristallins obtenus par cris-tallisation dynamique (3) (figure.11).

Tableau 4 : Composition en triacylglycérols de beurres de cacao de Côte d’Ivoire et de germes cristallins.

Triacylglycérols (surface en %)(a)

Echantillon PLiO PLiP POO PLiS POP SOO POS PPS SOS PSS SOA SSS SAA

Beurre de 0.6 2.2 A(b) 2.9 A 4.6 A 15.0 A 3.7 A 38.0 A 1.6 A 27.0 A 1.8 A 1.8 A 1.1 A –Cacao

Germes tr 0.8 B 0.8 B 1.4 B 4.2 B 2.0 B 10.2 B 11.0 B 11.0 B 28.3 B 1.9 B 26.3 B 2.14cristallins

(a) Moyenne ± écart-type de trois échantillons avec quatre répétitions(b) Pour une colonne donnée, les moyennes suivies de la même lettre ne sont pas significativement différentes à p = 0,01

Figure 11 : Allures de cristallisation lors de la nucléationet de la croissance pour des beurres de cacao issus de sixzones géographiques différentes (3).

3

2

1

00 200 400 600

TEMPS (min)

ABSORBANCE (500 nm)

MALAISIE

GHANACÔTE D'IVOIRE

RÉPUBLIQUE DOMINICAINE

EQUATEURBAHIA


40

Les beurres à nucléation rapide possèdent degrandes vitesses de croissance cristalline tandis queles autres beurres présentent de faibles vitesses decroissance lorsqu’ils ont atteint la taille critique. Desdifférences significatives sont notées entre lesbeurres à nucléation rapide et lente, respective-ment (tableau 5). Les beurres de cacao de Malaisie,du Ghana et de Côte d’Ivoire sont classés en tantque beurres à nucléation rapide ou beurres durs.Ceux provenant de l’Equateur, de RépubliqueDominicaine et du Brésil sont dits à nucléation lenteou beurres mous. La vitesse de nucléation desbeurres dits rapides varie de 78 à 95 minutes, avecune moyenne de 84 minutes. Les beurres à nucléa-tion lente s’échelonnent entre 117 et 300 minutes,avec une moyenne de 231 minutes.

5.1 MORPHOLOGIE

Les photographies au microscope donnent desexemples de croissance cristalline durant une cris-tallisation dynamique.

Lors de la nucléation rapide d’un beurre de cacaode Côte d’Ivoire, la morphologie initiale des cristauxs’apparente à des structures fibrillaires en amas (A)qui forment rapidement des structures en sphéru-lites au du début de la croissance cristalline (B, C, D),(3) (figure 12).

Le développement de la morphologie des cristauxdans les beurres à nucléation lente, comme parexemple ceux de l’Equateur, est dominé par la struc-ture en amas de fibrilles jusque dans les dernièresétapes de croissance des cristaux (A-D) et les sphé-rulites ne sont formés qu’en fin de processus (E).(figure 13).

5.2 ANALYSES THERMIQUES

La figure 14 présente les thermogrammes

Tableau 5 : Périodes d’induction des échantillons debeurres de cacao en fonction de leur pays d’origine.

Vitesse Origine Périodede nucléation d’induction (mn)

Malaisie 78 A(a)

Rapide Côte d’Ivoire 80 AGhana 95 AB

Equateur 117 BLente Rép. Dominicaine 277 C

Brésil (Bahia) 300 C


Figure 12 : Vues en microscopie de la croissance de cristaux de beurre de cacao de Côte d’Ivoire à nucléation rapide durantdes conditions de cristallisation dynamique (3).

ABSORBANCE (500 nm)

TEMPS (min)

3

2

0

1

0 200 400 600

d,e

c

ba

CÔTE D'IVOIRE

F


41

d’échantillons de Côte d’Ivoire durant les diffé-rentes étapes d’une cristallisation à 26,5 °C(Absorbance de 0,02 à 3,0).

