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La congélation & surgélation

dimanche 15 août 2010, par AMROUCHE

  1-Le froid, un besoin en agroalimentaire

11- Généralités sur le froid

Le froid correspond à un abaissement de la température d’un corps de façon à réduire considérable¬ment son évolution.
L’usage de sources de froid existe depuis toujours : la collecte et le stockage de la glace des lacs ou des rivières en hiver, pour refroidir les poissons ou les viandes, l’évaporation de l’eau de jarre d’argile pour maintenir la nourriture au frais, sont quelques exemples anciens. Aujourd’hui, en France, on estime que 50 % au moins de notre nourriture a subi un traitement frigorifique. Le froid est donc un composant essentiel de l’industrie agroalimentaire : en stockage des matières premières (lait cru maintenu en tank réfrigéré à 3 - 4 °C), lors de la fabrication des produits (blocage du processus d’acidification   par le froid vers 3 °C pour la fabrication des yaourts), pour la conservation (stockage des denrées fraîches en chambres froides), le transport (véhicules frigorifiques) et la distribution (meubles de réfrigération ou de congélation).

Quand on parle de « froid » en agroalimentaire, on parle de deux niveaux de températures :
• Au-dessus du point de changement d’état de solidification de l’eau : on parle de froid positif ou réfrigération et les produits se situent en moyenne entre 0 °C et 10 °C.
• En dessous de ce point : on parle froid négatif ; il s’agit de la congélation et de la surgélation, suivant la vitesse de descente de la température. Les produits se situent entre - 40 °C et -10°C. (-18°C le plus souvent)

12 Sources de froid

On utilise des fluides frigorigènes, c’est-à-dire des fluides aux caractéristiques particulières, comme la facilité de changer d’état (liquide vers solide et inversement) à des pressions basses et des températures basses. On emploie globalement deux types de fluides :
a) Les frigorigènes obtenus par transformations chimiques (halogénation, chloration)
Deux générations de produits ont vu le jour :
• Les frigorigènes se composant de la lettre « R » (pour réfrigérant) suivie de deux ou trois chiffres : R - xyz. Ce sont les hydrocarbures halogènes, comme le R22, couramment utilisé, ou le RI 15. Ces frigori¬gènes relèvent d’une nomenclature spécifique que nous n’évoquerons pas.
• Les frigorigènes se composant de la lettre « C » qui sont des composés contenant du chlore, comme les CFC (chlorofluorocarbures) ou les HCHC (un atome d’hydrogène à la place d’un chlore). Ces composés sont fortement impliqués dans la destruction de la couche d’ozone. Aussi, sur le plan réglementaire, la CEE a limité l’utilisation des CFC et HCHC, avec un plafonnement des consommations dès aujourd’hui, une disparition en 2030.

b) Des frigorigènes naturels, appelés « gaz cryogéniques »
Ce sont l’azote liquide et le gaz carbonique qui ont la particularité de changer d’état à pression normale et à des températures très basses .

13 Techniques mises en œuvre

Deux techniques sont possibles : la technique de froid dite « mécanique » qui met en œuvre une machine frigorifique (type réfrigérateur) et la technique de froid dite « cryogénique » qui met en œuvre directement l’azote ou le gaz carbonique.

131 Le froid mécanique
Le concept de la machine frigorifique remonte au milieu du XIXe siècle grâce à Lord Kelvin.

* Principe
Un fluide frigorigène (ou frigorifique) circule en boucle fermée et il change d’état facilement sous l’influence de la pression. On utilise le fait que tout changement d’état entraîne une consommation ou une libération d’énergie.
En particulier :
• le passage de l’état liquide à l’état gazeux demande de l’énergie extérieure (+Q),
• le passage de l’état gazeux à l’état liquide dégage de l’énergie (-Q).
En effet, il faut de l’énergie pour désorganiser la matière et écarter les molécules (Liquide Gaz) alors que le rapprochement de celles-ci libère de l’énergie.
* Description simplifiée d’une installation de froid mécanique
(réfrigérateur ou congélateur…)

L’installation comprend un circuit fermé de circulation d’un fluide frigorigène : du fréon (gaz rare) ou des liquides frigorifiques de synthèse.
L’installation comprend :

  • L’évaporateur :
    II renferme le fluide frigorigène à 20 °C ; sous pression atmosphérique normale P1, le liquide se vaporise (passage de l’état liquide à l’état gazeux) : il y a donc besoin d’énergie. Celle-ci est prise dans l’air qui se trouve dans le compartiment intérieur du réfrigérateur (l’enceinte). L’air et les aliments qui s’y trouvent sont refroidis.
    L’évaporateur est l’organe principal de fabrication du froid.
  • Le compresseur
    Dans le compresseur, la pression devient P2 > P1. Le fluide est toujours gazeux et sa température augmente à T2 > Tl.
  • Le condenseur
    Dans le condenseur, le gaz se refroidit au contact de l’air ambiant ce qui provoque le liquéfaction du gaz (passage de l’état gazeux à l’état liquide) : il y a alors libération de calories, donc de chaleur (cela explique que le dos du réfrigérateur soit chaud).
  • Le Détendeur
    II permet de baisser la pression du liquide frigorigènes pour la ramener à sa valeur initiale (P1) . La température chute aussi.

