La crème glacée, c’est bon mais ça fond !

L’été, on aime tous (ou presque) déguster une bonne glace pour se rafraîchir : un dessert très populaire. Le problème classique est que, quand on n’y prend pas garde, elle fond (plus ou moins rapidement), coule et évidemment on s’en met partout. Oui mais ce désagrément ne sera bientôt plus qu’un mauvais souvenir car figurez-vous qu’une grande nouvelle a fait récemment le tour des média scientifiques : on sait désormais fabriquer de la glace qui ne fond pas. Enfin, pour être totalement rigoureux, précisons : une glace qui fond moins facilement à une température donnée.

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Dessin de Charlotte Baugé : après l’effort, une petite glace !

Qu’est-ce qu’une crème glacée ?
A l’évocation de ce dessert, on pense à plusieurs choses à priori : une texture onctueuse, crémeuse, sucrée, aérée et gelée. Cela nous permet, rien qu’avec ces quelques adjectifs, de retrouver la quasi totalité des constituants (tout du moins les familles).
On a ainsi :
– du gras (issu de la crème du lait),
– des protéines (venant du lait aussi),
– des sucres,
– des bulles d’air,
– des cristaux de glace.

Comme on peut le constater, la crème glacée présente la particularité de contenir les trois états de la matière et cela c’est assez compliqué à gérer :
– état liquide mais de grande viscosité (protéines, sucres en solution, globules de gras sous forme d’émulsion),
– état solide (gras cristallisé, les cristaux de glace),
– état gazeux (les bulles d’air).
Bref, on l’aura compris, il s’agit d’une structure assez complexe dans laquelle tous ces constituants de nature physico-chimique différente doivent cohabiter le mieux possible. En effet, ce sont les ingrédients et la façon dont ils sont agencés qui vont créer la microstructure dont va dépendre la texture (donc le ressenti en bouche) et les caractéristiques de l’écoulement.
La meilleure microstructure sera celle pour laquelle tous les constituants seront le mieux dispersés tout en étant reliés les uns aux autres malgré des caractéristiques et des affinités différentes.

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D’un point de vue de sa microstructure, on peut dire que la crème glacée est  à la fois une émulsion, une solution colloïdale, et une mousse. Voyons comment tout cela s’organise.

L’organisation de la structure
* L’émulsion

Pour rappel, une émulsion est une solution où coexistent deux phases non miscibles, mais qui parviennent néanmoins à s’acoquiner grâce à la présence de molécules conciliatrices qui ont des accointances avec les deux phases : on parle de molécule amphiphile (« amphi » signifiant les deux, et « phile » signifiant qui aime).

Bref, dans le cas de la crème glacée, la solution liquide « matrice » est constituée de sucres dans l’eau : contenant tous les deux des groupements -OH, favorables à l’apparition de polarités, les molécules d’eau et de sucre se lient facilement.
Par contre, la matrice contient aussi des globules gras. Or les molécules de gras, en général ce sont de plus ou moins longues chaînes de carbone, non polaires, qui n’ont donc aucune affinité avec l’eau : chacun dans son coin.

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Les molécules de gras ne se mélangent pas aux molécules d’eau qui se regroupent entre elles.

Par contre les globules de gras du lait ont comme particularité d’être enrobés et protégés par une membrane essentiellement composée de phospholipides, de lipoprotéines et de cholestérol : ce sont là de parfaites molécules conciliatrices, amphiphiles.

Mais dans l’industrie alimentaire, ce sont souvent les protéines ajoutées qui jouent ce rôle de « double jeu ». En effet, les protéines, constituées d’une succession d’acide aminés, possèdent certains groupements hydrophiles et certains groupements hydrophobes (ou lipophiles).
Des émulsifiants, molécules amphiphiles peuvent aussi être ajoutés.

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* La mousse
C’est la présence d’une phase gazeuse au sein d’un milieu continu. Ici ce sont les bulles d’air dans la structure de la crème glacée qui en fait une mousse. Si certaines molécules amphiphiles sont présentes dans la phase liquide (ex : certaines protéines), elles ont en général la bonne idée de s’adsorber à l’interface gaz/liquide, bref elles stabilisent les bulles d’air au sein de la structure.

