Face aux défis actuels de l’industrie agroalimentaire, alliant réduction des matières grasses, amélioration nutritionnelle et respect des attentes clean label, de nouvelles stratégies de formulation innovantes sont essentielles. Cette étude d’AGIR en collaboration avec le laboratoire CBMN de l’Université de Bordeaux s’inscrit dans ce contexte, en proposant une méthode pour former des systèmes alimentaires à partir d’émulsions multiples de type eau-dans-huile-dans-eau E/H/E. Le procédé permet de créer des systèmes émulsionnés réduits en matières grasses qui ont la faculté de gélifier dans le temps par un principe de déséquilibre osmotique. Ces résultats ouvrent donc des perspectives pour développer des produits allégés (desserts lactés, sauces, systèmes d’encapsulation nutraceutiques pour vitamines, minéraux ou probiotiques…) alliant bénéfices nutritionnels et stabilité fonctionnelle.
Définition des émulsions doubles
L’objectif de ce projet consistait à fabriquer des émulsions doubles E/H/E possédant une grande fraction en gouttes internes (eau) dans les globules d’huile tout en garantissant une stabilité lors du stockage. La fabrication d’une émulsion double est multi-étape : une émulsion inverse concentrée eau-dans-huile (E/H) et fabriquée. La forte teneur en phase dispersée donne une consistance épaisse à l’émulsion (Random Close Packing). Cette forte viscosité permet d’affiner plus efficacement les gouttes d’eau lors d’un cisaillement. Pour atteindre de hautes teneurs en eau dans l’émulsion inverse, le Polyricinoléate de Polyglycérol (PGPR) est un émulsifiant lipophile couramment utilisé. Pour entrevoir une remise en dispersion, une dilution à l’huile est alors nécessaire. Une émulsification de cette phase dans une nouvelle phase aqueuse permet alors d’aboutir à un système de type émulsion double (E/H/E ; Figure 1).
Figure 1 : Schéma d’obtention général utilisé pour la fabrication d’une émulsion double E/H/E via la fabrication d’une émulsion inverse E/H (Schéma : AGIR)
Ensuite, pour aider à la stabilité de l’émulsion double obtenue, l’objectif a été de tirer profit de la déstabilisation via ce que l’on appelle un murissement de composition entre les phases aqueuses interne et externe. Pour cela, un soluté très fortement concentré de type sel ou sucre a été intégré dans les gouttes d’eau internes. De cette manière, lors de l’uniformisation des compositions, de l’eau (provenant de la phase externe) vient diluer les gouttes internes. Un gonflement peut alors être envisagé ce qui permet d’aboutir à une fraction volumique importante occupée par les gouttes au sein du globule d’huile. En utilisant une protéine gélifiante dans la phase externe (caséinate de sodium), celle-ci va se concentrer via ce même mécanisme entrainant alors une gélification intense au cours du murissement ce qui participe à la stabilisation globale du système (les émulsions ayant les propriétés de leurs phases continues).
Le défi réside alors dans la gestion de ce murissement car un gonflement des gouttes interne trop important pourrait conduire à une déstabilisation complète de l’édifice. Pour cela, un équilibre des concentrations sera primordial de même que la taille des globules gras qui composent le système.
Fabrication & principaux résultats
L’émulsion inverse a été fabriquée à l’aide d’huile de tournesol contenant 9% de PGPR et dans laquelle a été dispersée une solution concentrée de sucre (40%) ou de sel (20%). Le tout a alors été émulsionné manuellement pour atteindre une fraction volumique de 80%, ce qui confère à l’émulsion une viscosité élevée ainsi qu’une taille de gouttes d’environ 5 µm. La texture obtenue permet à l’émulsion d’être sensible au cisaillement. Ainsi, un cisaillement contrôlé a permis de calibrer les gouttes d’eau vers une distribution centrée sur 2 µm. Une dilution de l’émulsion avec de l’huile permet alors d’abaisser (i) la fraction volumique à 50%, (ii) la teneur en PGPR à 3% et (iii) la viscosité globale associée ce qui facilite une nouvelle émulsification.
En parallèle une phase aqueuse constituée de caséinate de sodium est préparée de manière à redisperser ensuite l’émulsion inverse diluée. Pour fabriquer les différentes émulsions doubles, les paramètres suivants ont été testés :
- Nature et teneur des émulsifiants/texturants dispersé initialement et contenus dans la phase externe : Caséinate de sodium (entre 7 et 10%) ou bien un mélange constitué de gomme arabique et de xanthane (10 et 2% respectivement).
