Système de mesure pour la caractérisation en ligne de la texture de produits alimentaires contenant des protéines structurées végétales/hybrides dans le contexte de la numérisation de la chaîne de valeur

Ce projet a étudié l'évolution de la structure des chocolats fourrés au cours du processus de refroidissement. Grâce à la spectroscopie d'amplitude d'atténuation ultrasonique et à des mesures de température, la cristallisation et la solidification de l'enrobage et de la garniture ont été suivies en temps réel. Les résultats jettent les bases d'une optimisation des processus fondée sur les données et d'une fabrication plus économe en ressources, avec moins de défauts de production.

Les produits chocolatés fourrés comptent parmi les produits les plus exigeants sur le plan technologique dans l'industrie de la confiserie. Leur fabrication nécessite un contrôle précis de deux masses physiquement différentes – pour l'enveloppe et la garniture – dont le comportement de cristallisation, le dégagement de chaleur et la contraction volumique peuvent varier considérablement l'une par rapport à l'autre. Même des écarts minimes par rapport au processus de refroidissement optimal entraînent des défauts tels que la formation de fissures, le déplacement de la garniture ou la fuite de celle-ci. Les produits défectueux ne pouvant pas être retravaillés, il en résulte des pertes économiques immédiates.  

L’objectif du projet était de développer une compréhension, fondée sur des mesures et des données, de l’évolution de la structure des chocolats fourrés dans des conditions de refroidissement proches de celles de l’industrie. La spectroscopie d’amplitude et d’atténuation ultrasonores (USAD) a servi de méthode principale ; elle permet de suivre en temps réel la transition de la phase grasse du beurre de cacao, de l’état fondu visqueux vers un réseau cristallin élastique. En complément, des capteurs de température locaux ont été placés à différents niveaux de la couche de produit dans le moule, ce qui a permis de suivre simultanément et avec une résolution spatiale les processus de transfert thermique dans la coque et la garniture.  

Dans un premier temps, les couvertures noires et blanches ont été caractérisées à l’échelle du laboratoire par des analyses rhéologiques et par spectroscopie ultrasonique. L’atténuation visqueuse plus importante de la couverture noire s’expliquait par sa teneur plus élevée en matières solides ; la couverture blanche, en revanche, cristallisait plus rapidement et plus efficacement en raison de sa teneur en matières grasses plus élevée. Outre le début de la cristallisation, l’épaisseur de la coque au moment du détachement de la paroi du moule s’est avérée être un paramètre déterminant pour la déformation due à la contraction volumique qui l’accompagne.  

Les mesures USAD ont permis pour la première fois d’établir une distinction métrologique claire entre, d’une part, le détachement de la coque et, d’autre part, la formation de la structure dans la coque et la garniture. Dans des conditions de refroidissement définies (température de l’air de refroidissement de 11 °C, vitesse de l’air d’environ 1 m/s), les coques minces présentaient une solidification avancée dès 300 à 500 s et un détachement complet du moule après 500 à 700 s. Cela suggère que le remplissage pourrait être lancé plus tôt que ce n’était habituellement le cas jusqu’à présent, ce qui offre un potentiel correspondant d’économies d’énergie et de temps dans le refroidisseur à coques.  

Après le dosage de la masse de remplissage en fusion dans la coque démoulée, on a d’abord détecté une augmentation marquée de l’atténuation ultrasonore due à la dissipation d’énergie visqueuse de la masse de remplissage, suivie d’une augmentation de l’amplitude à mesure que les caractéristiques du solide s’affirmaient. L’atteinte d’un plateau dans le signal ultrasonique a indiqué de manière fiable que la solidification de la masse de remplissage était achevée et que le processus de refroidissement pouvait être interrompu. De plus, il a été démontré que le dosage de la masse de remplissage dans une coque entièrement détachée du moule était possible sans risque notable de fusion de ce dernier.  

Les caractéristiques USAD déterminées en laboratoire ont été confirmées par des mesures industrielles en ligne. De plus, l’influence des vibrations mécaniques pendant le moulage de la coque sur le comportement de démoulage a pu être mise en évidence – un résultat qui ouvre la voie à de nouvelles variables de contrôle pour l’optimisation du processus. Par ailleurs, une détermination de l’indice de tempérage (TI) dans des conditions réelles (moule de laboratoire, paramètres d’air de refroidissement similaires à ceux de l’industrie) a fourni des valeurs caractéristiques plus fiables que les méthodes de mesure TI conventionnelles et a amélioré la transposabilité des données de laboratoire à l’échelle industrielle.  

Les résultats obtenus jettent les bases d’une reconnaissance de modèles de données assistée par l’IA et d’une optimisation des procédés basée sur des modèles, telles qu’elles sont envisagées pour l’avenir. La mise en relation des données de mesure USAD avec des simulations thermomécaniques de processus ainsi qu’avec la caractérisation des matières fondues à couler en termes de rhéologie et d’intensité de précristallisation permettra à l’avenir d’établir des prévisions plus précises concernant le comportement de solidification et de démoulage. Cela constitue la base technologique d’une fabrication de chocolats fourrés économe en ressources et présentant un minimum de défauts, dans l’esprit de Food 4.0.