Modifications physiques et mécaniques des produits séchés

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Caractéristiques de l’air de séchage : 

Humidité absolue ; On appelle humidité absolue ou spécifique, noté la masse du vapeur d’eau contenue dans l’air par Kg d’air sec.
Où et sont les masses respectives de vapeur d’eau et d’air sec contenues dans un même volume v d’air humide.
Humidité relative : L’humidité relative ou degré hygrométrique est le rapport de la pression partielle de la vapeur d’eau dans l’air et la pression de saturation Ps de cette vapeur d’eau à la température T. = ( ) × 100
Degré de saturation ; Le degré de saturation est le rapport d’humidité absolue de l’air à l’humidité absolue de l’air saturé à la même température.
Température de rosée : Dans un mélange de gaz et de vapeur, la pression de saturation de la vapeur est constante si la température ne varie pas. Quand on refroidit ce mélange sous pression totale constante, la pression partielle de la vapeur demeure inchangée mais par contre, la tension maximale de la vapeur diminue, tant que cette tension maximale est supérieure à la pression partielle de la vapeur dans le mélange, la vapeur reste sèche et l’humidité (absolue) du gaz reste constante. Pour une certaine température , la tension maximale devient égale à la pression partielle . La vapeur devient saturante et les premières traces de phase condensée (liquide généralement) apparaissent a cette température : on donne le nom de point de rosé. A la température on a donc = 1 , un refroidissement au-dessous de provoque une condensation de la vapeur (brouillard) et par la suite une diminution de l’humidité du gaz.

L’eau et les aliments :

L’eau dans l’aliment se représente sous forme de :
Eau libre : l’eau est dite eau libre lorsqu’elle se comporte comme de l’eau pure. C’est cette eau qui est éliminé en premier pendant le séchage.
Eau liée : l’eau est dite liée, l’énergie de liaison est élevée comparé à celle de l’eau libre, ce qui rend son élimination plus difficile et demande une énergie plus élevée pour passer à l’état vapeur.

Mode de séchage : [20,21]

Deux mécanismes peuvent être mis en œuvre pour éliminer l’eau d’un produit : l’ébullition ou l’entraînement. L’idée la plus simple consiste à porter le produit à la température d’ébullition de l’eau, qui alors se vaporise. Mais pour obtenir une élimination poussée de l’eau sans altération excessive de la qualité des produits, on préfère bien souvent opérer à température plus basse en utilisant l’air comme gaz d’entraînement. Quel que soit le mode de séchage, c’est la pression de vapeur d’eau dans le produit qui détermine les échanges entre l’air et le produit.
Séchage par ébullition :
Le séchage par ébullition a lieu lorsque le flux thermique transféré au produit est très intense à cause d’un écart de température très élevé entre la source chaude et le produit. Dans tous ces conditions la température du produit atteint un niveau tel que la pression de vapeur d’eau de ce produit est égale ou dépasse à la pression totale ambiante.
L’ébullition proprement dite s’observe difficilement dans les solide ou les corps pâteux qui dans les liquide.
Séchage par entraînement :
Lorsqu’un produit humide est placé dans un courant de gaz (air le plus souvent) suffisamment chaud et sec, il s’établit un écart de température et de pression partielle d’eau tel que :
– le gaz apporte au produit une partie au moins de l’énergie nécessaire à l’élimination de l’eau ;
– l’eau est évaporée sans ébullition. La vapeur d’eau est transférée par diffusion et convection du produit dans le milieu ambiant et est ensuite entraînée par le gaz. La température de surface du produit reste toujours inférieure ou égale à celle de l’air et donc nettement inférieure à la température d’ébullition de l’eau.
Ces deux mécanismes peuvent se succéder au cours d’une opération de séchage ou coexiste dans un produit à un moment donné.

Mode de transfert : [22,23]