L’endotherme des plus bas points de fusion cor-respond à des polymorphismes de type I à III ; c’estle résultat de la trempe du beurre fondu associé àdes cristaux. Les endothermes de la phase solide dubeurre de cacao dur sont mesurés au début de lacroissance cristalline et la fusion se fait à 28-29 °C.

Il s’agit donc de polymorphismes de type IV qui setransforment en polymorphismes du type V et VI (34 °C) pendant la seconde phase de la cristallisa-tion. D’autre par, le beurre provenant de l’Equateur(beurre mou), conserve une structure fibrillaire pen-dant un temps plus long et se transforme en poly-morphismes de type V et VI à points de fusion plusélevés (35-36 °C), sous l’aspect de structures ensphérulites (figure 15).

Les relations entre la morphologie et le polymor-phisme des graisses ont été étudiées (17). Le faitque le polymorphisme de type V-VI soit un indica-teur de la morphologie en sphérulite et, par consé-quent, de la dureté des beurres de cacao, n’est pasclairement établi.

Cependant, les 6 échantillons étudiés ici indi-

Figure 13 : Vues en microscopie de la croissance de cristaux de beurre de cacao de l’Equateur à nucléation lente durant desconditions de cristallisation dynamique (3).

ABSORBANCE (500 nm)

TEMPS (min)

3

2

0

1

0 200 400 600

e

d

ca, b

EQUATEUR

F

quent l’existence d’une relation entre la morpholo-gie des cristaux, le point de fusion de la formepolymorphe et la dureté des beurres (3).

5.3 COMPOSITION CHIMIQUE

La caractérisation et l’analyse quantitative desclasses de lipides (par exemple les lipides polaires,les acyl-glycérols, les acides gras libres, les stérols etleurs esters) présents dans les germes et dans lesbeurres de cacao, issus des régions d’origine listéesplus haut, ont précisé notre connaissance du pro-cessus de solidification.

On a constaté des augmentations significativesdes concentrations en phospholipides dans 5 des 6isolats de germes cristallins issus de zones géogra-phiques différentes lorsqu’on les compare auxconcentrations respectives des beurres de cacao(18), (tableau 6). Les germes isolés de beurres ànucléation lente ont en moyenne une concentra-tion en phospholipides deux fois supérieure à celledes germes issus de beurres à nucléation rapide.

On peut ainsi se demander si les lipides polairesinfluencent ou non la période d’induction lors de lacristallisation. Les concentrations individuelles enphospholipides suivant la région d’origine ont doncété déterminées sur les différents beurres de cacao.


42

Les beurres à nucléation lente se caractérisent pardes teneurs élevées en lysophosphatidyl choline(LPC) et en phosphatidyl inositol (PI) avec de faiblesteneurs en phosphatidyl choline (PC), alors que lesbeurres à nucléation rapide possèdent moins de LPCet de PI mais plus de PC, ceci de manière significati-ve (figure 16).

Si l’on considère les phospholipides en fonctionde leur caractère hydrophile, les beurres à nucléa-tion lente se distinguent par un nombre plus impor-tant de classes de phospholipides polaires. Une foisencore, l’importance des lipides polaires vis-à-vis dela vitesse de nucléation est évident. Lors de la pério-de initiale de la croissance cristalline de beurre ànucléation lente (origine Equateur), les proportionsde LPC et PI sont significativement plus élevées tan-dis que dans les beurres à nucléation rapide, ce sont

0 10 20 30 40 50 60 70

Température (oC)

Abs. 0,02

Abs. 0,2

Abs. 0,4

Abs. 0,6

Abs. 0,8

Abs. 1,0

Abs. 1,5

Abs. 2,0

Abs. 3,0

29,3 oC

28,4 oC

29,6 oC

29,5 oC

33,6 oC

34,5 oC

PolymorphesI – III

End

oth

erm

e

Beurre de cacao de Côte d'Ivoire

mélanges solide/liquide

31,2 oC

29,9 oC

Figure 14 : Thermogrammes en calorimétrie différentielleà balayage de beurre de cacao de Côte d’Ivoire durantune cristallisation à 26,5 °C, à différentes étapes de crois-sance (Unités d’absorption de 0,02 à 3,0) (3).

