Surgélation cryogénique: comment estimer les besoins en froid des aliments ?

Estimer les besoins en froid d’un aliment

Rien de plus simple pour disposer des bons chiffres en un rien de temps !

Les besoins frigorifiques sont liés à la composition du produit. En effet, tous les composants qui le constituent n’ont pas les mêmes caractéristiques thermiques. En agroalimentaire, ceux-ci sont connus par les industriels bien sûr et figurent sur l’étiquette sur l’emballage, dans le but d’en informer le consommateur. En simplifiant, on peut réduire la composition de l’aliment à trois éléments de base :

• l’eau qui, dans les produits alimentaires, est l'élément prépondérant avec souvent des teneurs comprises en 60 et 90 %.
• les matières grasses qui sont en proportions variables entre 0 et 40%. 
• le reste que l’on considérera comme les “matières sèches”.

En cryogénie alimentaire, c’est la formule de Chaim qui permet de calculer l'énergie nécessaire à un aliment pour être surgelé. Elle s’exprime en kJ/kg (ou communément en kcal/kg) selon la formule ci-dessous. 
Dans le cas d’une surgélation, on va calculer la différence d'enthalpie (quantité d’énergie) du produit entre l’initial (lorsqu’il est frais) et son état final (le produit surgelé), en tenant compte du changement d'état d'une partie du produit au moment du passage du palier de congélation (transformation de l’eau en glace)

Q = ( Cs x ∆T 1 ) + L + ( Cg x ∆T 2 )

avec :

• Cs, la chaleur spécifique (ou chaleur massique) au-dessus du point de congélation (kj/kg.°C ou kcal/kg.°C)
  Chacun des trois composants constituant l’aliment ont des chaleurs spécifiques connues ou approchées:
  Eau : Cs = 1,00 kcal/kg°C
  Matières grasses : Cs = 0,50 kcal/kg°C
  Matières sèches : Cs = 0,35 kcal/kg°C
  Pour déterminer la valeur de Cs+ globale de l’aliment, il suffit d’ajouter les chaleurs spécifiques de chacun des composants du produit
  Cs+ = (1,00 x % Eau) + (0,50 x % Matières Grasses) + (0,35 x % Matières Sèches)
• L, la chaleur latente massique de solidification (kcal/kg)
  Pour les produits alimentaires, différents phénomènes peuvent avoir des impacts sur la quantité d'énergie nécessaire durant la surgélation. Cependant, seule la chaleur de solidification de l’eau sera prise en compte. L’importante quantité d’eau généralement contenue dans les produits alimentaires ainsi que la valeur élevée de la chaleur latente de solidification font de cette étape, l'élément primordial pour déterminer le besoin en froid du produit lors d’une surgélation. 
  Cette valeur est connue : LH₂O = 80 kcal/kg
  Pour déterminer la valeur de la chaleur latente d’un aliment, il suffit de prendre la chaleur latente de l’eau multipliée par le pourcentage d’eau contenu dans le produit :
  L(produit) = (80 x % Eau)

• Cg, la chaleur spécifique (ou chaleur massique) au-dessous du point de congélation (kj/kg.°C ou kcal/kg. °C) :
  Tout comme pour la chaleur spécifique au dessus du point de congélation, cette chaleur spécifique au dessous du point de congélation est calculée à partir des trois principaux composants de l’aliment à partir des valeurs suivantes: 

  • Eau : Cs+ = 0,50 kcal/kg°C
  • Matières grasses : Cs+ = 0,50 kcal/kg°C
  • Matières sèches/Cs+ = 0,35 kcal/kg°C

  Pour déterminer la valeur de Cg pour un aliment, il suffit de prendre en compte les Cg de chacun des composants en fonction de la composition du produit

  Cg = (0,50 x % Eau) + (0,50 x % Matières Grasses) + (0,35 x % Matières Sèches)

• ∆T1, est la différence de température entre la température initiale et la température du point de congélation.
• ∆T2 , est la différence de température (en °C) entre la température de congélation et la température finale souhaitée du produit.

Etude de cas : Approche budgétaire de la surgélation d’un steak haché de boeuf à 15% Matières Grasses

La teneur en eau d’un steak haché est de l’ordre de 66 %. Dans notre cas, le taux de matières grasses est de 15 %. On peut donc en déduire que les matières sèches représentent 19 %.

Pour l’exemple (même si ce n’est pas réaliste) nous prendrons une température initiale du produit de 20°C et une température finale de -20°C. On prendra une température de congélation de 0°C.

• Cs,  chaleur spécifique au-dessus du point de congélation (kcal/kg. °C) :
  La chaleur spécifique du steak haché, au dessus du point de congélation se détermine à partir des chaleurs spécifiques de chacun de ses composants:
• Cs = (1,00 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x0,19) = 0,80 kcal/kg°C
• L,  chaleur latente massique de solidification (kcal/kg) du steak à 66% d’eau    
  L = (80 x 0,66) = 52,8 kcal/kg
• Cg,  chaleur spécifique au-dessous du point de congélation (kcal/kg. °C) :
      La chaleur spécifique du steak haché, au dessous du point de congélation se détermine, là encore, à partir des chaleurs spécifiques de chacun de ses composants :
  Cg = (0,50 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x 0,19) = 0,47 kcal/kg°C
• ∆T1  différence de température (en °C) entre la température initiale et la température de congélation du produit.
  ∆T1 = (20 - 0) = 20°C
• ∆T2  différence de température (en °C) entre la température de congélation et la température finale du produit.
  ∆T2= (0 - (-20°)) = 20°C

La formule de Chaim nous indique donc qu’il faut 78.2 kcal /kg pour surgeler des steaks hachés à 15% de matières grasses
Q = ( 0,80 x 20 ) + 52,8 + ( 0,47 x 20 ) = 78,2 kcal/kg

Comparons ce résultat avec les données réelles

La courbe de mesures ci dessous, réalisée sur le produit, nous donne :

• A 20°C, l’enthalpie mesurée est de 17,03 kcal/kg
• A -20°C, l’enthalpie mesurée est de -56,53 kcal/kg
• Soit une besoin de froid pour passer de 20°C à -20°C de 73,56 kcal/kg

L’écart entre le besoin réel et le calcul théorique obtenu à partir de la formule de Chaim est de l’ordre 5% ce qui est acceptable pour réaliser une première approche budgétaire de la solution de surgélation.

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