Le séchage fait appel aux 3 modes de transfert de chaleur par conduction, par convention et par rayonnement, ainsi que le transfert de matière. Ceux-ci sont utilisé seul ou combiné entre eux. Transfert de chaleur :
Par conduction :
L’énergie thermique nécessaire au séchage est apportée non pas un gaz en mouvement autour du produit à sécher, mais par contact direct entre le produit et une paroi chauffée.
Par convection :
En séchage industriel, il s’agit probablement du monde de séchage le plus courant. Il consiste à mettre en contact, un gaz (air) s’écoulant en régime généralement turbulent, autour du corps à sécher, qui peut se présenter sous forme de particules, de gouttelettes, de fibres ou de plaques, pour un séchage par convection, les échanges de chaleur et de masse entre le produit à sécher et l’air de séchage sont déterminés par les coefficients de transfert à la surface, qui dépendent des caractéristiques de l’air
La convection est un mode de transfert rapide.
– Si le mouvement de fluide est renforcé par un travail mécanique « artificiel » (ventilation, agitation, pompage d’un fluide), on parle de « convection forcée ».
– Si au contraire, le mouvement du fluide, n’est dû qu’à des courants thermiques ou des mouvements ascensionnels d’ébullition, la convection est dite « naturelle ».
Par rayonnement :
Ce mode est destiné aux produits en plaque (carton, viande), ou en fibre (tissu, papier), mais aussi aux produits granulaires de faibles épaisseurs (cigarettes). L’énergie est apportée aux produits à sécher par des ondes électromagnétiques (rayonnement), soit par élévation de la température d’un émetteur infrarouge.
Transfert de matière :
Le transfert de masse joue un rôle très important dans les opérations unitaires de base, telles que le séchage. Dans ces opérations physiques, la résistance au transfert de masse constitue le facteur limitant, quoique le transfert de chaleur et le flux du fluide soient impliqués dans le conditionnement et la conservation où le transfert d’humidité, vapeurs, gaz et composés aromatique, influent sur la qualité de l’aliment. Les difficultés d’application des théories de transfert de masse, dans les processus de transformation des aliments, résultent des structures physiques complexes et de la composition chimique des denrées alimentaires qui varient pour une même denrée et change pendant la transformation. Il est à noter que la migration de l’eau (liquide ou vapeur) peut également s’effectuer par « filtration » à travers le produit poreux sous l’action d’une différence de pression entre l’intérieur et la surface.
Transfert d’eau :
Le séchage peut être décrit comme un transfert d’eau couplé à un transfert de chaleur dans un matériau poreux non saturé. Dans les produits biologiques le transfert interne d’eau est souvent le phénomène limitant. La taille des pores et la distribution des rayons des pores dans le matériau influent sur le caractère hygroscopique du produit (plus les pores sont petits, plus le caractère hygroscopique est marqué). La vaporisation de l’eau nécessite un apport énergétique de source extérieure au produit à sécher. Simultanément se produit la migration de l’eau vers le milieu ambiant. La vitesse de ce transfert de matière varie au cours du temps. Elle dépend des conditions ambiantes (température, humidité relative, vitesse des gaz en contact avec le produit), mais aussi de la nature même du solide et de l’eau. Les difficultés sont plus complexes dans les aliments solides plus que dans les liquides.

Prétraitement avant le séchage : [15,23]

Le séchage des fruits et légumes est normalement souvent accompagné par des changements de couleur, de texture et de goût. Des prétraitements appropriés peuvent améliorer le processus de séchage réduire le temps de séchage, améliorer la qualité du produit fini et réaliser des économies d’énergie.
Les méthodes du prétraitement comprennent le trempage par acide citrique ou par sulfite et le sulfurage des fruits, le blanchiment des légumes.
Prétraitement fruits :
Le sulfurage est une vieille méthode de prétraitement des fruits. Le soufre sublimé est enflammé et brûlé au voisinage des fruits. Les fumées de soufre pénètrent les fruits et agissent comme un prétraitement permettant de retarder la détérioration et le noircissement des fruits.
Le sulfitage ou procédé de trempage à l’aide de sulfite est un prétraitement comparable au sulfurage tout en étant plus rapide, plus facile et permettant d’aboutir au même effet en termes d’effet anti-obscurcissant. Les composés utilisés sont le métabisulfite, le bisulfite ou le sulfite de sodium, de qualité alimentaire ou en tant que réactif pure. Le trempage dans une solution d’acides citrique ou ascorbique (vitamine C) est un moyen aussi sûr contre le brunissement des fruits. Il n’est cependant, pas à protection aussi prolongée que le sulfurage ou le sulfitage. D’autres procédés traditionnels de trempage sont largement utilisés tels que l’immersion dans l’oléate d’éthyle et de trempage dans NaHCO3.
Prétraitement des légumes :
Le blanchiment est un traitement thermique qui consiste à porter rapidement les légumes (quelques minutes) à 95-100°C puis à les refroidir rapidement pour éviter une cuisson trop importante. Le rôle du blanchiment qui constitue un prétraitement avant, séchage, est multiple
– Destruction des enzymes susceptibles d’altérer les légumes est la fonction principale du blanchiment. Il est nécessaire de bloquer l’activité enzymatique pour éviter la dégradation des légumes au cours de la fabrication (brunissement, dénaturation de la flaveur ou de la texture).
– Désaération du légume : Le légume contient de l’air ou du gaz occlus dans les tissus. Les gaz (azote, oxygène) sont libérés lors du traitement thermique ; ils peuvent entraîner des oxydations plus ou moins importantes occasionnant des colorations anormales ; en cours de cuisson du produit.
– Modification de la structure : Le blanchiment permet d’assouplir les légumes, faciliter les opérations et manipulations ultérieures et l’élimination des faux gouts.