132 Froid cryogénique
• Principe
La vaporisation de certains gaz liquéfiés, au contact direct d’aliments, absorbe la chaleur de ceux-ci (énergie) et permet de les refroidir très vite.
En alimentaire, on utilise deux gaz liquides intéressants pour leur très basse température de changement d’état à basse pression :
• le CO2 liquide qui devient gazeux à - 78,5 °C sous 1 atm,
• le N2 liquide qui devient gazeux à -196 °C sous 1 atm.

 2- Action du froid

Le froid doit son pouvoir de conservation à 2 effets :
* Un effet thermique d’abaissement des vitesse de réactions biologiques de développement (métabolisme des micoorganismes) et des réactions biochimiques et enzymatiques qui peuvent aussi nuirent à la conservation des aliments .
*Un 2nd effet encore plus puissant mais qui n’existe qu’en congélation / surgélation : l’abaissement de l’activité de l’eau c’est à dire que l’eau cristallisée devient indisponible pour toutes les réactions (biologiques, chimiques et enzymatiques) ; ceci explique pourquoi la congélation/surgélation permet des durées de conservation beaucoup plus longues que la réfrigération !

21 action du froid sur les micro-organismes

Le froid ne tue pas les micro-organismes : il ne fait que ralentir leur développement, c’est à dire les inhiber. Et, il faut se rappeler qu’il y a des microbes résistants au froid : ce sont les psychotrophes, psychrophiles et cryophiles. Les levures et les moisissures en particulier se complaisent dans des ambiances froides et humides.

Certaines bactéries, comme Yersinia ou Listéria aiment le froid positif.

Il faut retenir toutefois trois températures clés :
• + 3 °C : fin des risques dus aux bactéries pathogènes et toxinogènes,
• - 10 °C : arrêt de toute multiplication bactérienne,
• - 18 °C : arrêt de toute multiplication microbienne (y compris levures et moisissures).

22 Action du froid sur les caractéristiques de l’aliment

Les modifications vont dépendre du traitement et de la denrée.

221 En réfrigération
Les modifications sont minimes, mais observables.
voir article sur la réfrigération !

222 En congélation
Les modifications vont être plus importantes dans la mesure où il y a un changement d’état (passage de l’eau liquide à l’eau solide). Les conséquences du froid négatif ne se verront que plus tard, en décongélation.
Les modifications observées sont :
• Augmentation du volume, qui sera fonction de la quantité d’eau présente. Il se produit un déchire¬ment des cellules et des tissus et une exsudation à la décongélation.( ex à –18°C : + 9 % pour de l’eau ; + 8,3 % pour un jus de pomme ; +4% pour de la framboise entière ; + 8% pour de la viande de bœuf ;)
• Détérioration des cellules : il se forme des cristaux au cœur des cellules, mais leur taille, leur répartition et leur potentialité de destruction sont différentes suivant la vitesse de congélation comme on le verra plus loin.
• Dessiccation de la surface : le froid dessèche d’où l’obligation de bien emballer les produits stockés au froid. La dessiccation peut aussi être une réaction vive de sublimation de la glace formée en surface (passage de l’eau solide en vapeur, sans passer par l’état liquide).
Cela a lieu lors d’un passage rapide dans une enceinte très froide (vers - 20 °C) : il y a alors « brûlure par le froid ».
Exemple : couleur brune des viandes congelées sans emballage adapté.
• Recristallisation progressive (augmentation de leur taille) des cristaux de glace ; modification de la texture des glaces et sorbets ; solution température de surgélation < -18°C (-30°C ou durée de stockage + courte !
• Agrégation des protéines musculaires du poisson (un peu viande) d’où exsudation à la décongélation et texture + sèche ; solution : température de surgélation < -18°C (-30°C ou durée de stockage + courte !)
• Givre : c’est un phénomène périodique de lyophilisation qui résulte des fluctuations de températures : quand la température extérieure diminue, et devient inférieure à la température à la surface du produit, il y a migration de la vapeur d’eau par sublimation sur les parois de l’emballage (ou de la chambre froide) et dépôt sur la surface plus froide sous forme de givre. Le phénomène peut aussi se dérouler à l’inverse. Ceci est important sur les produits emballés et est un signe de fonctionnement intermittent en cycles longs ou de rupture forte de la chaîne du froid. Ceci est important sur les produits emballés et est un signe de fonctionnement intermittent en cycles longs ou de rupture forte de la chaîne du froid.