- Teneur en émulsion inverse incorporée : entre 5 et 20%.
L’émulsion double, tout d’abord préparée manuellement présente une fluidité comparable au caséinate de sodium dispersé seul en solution. La microscopie optique révèle alors la présence de globules gras de plusieurs micromètres mais dont les globules sont chargés uniformément en gouttes d’eau salée ou sucrée (Figure 2A). L’émulsion double est alors affinée par cisaillement contrôlé ce qui permet d’obtenir des globules gras de taille réduite sans affecter la structure même de l’état dispersé (Figure 2B). Après quelques minutes, le comportement de l’émulsion double évolue. Au niveau microscopique, l’état des gouttes internes montrent un gonflement significatif (Figure 2C) ce qui est bien le signe d’une diffusion par osmose exacerbée par une réduction en taille des globules gras. Dans un même temps, la concentration du caséinate contenu dans la phase externe permet à l’émulsion de transiter d’un état fluide à un état gélifié. Cela est mis en avant au cours du temps par rhéologie (Figure 2D avec une augmentation des modules élastiques et visqueux puis gélification lors du croisement entre les deux modules). Dans le cas présenté, on notera qu’un équilibre est atteint après 3h de temps.
Figure 2 : (A) : clichés des globules obtenus lors d’une émulsion double fabriquée manuellement ; (B) : même émulsion directement après avoir été cisaillée à la Cellule de Couette (réduction de taille) ; (C) : même émulsion après 20 minutes où le déséquilibre osmotique a favorisé le gonflement des gouttes internes ; (D) : Evolution des modules G’ et G’’ lors du gonflement osmotique avec gélification de l’émulsion (croisement) (Source : AGIR)
La fermeté des gels obtenue après équilibre osmotique est dictée essentiellement par la teneur en caséinate de sodium dispersé initialement. Cette observation est valable quel que soit le soluté dispersé dans les gouttes internes (sucre ou sel ; Figure 3A & B respectivement). En deçà de 7% massique, les gels présentent une apparence plutôt souple (G’’>G’) tandis qu’au-delà de 7,5%, les gels sont plutôt fermes et élastiques (G’>G’’). Des stabilités à l’échelle de plusieurs mois à 4°C ont ainsi pu être observées.
Figure 3 : Evolution des modules élastiques (G’) et visqueux (G’’) en fonction de la concentration initiale en caséinate de sodium (SC) ; (A) : système constitué de sucre dans le gouttes internes et (B) : système constitué de sel (Source : AGIR)
En conclusion
L’utilisation des structures de type émulsions doubles représente une alternative très intéressante pour l’allègement nutritionnel des matrices alimentaires grâce à l’incorporation d’eau au sein des globules gras. Dans ces systèmes, le déséquilibre osmotique entre les phases internes et externes a permis une augmentation de la stabilité physique par gélification de la phase aqueuse externe composée de gélifiants polysaccharidiques ou protéiques. Au cours de cette étude nous avons pu mettre en avant que la cinétique de l’osmose est directement corrélée à la taille même des globules puisque plus le globule est petit, plus la surface d’échange est grande et plus rapide sera la vitesse de transfert (Figure 4).
Figure 4 : Cinétique du transfert d’eau de la phase aqueuse externe vers la phase aqueuse interne pouvant être modulée via la taille des globules gras (Schéma : AGIR)
La fabrication de ces systèmes à des échelles pilotes ou industrielles (ou avec des outils présentant une réalité industrielle) reste une perspective intéressante à mener. De même, l’intégration de ces systèmes dits « multiples » dans des produits alimentaires réels est également un challenge à relever que ce soit pour apprécier les comportements physicochimiques des matrices ou bien évaluer l’impact sensoriel des produits fabriqués. A titre d’exemple, la gélification induite par le déséquilibre osmotique pourrait être intéressante à étudier pour des produits de type « panna cotta ».
Les émulsions doubles constituent des émulsions très intéressantes à étudier. Ces résultats ont appelé le déploiement d’autres études, toujours sur les systèmes émulsionnés multiples. Si vous souhaitez aller plus loin dans la compréhension de ces systèmes innovants, n’hésitez pas à prendre contact avec nous ou bien à consulter l’article sur les émulsions doubles ici.
Source : Delample, M., Da Silva, F. & Leal-Calderon, F, (2014), Osmotically driven gelation in double emulsions, Food Hydrocolloids, 38, 11-19. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2013.11.009