Et l’écoulement dans tout cela ?
Il va dépendre des ingrédients, des quantités et des liaisons qui ont pu se mettre en place entre eux.
Ainsi selon la teneur et la nature des sucres dans le mélange avec l’eau, le point de congélation, la viscosité du milieu, mais également la nature du solide formé vont varier (cristaux organisés ou structure amorphe, non organisée).
D’un point de vue qualitatif, c’est assez facile à comprendre : les sucres qui sont sous forme de polysaccharides (longues molécules) vont particulièrement s’enchevêtrer si leur concentration est assez élevée : la viscosité de la solution en sera d’autant plus élevée (et donc l’écoulement plus difficile).

Les cristaux de glace jouent aussi leur rôle dans l’affaire : leur présence et leur interaction gênent l’écoulement. Cependant ils doivent rester discrets (donc de petite taille) sinon ils croquent sous la dent, et la sensation désagréable apparaît sans ménagement.

Enfin la mission des globules de gras n’est pas des moindres : lorsqu’ils coalescent, ils s’organisent en une structure tridimensionnelle, en un réseau qui relie le tout. Voilà notre bonne crème glacée, qui ne coule pas… enfin dans une certaine mesure.
Parce que lorsqu’il fait très chaud (traduction : les molécules ont de plus en plus d’énergie, s’agitent, tirent sur les liaisons), les liaisons chimiques les plus faibles cèdent, et la glace coule.

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Dessin Valentin Baugé

C’est clair à priori ! Oui et non… parce qu’à ce point de mes lectures, je me suis posée plusieurs questions. Pourquoi avait-on finalement encore une phase liquide (même visqueuse) au sein de la crème glacée alors qu’une étape de congélation était censée multiplier les cristaux de glace ? Comment s’organisent les différents constituants les uns par rapport aux autres lors du processus de fabrication ? Qui de tous ces protagonistes met le point final dans l’organisation de la structure ?

Un petit bilan s’impose.

Bilan : qui fait quoi et dans quel ordre pour stabiliser la structure et limiter l’écoulement ?
Les sucres les plus complexes (polymères) s’enchevêtrent et augmentent la viscosité de la matrice liquide. Puis lors de l’étape de congélation, lorsque les cristaux de glace apparaissent au détriment de l’eau liquide, toutes ces sucres dissous se retrouvent de plus en plus concentrés ce qui abaisse le point de congélation (comme le sel sur les routes glacées l’hiver) Il reste donc toujours une phase liquide dans la crème glacée (produit final).

Les protéines de lait* jouent le rôle de molécule amphiphile et permettent de mettre en émulsion les globules de gras en s’adsorbant à leur surface. Sous l’effet de l’entrée d’air introduit lors du processus de fabrication, et de l’apparition de cristaux de glace lors l’étape de congélation, les globules de gras alors sous contrainte, coalescent partiellement. Ce regroupement permet d’englober les bulles d’air par adsorption : celles-ci sont alors stabilisées dans la matrice.
La coalescence conduit aussi à la construction de chaînes qui forment alors un réseau tridimensionnel : c’est ce qui donne la tenue à la glace, sa résistance à l’écoulement, et son onctuosité en bouche. C’est donc la combinaison des protéines et des globules de gras qui oeuvre dans l’ombre.

* ou les émulsifiants que les fabricants ajoutent dans le mélange initial.

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La fonte de la glace (à une température donnée) quant à elle, dépend de plusieurs paramètres assez logiques (mais étudiés précisément par de nombreux chercheurs) :
– la quantité d’air incorporée,
– la nature des cristaux de glace,
– la densité et le réseau de globules de gras formés.

Ce dernier paramètre est prépondérant.
Chaque industriel a développé sa propre recette et outre les ingrédients, le processus de fabrication joue un rôle majeur (température, pression à chacune des étapes mise en oeuvre, mode d’introduction de l’air …) sur différents paramètres (taille des cristaux, taille des bulles d’air, réseau de globules de gras). On comprend ainsi mieux la supériorité en texture et en goût de certaines marques sur d’autres !

