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)

Voici en vidéo (par « C’est pas Sorcier ») l’explication de la congélation/Surgélation !

 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 :
121- 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.

122- 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.

a- 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.

b- 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.

 14 Froid & Qualité

Définis par Alexandre MONVOISIN (1928), les principes fondamentaux de l’application du froid à la conservation des denrées périssables sont énoncés sous le vocable de «  trépied frigorifique de MONVOISIN » :

• 1. Application du froid sur des produits sains : La réfrigération ayant comme conséquence le ralentissement des phénomènes d’altération et de multiplication microbienne, il est essentiel que les aliments soient initialement d’excellente qualité et peu contaminés.
• 2. Précocité  : Le froid est à appliquer aussitôt que possible après l’abattage ou la récolte, avant que les diverses altérations n’aient commencées.
• 3. Continuité  : Chaque type de produits réfrigérés est à maintenir à une température appropriée (par exemple, une température de 4°C maximum pour les viandes, les volailles,...) Toute élévation sensible de la température du produit au-dessus de cette valeur provoque une accélération de la multiplication microbienne et des phénomènes de dégradation. La température de conservation des denrées doit rester aussi constante que possible en dessous de cette limite, depuis l’abattage ou la récolte jusqu’à la consommation. On parle ainsi de « chaîne du froid », l ‘efficacité de celle-ci dépendant de celle du maillon le plus faible.

Voici une illustration des différentes Toxi-Infections Alimentaires Collectives (TIAC) provoquées par une rupture de la chaine 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 microorganismes) et des réactions biochimiques et enzymatiques qui peuvent aussi nuire à la conservation des aliments . C’est cet effet qui est mis en œuvre en réfrigération.
• 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 où ce second effet n’existe pas !

 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-Surgélation
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 : 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.
Ce sont en majorité les enzymes thermorésistantes 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.

 

Selon la vitesse de refroidissement 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 maximum (on peut descendre jusqu’à -30°C). 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 et rarement en dessous de -18°C, 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.

La technique de conservation par le froid négatif qui préserve le mieux les qualités des produits alimentaires est comme vus l’avez compris la surgélation ! Néanmoins on pourra utiliser la congélation (technique moins onéreuse) quand il n’y a pas d’effets remarquables sur la qualité du produit notamment quand ce dernier ne comporte pas de structure fragile comme les tissus végétaux ou animaux (exemple ; jus de fruit, purée de fruit...)

 

Un jus de fruit et de l’eau pure placés dans un congélateur vont voire leur température diminuer mais selon des cinétiques (vitesses) différentescomme le montre le graphique ci dessous :

1.- Cas de l’eau pure :

Lors du refroidissement de l’eau pure jusqu’à sa cristallisation, on observe 3 phases

• Phase de refroidissement de l’eau jusqu’à 0°C = T°C de fusion de l’eau.
  Point de surfusion de l’eau : c’est le début de la nucléation (formation des premiers cristaux) qui fait descendre l’eau liquide à une température légèrement inférieure à 0°C.
• Pallier de température au point de fusion de l’eau (= 0°C) ; ceci pendant toute la durée du changement d’état ; seule la chaleur latente de fusion (Lf = 79.7 kcal/kg = 318.8kj/kg) est absorbée par le fluide frigorigène
• Refroidissement de la glace : lorsque toute l’eau a été cristallisée, la glace formée se refroidit plus rapidement que l’eau liquide ! (Cp glace= 1.96 kj/kg/°C ; Cpeau = 4.18 kJ/kg/°C)

2- Cas du produit alimentaire :

Du point de vue thermodynamique, un tissus biologique se comporte comme une solution diluée.

On observe :

• Une température de fusion (ou congélation) commençante (Tc) en dessous du point de congélation de l’eau pure (0°C) ; c’est l’abaissement cryoscopique : l’écart entre le point de congélation commençante de la solution et celui de l’eau pure (0°C) est d’autant plus grand que la solution est concentrée !

• Un pseudo pallier : au fur et à mesure que l’eau cristallise, le soluté restant se concentre dans la phase liquide (procédé de cryoconcentration utilisé pour la concentration des vins et jus de fruits) ; le point de fusion de l’eau restante diminue alors en même temps que la concentration augmente : on obtient donc un pseudo pallier !
• Une température de « fin de congélation » (Tf) : elle correspond à la température qui a permis de cristalliser la totalité de l’eau congelable (fin du pseudo pallier) ;on parle encore de température eutectique ; cette température est très basse notamment pour les produits alimentaires qui sont des solutions très complexes !