Qualité du produit séché : [23,24]

Modification biochimique :
L’exposition pendant une certaine durée d’un produit biologique à une température de séchage élevée peut provoquer des modifications dans sa composition chimique. Ces modifications, généralement considérées comme indésirables sont nombreuses. Mais les plus importantes sont les suivantes :
– réaction de MILLARD : brunissement non enzymatique résultant de combinaisons entre protéines et glucides ;
– rancissement : oxydations des matières grasses,
– destruction de vitamines : notamment destruction de l’α et du β- carotènes
– dénaturation des protéines, diminuant leur aptitude à se réhydrater lors de l’utilisation du produit et altérant leur pouvoir liant ou moussant ;
– réaction enzymatique au cas où les enzymes n’ont pas été inactivées par un traitement préalable : oxydation des polyphénoles qui entraîne par exemple un brunissement des produits séchés
– Pertes d’arôme.
Le séchage est un procédé de séparation basé sur la volatilité. Par conséquent, l’eau contenue dans le produit à sécher ne sera pas éliminée toute seule, mais avec tout autre produit volatil existant également dans le produit. Dans la plupart des cas il s’agit des arômes contenus dans les produits biologiques destinés à l’alimentation. Par exemple pour un produit comme la menthe, ont montré que lors du séchage à température constante inférieure ou égale à 55°C, les pertes en essences (arômes) sont de l’ordre de 5%.
– Pertes de la couleur du produit.
L’étude de noircissement des feuilles de certaines plantes pendant le séchage a révélé que la couleur verte de ces feuilles est maintenue à condition que le séchage s’effectue à une température inférieure ou égale à 55°C.
Modifications physiques et mécaniques des produits séchés
Le séchage provoque chez la plupart des plantes des altérations physiques et mécaniques caractérisées par :
– la migration des solutés vers la surface conduisant à une accumulation des sucres et d’autres solutés au niveau de la surface du produit. Cette accumulation est pernicieuse à la qualité du produit qui doit être en général être consommé réhydraté ;
– la fusion et migration des matières grasses ;
– la modification de la forme : en règle générale, le départ de l’eau du produit entraîne un effondrement du produit sur lui-même. Toutefois, dans certaines situations, un départ d’eau très rapide et l’existence d’une matrice solide permet d’obtenir un produit de même volume mais d’une structure poreuse.

Type des séchoirs

Les séchoirs solaires sont classés généralement selon le mode de chauffage ou le mode de leur fonctionnement en plusieurs catégories :
• Les séchoirs solaires directs.
• Les séchoirs solaires indirects.
• Les séchoirs solaires hybrides.
• Les séchoirs solaires mixtes

Séchoirs solaires directs : [25]

Les séchoirs solaires directs sont des dispositifs simples à utiliser et à construire. Ils offrent de large possibilités de conception : du séchoir coffre à plateau et adapté au petite production, au séchoir cabane qui permet de traiter de grandes quantités.
Principe de fonctionnement.
Les rayons solaires frappent directement les produits. Le séchoir solaire direct se compose d’une seule pièce qui fait office à la fois de chambre de séchage et de collecteur solaire. Le fond de la chambre de séchage est peint en noir pour augmenter la capacité d’absorption de chaleur, une feuille de plastique ou polyéthylène transparent sert généralement de toit mais en peut également utiliser d’autres matériaux plus chères comme le verre ou les plastiques spéciaux (polyéthylènes agricoles)
• Meilleure protection contre les poussières, les insectes, les animaux et la pluie par rapport au séchage traditionnel.
• Pas besoin de main-d’œuvre qualifié.
• Grandes possibilités de conception.
• Dégradation de la qualité par exposition direct au soleil, destruction de la vitamine A et C, flétrissement, décoloration.
• Fragilité des matières en polyéthylène qu’il faut changer régulièrement.
• Température relativement élevée dans le séchoir qui contribue avec l’exposition au soleil
à la destruction des nutriments.
• Faible circulation de l’air qui limite la vitesse du séchage et augmente les risques de moisissure.
 La boite de séchage ou séchoir coffre.
Le séchoir à coffre est un simple séchoir facile à construire par les artisans, en utilisant des matériaux disponibles localement, il est destiné généralement pour la préservation des fruits, légumes, poissons et de la viande. Dans le séchoir coffre, l’air pénètre par les orifices percés par le fond du caisson, et s’échappe par des trous situés dans la partie haute de chaque côté. Le fond de la boite ainsi que les parois sont peints en noir pour mieux capter le rayonnement solaire. Une feuille de plastique ou une plaque de verre sert de toit, une porte dans le panneau arrière permet de régler la température.