Mais désormais, l’industriel doit aussi être à l’écoute des contraintes sanitaires en essayant de baisser la teneur en gras de leurs produits (elle varie en général entre 10 et 16 %). L’objectif est de passer sous la barre des 10 %. Or, vu ce que nous venons de voir, cela n’est pas vraiment favorable à l’onctuosité, la bonne tenue de la crème glacée. Il faut donc trouver de nouvelles formulations …

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Les nouvelles découvertes.

L’industrie agroalimentaire et pharmaceutique s’intéresse de près à une certaine bactérie  » Bacillus Subtalis » pour sa capacité à produire des molécules antibactériennes et des enzymes particulières. On la retrouve surtout dans le sol au pied des racines de plantes (elle vit même en symbiose avec elles).

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«Bacillus subtilis Gram» par Y Tambe (original uploader) — Travail personnel.

En général, les bactéries n’aiment pas vivre seules et préfèrent la communauté et ne s’en privent pas. C’est ce qu’on appelle le biofilm.
Pour se regrouper de la sorte, elles produisent une matrice extracellulaire composée de toutes sortes de molécules dont des protéines. Pour que la matrice soit stabilisée, les chercheurs ont mis en évidence que Bacillus Subtalis fabriquait une protéine particulière baptisée « BSlA » (pour « bacterial surface layer A ») aux propriétés uniques. Celle-ci est amphiphile (évidemment) et à ce titre, elle joue le rôle de molécule stabilisatrice.
Elle fait partie de la famille des « hydrophobines« , groupe de protéines à petit nombre de maillons (acides aminés), capables de recouvrir la surface d’un objet d’une couche hydrophobe. Elles sont capables de stabiliser toutes les interfaces eau-huile, et des bulles d’air.

Bingo, c’est exactement ce genre de molécule qu’il faut à l’industrie de la crème glacée pour se substituer aux globules de gras.

Des scientifiques de l’univers d’Edinbourg et Dundee (Ecosse) ont donc utilisé la protéine BSlA dans la recette de la glace et ont mis en évidence une amélioration de ses propriétés : la glace fond mais « moins rapidement ».
Preuve est faite que la protéine BSlA joue parfaitement son rôle de conciliatrice en liant l’ensemble des protagonistes : gras (en moindre quantité), air, solution aqueuse.
Bon, cette découverte est encore un peu récente pour connaître les détails du mode d’action de BSlA : j’attends avec impatience les prochaines publications scientifiques sur le sujet.

Retenons : moins de gras, moindre contenu calorique, onctuosité au rendez-vous et possibilité de déguster la glace jusqu’au bout sans qu’elle ne coule ! Quand la science rime avec plaisirs gustatifs, moi j’aime ça !

NB
Je remercie mes enfants qui n’ont pas ménagé leurs efforts pour accompagner mon travail de recherche sur ce sujet et de rédaction de ce billet. Je pense par exemple aux dessins de ces délicieuses dégustatrices de glaces, dessinées et découpées avec application.

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Références utilisées
Wildmoser H. et al, « Impact of disperse microstructure on rheology and quality aspects of ice cream », LWT – Food Science and Technology, Volume 37 (8), pp 881–891, 2004

Adapa S et al., « Rheological properties of ice cream mixes and frozen ice creams containing fat and fat replacers. », Journal of Dairy Science, Volume 83(10), pp 2224-9, 2000

H.Douglas Goff,  « Colloidal aspects of ice cream—A review », International Dairy Journal, Volume 7, Issues 6–7, pp 363–373, 1997

Ali J. Green et al., « Formation and stability of food foams and aerated emulsions: Hydrophobins as novel functional ingredients », Current Opinion in Colloid & Interface Science, Volume 18(4), pp 292–301, 2013

Hobley L, Ostrowski A, « BslA is a self-assembling bacterial hydrophobin that coats the Bacillus subtilis biofilm », Proc Natl Acad Sci U S A., Volume110(33), 2013

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