Conséquences : en IAA on n’utilise rarement des températures de congélation aussi basses (- 55°C) ! ; cela signifie qu’il restera toujours de l’eau congelable (eau libre) dans un aliment congelé à –18°C ; il faudra pour certains produits sensibles (gras par ex) raccourcir la durée de stockage et/ou recourir à des températures + basses (<-18°C)

 

De nombreux facteurs peuvent influencer la durée de congélation/Surgélation.

La durée de congélation est une caractéristique importante à connaître car elle va permettre :
• de déterminer le temps de séjour ou le débit du produit à congeler (tunnel continu)
• de dimensionner le matériel lors d’un achat .

La durée de congélation va donc dépendre des caractéristiques du produit mais aussi de celle du matériel utilisé

5.1- Caractéristiques du produit
• Quantité : masse ou volume
• Température initiale et finale
• Humidité : l’énergie à fournir augmente avec la teneur en eau du produit
• Chaleur spécifique (Cp en kcal/kg/°C) = quantité de chaleur à enlever pour diminuer de 1°C la température de 1 kg de produit.le Cp de l’eau (1 kca/kg/°C) est supérieure à tous les autres ingrédients des aliments (ex : lipide = 0.5 kcal/kg/°C)
Conséquences : plus l’aliment est riche en eau, plus il faudra de l’énergie pour le congeler !
• Conductibilité thermique (en kcal/m.°C) :
Glace (1.9 kcal/m.°C) > Aliment congelé > Eau (0.51) > Aliment non congelé > Lipides (0.05) > Air (0.02)
• Masse volumique (air = isolant thermique)
• Géométrie : forme et épaisseur

5.2- Caractéristiques du matériel
• Température du fluide frigorigène et différence de température entre produit et fluide frigorigène ou air
• Les caractéristiques du fluide réfrigérant : l’eau, l’air, les gaz cryogéniques n’ont pas les mêmes coefficients d’échange de chaleur.
• Puissance frigorifique disponible (en kW ou kcal /h ou frigorie)
• Coefficient de transfert de chaleur (fonction du type de contact entre le produit et le milieu réfrigérant)

 

La congélation / Surgélation 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).

6.1- Les congélateurs à tunnels
Ces matériels utilisent de 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 (tunnel à bande porteuse ou dynamique) et en discontinu (tunnel dit statique).
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.

Voici le schéma d’un tunnel statique :

Tunnel dynamique à bande transporteuse
Voici une animation décrivant le fonctionnement d’un tunnel de surgélation à bande porteuse (ou dynamique) :

Tunnel dynamique à bande transporteuse hélicoidale
Afin de limiter l’encombrement au sol et pour satisfaire à des durées de surgélation plus longue, les fabricants ont rallongé la longueur de la bande porteuse qui décrit un parcourt hélicoïdal (comme un escalier en colimaçon) ; on parle de « Gyrofreezer » ou « spiralfreezer ».

Voici le schéma du modèle Frigoscandia :

Légendes :
1-entrée du produit ;
2-Sortie du produit ;
3- tambour ;
4-Bande transporteuse ;
5-ventilateur ;
6- refroidisseur de l’air(évaporateur du groupe froid) ;
7-faux plafonds ;
8-actionneurs ;
9-panneau electrique ;
10-systeme de lavage de la bande transporteuse ;
11-ventilateur du séchoir de la bande transporteuse.

Voir ci dessous l’animation développée par Frigoscandia :

Tunnel dynamique à bande transporteuse à lit fluidisé
Les tunnels surgélateurs à lit fluidisé permettent de réaliser une surgélation individuelle de petits aliments tels que les petits poids, les fleurettes de choux fleurs... en mettant en suspension les aliments dans un courant d’air froid.
Cette technique permet d’obtenir des produits surgelés de manière individuelle (sans se coller) ; on parle de procédé « IQF » (Individually Quick Frozen"

6.2- Les congélateurs à plaques
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.

6.3- Les surgélateurs cryogéniques

La surgélation 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.

Cette technique permet aussi d’obtenir des produits surgelés de manière individuelle (sans se coller) ; on parle de procédé « IQF » (Individually Quick Frozen"
Voir l’animation suivante :