• Détériorations biochimiques :
Ce sont en majorité les enzymes thermorésitantes qui vont être impliquées.
En effet, le froid ne dégrade pas toutes les enzymes. On observe :

  • le rancissement des matières grasses sous l’action des lipases, actives aux basses températures et basses aw. Ceci explique la fragilité des poissons gras, des viandes (surtout hachées car les lipases sont alors en contact avec le substrat), et des produits laitiers gras (beurre   et fromages) ;
  • la dégradation des pigments colorés par protéolyse : on conseille donc le blanchiment (ébullition
    rapide pour détruire les enzymes) sur les légumes sensibles (légumes verts en général) ;
  • l’apparition de saveurs désagréables par oxydation, comme le goût de « foin » remarquable sur les légumes verts. On conseille alors l’ajout d’antioxydant   tel que l’acide ascorbique (vitamine C) pour limiter le phénomène. Cette réaction est sous le contrôle d’enzymes oxydatives ou par réaction spontanée avec l’oxygène dissous.
  • l’apparition de taches brunes sur certains végétaux : il s’agit d’un brunissement oxydatif enzymatique (Brunissement Enzymatique) qui correspond à une défense du végétal face à l’agression que représente le choc thermique ; parade : blanchiment de certains légumes avant de les congeler.

 LA CONGELATION

La congélation consiste à refroidir puis à entreposer les aliments à des températures inférieures au point de congélation, généralement -18°C. Elle est utilisée pour la conservation des aliments à long terme (4 à 24 mois).

Pendant la congélation, l’activité métabolique de la plupart des germes pathogènes et d’altération est inhibée. Cependant, les réactions d’altération chimique ne sont pas arrêtées complètement. Les plus importantes de ces réactions sont l’oxydation enzymatique des lipides, l’hydrolyse des glucides et la lipolyse. Pour en remédier, les industriels procèdent généralement à un blanchiment des produits (cas des légumes surgelées) avant leur congélation.

 LA SURGÉLATION

Selon la vitesse de congélation des aliments, on distingue :

1. La congélation rapide ou surgélation : au cours de laquelle les denrées sont stabilisées par abaissement rapide de la température jusqu’à -18°C à cœur. Cette technique permet la formation de nombreux et petits cristaux de glace qui ne détériorent pas l’aliment. Seul un faible exsudat se produit lors de la décongélation.

2. La congélation lente qui s’applique à des produits qui, par leur aspect ou leur mode de récolte, ne peuvent satisfaire à certaines exigences, par exemple vitesse de congélation à laquelle sont soumis les produits surgelés. Le refroidissement de l’aliment s’effectue lentement ce qui entraîne la formation de cristaux de glace de taille relativement importante par rapport à celle des cellules du produit. Les aiguilles tranchantes des cristaux de glace peuvent percer et déchirer la paroi des cellules peu résistantes et favoriser une certaine exsudation lors de la décongélation.

 
LES TECHNIQUES DE CONGÉLATION

La congélation des produits alimentaires utilisent plusieurs techniques. Parmi ces techniques on distingue les congélateurs à tunnels, les congélateurs à plaques et les systèmes de congélation directe (congélation cryogénique).

  • Les congélateurs à tunnels utilisent l’air pulsé comme fluide frigorifique intermédiaire. Celui-ci est refroidi à travers l’évaporateur de la machine frigorifique, pulsée sur le produit par un ventilateur, puis recyclé pour être refroidi à nouveau. Ce système existe en continu et en discontinu. L’avantage des tunnels de congélation réside dans leur souplesse d’utilisation. Ils sont recommandés lorsqu’on est amené à congeler plusieurs types de produits, de forme et de taille différente.
  • Dans le cas des congélateurs à plaques, le produit est refroidi au contact de la surface des plaques, à l’intérieur desquelles circule le fluide frigorifique. Ce type de congélateurs peut être à plaques horizontales ou verticales selon que les plaques sont disposées horizontalement (sous forme d’étagères) ou verticalement. Leur avantage réside dans leur efficience énergétique. Malheureusement, ils ne peuvent être utilisés que pour des produits de forme géométrique, avant ou après emballage, régulière. De plus, ils ne sont plus aptes pas au fonctionnement continu.
  • La congélation cryogénique (ou directe) consiste à mettre le produit directement en contact avec une source de froid, par aspersion d’un liquide comme l’azote liquide ou le CO2 liquide qui s’évaporent au contact du produit. Dans ce cas, l’apport frigorifique est apporté par la chaleur latente d’évaporation du liquide en contact avec le produit (l’azote liquide s’évapore à -196 °C et le CO2 liquide s’évapore à -54 °C). Ce système de congélation a l’avantage d’être rapide et ne nécessitant pas une installation frigorifique proprement dite. Toutefois, il est assez coûteux et ne peut être donc utilisé que pour les produits alimentaires à haute valeur marchande.