Figure 15 : Thermogrammes en calorimétrie différentielleà balayage de beurre de cacao de l’Equateur à nucléationlente durant une cristallisation à 26,5 °C, pour différentesétapes de croissance (Unités d’absorption de 0,02 à 3,0)(3)

0 10 20 30 40 50 60 70

Température (oC)

Abs. 0,02

Abs. 0,2

Abs. 0,4

Abs. 0,6

Abs. 0,8

Abs. 1,0

Abs. 1,5

Abs. 2,0

Abs. 2,5

Abs. 3,0

29,6 oC

29,2 oC

29,8 oC

29,7 oC

33,6 oC

36,2 oC

PolymorphesI – III

End

oth

erm

e

Beurre de cacao d'Equateur

mélanges solide/liquide

31,5 oC

31,9 oC

29,9 oC

30,2 oC

31,7 oC

les quantités de PC et PE qui sont les plus fortes audémarrage.

Si la polarité des espèces de phospholipides aug-mente, on constate une augmentation de la pério-de d’induction et une corrélation significative (r2

= 0,76) existe entre la période d’induction et lesphospholipides polaires (17).(figure 17).

Des analyses des triacylglycérols dans les beurresde cacao ont montré des concentrations plus éle-vées en dioléo-acylglycérols monosaturés dans lesbeurres à nucléation lente (a) et des concentrationsplus fortes en monooléo-acylglycérols disaturésdans les beurres à nucléation rapide (b), (tableau 7).Ces données confirment les variations de composi-tion en SU2 et en S2U, attribuées à la dureté desbeurres de cacao (tableau 8). Il n’est pas constaté de


43

différences significatives au niveau de la composi-tion en acides gras libres et en mono-acylglycérols,en diacylglycérols et en stérols, entre les beurres ànucléation lente et rapide et leurs germes cristallinsen condition de cristallisation dynamique.

6 Approche de la

cristallisationEn fonction des informations disponibles, il est

possible d’envisager un mécanisme de formationdes cristaux dans le beurre de cacao de pure pres-sion. Une revue des points de fusion et des change-ments de composition en lipides durant la croissan-

Figure 17 : Effet du rapport LPC (lysophosphatidyl cholinepolaire) + PI (phosphatidyl choline apolaire) vis-à-vis de lapériode d’induction de la nucléation lors de la cristallisa-tion des germes (17).

Tableau 6 : Teneur en phospholipides dans les beurres de cacao de différents pays d’origine et dans les isolats de germescristallins, en fonction de la vitesse de nucléation.

Origine Beurre de cacao Germe cristallin

Nucléation rapide (beurre dur) Pourcentage en poidsMalaisie 0.85 A(1) 1.70 BCôte d’Ivoire 0.80 A 2.95 BGhana 0.81 A 0.50 B

Moyenne = 0.82a(2) Moyenne = 1.72 a

Nucléation lente (beurre mou)Equateur 0.87 A 5.10 BRép. Dominicaine 0.91 A 4.02 BBrésil (Bahia) 0.81 A 2.02 B

Moyenne = 0.86 Moyenne = 3.68b

(1) Pour une ligne donnée, les moyennes suivies d’une lettre majuscule identique ne sont pas significativement diffé-rentes à p = 0.05

(2) Pour une colonne donnée, les moyennes générales suivies d’une minuscule identique ne sont pas significativementdifférentes à p = 0.10

Figure 16 : Concentration en phospholipides isolés debeurres de cacao à nucléations lentes ou rapides (17).