Les séchoirs hybrides

Les recherches se sont orientées vers les séchoirs hybrides utilisant une énergie d’appoint : fuel, électricité, bois, gaz … l’apport d’énergie supplémentaire peut se situer à deux endroits différents du séchoir.
• Maintenir la température constante dans le séchoir par un brûleur à gaz, une résistance électrique, un feu du bois. Dans ce cas l’énergie solaire devient secondaire, elle permet simplement de préchauffer l’air.
• Augmentation de la circulation de l’air par des ventilateurs électriques, ici l’énergie solaire reste la source de chaleur mais le séchoir a une capacité d’évaporation plus importante grâce à une meilleure ventilation.
Avantages.
• Affranchissement par rapport aux conditions climatiques.
• Meilleur contrôle du séchage
• Forte augmentation de la production par rapport aux autre type des séchoirs solaires, car le dispositif peut fonctionner la nuit ou en saison des pluies si besoin.
Inconvénients.
• Coût de production et d’investissement élevé.
• Nécessité d’approvisionnement local en carburant, électricité, pièce de rechange.
• Personnel qualifié pour la maintenance.
Types des séchoirs hybrides.
 Séchoir hybride à convection forcée.
Principe de fonctionnement :
Le toit du bâtiment sert de capteur, un ventilateur assure une circulation importante de l’air permettant de sécher très rapidement les produits.
Description technique :
L’air est aspiré de l’intérieur du bâtiment par un ventilateur et passe dans un capteur solaire dans le toit du bâtiment. L’air réchauffé arrive dans la chambre de séchage où les fruits sont disposés sur des claies superposées.
Avantages.
• Séchoir très performant.
• Facilement aménageable dans un bâtiment

Table des matières

CHAPITRE I. Généralités sur les aliments
I.1. Intérêts nutritionnels de fruits et légumes sur la santé
I.2. Facteurs de l’altération des fruits et légumes
I.2.1. Facteur biologique
I.2.2. Facteur physique
I.2.3. Facteur enzymatique
I.3. Fruit et légumes à Madagascar
CHAPITRE II. Notions de séchage
II.1. Historique de séchage
II.2. Définition et objectif
II.3. Les enjeux du séchage
II.3.1. Technique de séchage traditionnel
II.3.2. Technique de séchage moderne
CHAPITRE III. Séchage de produit agricole
III.1. Caractéristiques de solide humide
III.1.1. Description de solide humide
III.1.2. Humidité absolue
III.1.3. Humidité relative
III.1.4. Hygroscopicité
III.2. Caractéristiques de l’air de séchage
III.2.1. Humidité absolue
III.2.2. Humidité relative
III.2.3. Degré de saturation
III.2.4. Température de rosée
III.3. L’eau et les aliments
III.3.1. État de l’eau
III.3.2. Activité de l’eau
a. Définition
b. Importance de mesure de l’activité de l’eau
c. L’activité de l’eau et la détérioration des aliments
III.3.3. Isotherme de sorption
a. Définition
b. Détermination expérimental des isotherme de sorption
c. L’intérêt de l’isotherme de sorption
III.4. Cinétique de séchage
III.4.1. Influence de l’air lors du séchage
III.5. Mode de séchage
III.5.1. Séchage par ébullition
III.5.2. Séchage par entraînement
III.6. Mode de transfert
III.6.1. Transfert de chaleur
a. Par conduction
b. Par convection
c. Par rayonnement
III.6.2. Transfert de matière
III.6.3. Transfert d’eau
III.7. Prétraitement avant le séchage
III.7.1. Prétraitement fruits
III.7.2. Prétraitement des légumes
III.8. Qualité du produit séché
III.8.1. Modification biochimique
III.8.2. Modifications physiques et mécaniques des produits séchés
CHAPITRE IV. Type des séchoirs
IV.1. Séchoirs solaires directs
IV.1.1. Principe de fonctionnement
IV.1.2. Avantages
IV.1.3. Inconvénients
IV.1.4. Type de séchoirs directs
a. La boite de séchage ou séchoir coffre
b. Le séchoir intégral à convection naturelle
c. Le séchoir solaire « coquillage »
d. Le séchoir cabane
IV.2. Les séchoirs solaires indirects
IV.2.1. Principe de fonctionnement
IV.2.2. Avantages
IV.2.3. Inconvénients
IV.2.4. Type du séchoir indirect
a. Le séchoir armoire
IV.3. Les séchoirs hybrides
IV.3.1. Avantages
IV.3.2. Inconvénients
IV.3.3. Types des séchoirs hybrides
a. Séchoir hybride à convection forcée
b. Séchoir hybride solaire – gaz
IV.4. Séchoirs mixtes
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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