TYPE DE PHOSPHOLIPIDES

LPC PI PC PE PG

0

10

20

30

40

% EN POIDS

A

A

A

AA

A

A

B

B

B

Beurre de cacao à nucléation rapide

Beurre de cacao à nucléation lente

0 100 200 300 400

PÉRIODE D'INDUCTION (MIN)

BEURRE DE CACAO(LPC + PI)/PC

0

1

2

3

4

5

6

R2 = 0,76

ce cristalline est présentée dans le tableau 9.Lorsqu’on isole les cristaux à haut point de fusion, ilapparaît clairement une augmentation significativedes lipides polaires, simultanément à une chute en


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triacylglycérols. L’énergie thermique et l’eau d’hy-dratation influencent de façon significative les tran-sitions de phase des phospholipides.

Lors de la nucléation et durant les premièresétapes de la croissance cristalline, des changementsde conformation au sein du cristal en croissancesont nécessaires pour un arrangement des triacyl-glycérols qui cristallisent. Les phospholipidesmoyennement hydratés peuvent agir comme sur-faces de glissement au sein de la matrice cristalline,permettant de diminuer les contraintes de confor-mation dans le cristal en croissance.

Etant données les possibilités de liaisons hydrogè-ne et d’interactions hydrophobes entre les chaînesde phospholipides non polaires et les triacylglycé-rols voisins, on peut imaginer qu’il existe une asso-

ciation étroite et interactive entre ces deux classesde lipides. Les chaînes acyl apolaires des phospholi-pides peuvent s’accrocher en s’intercalant auxchaînes acyl des triacylglycérols, tandis que les têtespolaires, et l’eau qui leur est associée, peuvent semettre entre les couches de triacylglycérols. Desajustements moléculaires entre les couches lipi-diques de la matrice pourraient alors être facilités.

On dispose de peu de données physiques sur lesphospholipides et, dans une moindre mesure, surles glycolipides, mais il est intéressant de remarquerque, dans l’hypothèse retenue, la compatibilité desrégions correspondant aux têtes polaires dépend dela stabilité structurale des triacylglycérols.

Ces régions doivent être suffisamment étenduespour permettre des arrangements moléculaires ausein des couches de triacylglycérols, et aussi pourlaisser une place à la cristallisation d’autres compo-sés lipidiques. Leur dimension ne doit cependantpas être trop grande, au risque de détruire la surfa-ce en croissance.

Tableau 7 : Composition des Triacylglycérols SU2 et S2Udans des beurres de cacao (B) et dans leurs germes cristal-lins (G) en fonction de la vitesse de nucléation.

Echantillon Triacylglycérols (%)

POO SOO POS SOS Trisaturés

Nucléation rapideMalaisie B 1.1 1.8 46.9 29.8 1.8

G 0.9 1.1 40.4 34.4 7.0Côte B 1.8 2.3 46.3 24.0 1.6d’Ivoire G 1.4 1.9 42.6 27.7 5.9Ghana B 2.1 2.8 42.8 26.3 1.6

G 2.0 2.6 39.4 28.7 4.9

Nucléation lenteEquateur B 2.7 3.3 45.4 24.8 1.5

G 1.9 2.5 40.1 29.0 6.5Rép. B 3.8 4.4 42.8 22.8 1.6Dominicaine G 3.2 4.1 41.8 23.8 5.3Brésil B 5.8 6.7 40.2 21.7 1.7(Bahia) G 4.3 5.5 38.9 23.0 7.2

Tableau 8 : Composition en triacylglycérol et dureté des beurres de cacao de différents pays d’origine.

Triacylglycérols (%)

Pays d’origine Nombre Dureté (a)

POO SOO POP POS SOS

Amérique du Sud 15 3.4 A 5.7 A 19.0 A 38.0 A 26.0 A 24.4 AAmérique 8 2.7 B 5.3 AB 18.6 A 38.9 B 26.9 A 26.0 AAfrique 17 2.2 C 4.7 B 18.4 A 39.1 B 28.2 B 28.5 B

Asie 24 1.2 D 2.9 C 18.6 A 40.0 C 30.8 C 35.7 B

(a) Surface (en %) de l’endotherme du polymorphe de type II

Point de Composition (% en poids)

Echantillon fusion (°C) TG PL GL

Beurre 32 - 34 96.2 0.4 0.9de cacao

Cristallisation dynamiqueGermes 34 - 47 92.1 2.0 2.6cristallins

Cristallisation statiqueGermes 55 - 62 87.7 4.0 6.0cristallinsGermes 62 - 72 82.4 6.6 11.1cristallins

Tableau 9 : Points de fusion et distribution des classes delipides dans les beurres de cacao et dans les germes cris-tallins.


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ture centrale (figure 19). Des acylglycérols trisaturés,portant une double chaîne carbonée et ayant dehauts points de fusion (SSS, PSS, PPS), peuvent s’as-socier à ce centre de nucléation polaire (figure 20).L’étape suivante est l’association de triacyl glycérolsmonoinsaturés à triple chaîne (SOS, POS, POP), avecenfin l’addition des triacylglycérols diinsaturés deplus bas points de fusion (POO, SOO, PLIO).

Ce processus de transition peut être accéléré par laprésence de lipides polaires, de monoacylglycérols,de diacyl glycérols, de stérols et d’acides gras libres.

Les glissements entre les couches et les associa-tions au sein de chacunes d’entre elles peuventfournir une transition énergétiquement suffisantepour permettre différentes conformations ; Ces

Figure 20 : Proposition de structure intermédiaire degermes cristallins ayant des lipides à haut point de fusion,montrant le noyau polaire, avec la surface constituée detriacylglycérols saturés à double chaîne.

VOLUMES DES TÊTES POLAIRES

PHOSPHATIDYLCHOLINE

PHOSPHATIDYLETHANOLAMINE

350 Å3

250 Å3

Figure 18 : Volume de la tête polaire de la phosphatidylcholine et de la phosphatidyl éthanolamine (19).

La comparaison des volumes des têtes polaires desPE, les phospholipides majoritaires des germes cris-tallins, avec les PC, l’espèce prédominante dans lebeurre de cacao, montre que les têtes des PE ont unvolume significativement plus faible (19), (figure18).

Le volume des têtes polaires peut déterminer sil’insertion d’un triacylglycérol est possible et ne vapas interférer avec la structure de la matrice du cris-tal en croissance.

Ainsi, lors des étapes initiales de la cristallisation,les lipides polaires en mésophase hexagonale inver-se (HII) et l’eau à l’état de traces vont servir de struc-

P

P

P

P

P

P

P

P

GG

G

G

G

GG

GG

G

G

G

GG

E

E

EE

E

E

E

ED

D

DGLYCOLIPIDES

PHOSPHOLIPIDES

MONO- & DIACYLGLYCEROLS

EAU

Figure 19 : Proposition de structure initiale (mésophasehexagonal inversée HII) de germes cristallins à lipides àhaut point de fusion, montrant la coque polaire de phos-pholipides, de glycolipides, de mono- et diacylglycérols etd’eau.

P

G

E

DGLYCOLIPIDES

PHOSPHOLIPIDES

MONO- & DIACYLGLYCEROLS

EAU

TRIACYLGLYCEROLS

G

E

D

D

E E EP

P

P P

P

PP

EE

E

GG

G

GG

GGG

G

G

G

G

G

GG

G

G

G

G

G

G

G

G

G

G

PP

P

PP

P

P

P

P

D

D

D

D

conformations pourraient constituer l’origine desnoyaux cristallins pour la cristallisation finale dansle beurre de cacao.

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REMERCIEMENTS

D. Manning, T.R.Danis, D.H.Arruda, S. Chaiseri, C.R.Sanage, L.M.Sidisky, A.L.Outshall-Zakis, P.J.Lawler.Fonds de recherches de Pennsylvania Manufacturing Confectioners’Association.

influence de la composition sur la cristallisation du ... · la cristallisation - 3ème colloque -...

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