La science des matériaux appliquée aux produits céréaliers

Les produits céréaliers constituent la base de notre alimentation. Leur texture est un indicateur pertinent de la perception sensorielle. La mécanique ne peut s’affranchir de l’information structurale qui est intimement liée au comportement mécanique des produits, d’où l’intérêt majeur d’étudier les relations structure – propriétés mécaniques. Du fait de la variabilité de la taille des hétérogénéités structurales, ces relations doivent se décliner sur différents niveaux d’échelles.
L’inaccessibilité à la mesure de l’effet de certaines hétérogénéités (ex. mesure in situ d’une propriété de paroi dans un matériau alvéolaire) implique l’utilisation incontournable de l’approche numérique pour la construction de modèles mécaniques robustes capable de prédictions réalistes.

La méthode des Eléments Finis (EF), connue pour sa description déterministe, intègre de plus en plus la complexité des structures. Dans ce qui suit, l’application des EF est mise en avant dans le cadre de l’étude des produits céréaliers à base d’amidon.
La simulation numérique par EF, couplée à un modèle déterministe adéquat, permet une prédiction du comportement mécanique de ces produits en relation avec leur structure. Mieux encore, ce type d’approche anticipe ces mêmes propriétés pour des structures « virtuelles » comparables aux structures « réelles ». La génération virtuelle désigne des possibilités structurales d’amélioration des produits par les procédés standards de transformation alimentaire. Les résultats obtenus sont illustrés ci-après dans le cas des produits alvéolaires de type mie de pain en y apposant une démarche déterministe multi-échelle.  

La simulation à différentes échelles révèle les comportements mécaniques d’une mie de pain

Partant du composite qui forme la paroi alvéolaire, la simulation de la nano-indentation révèle le rôle majeur de l’interface amidon – zéine (Figure 1) [1].  Cet effet devient flagrant quand on s’intéresse au comportement à l’échelle de la microstructure [2]. Afin de mieux appréhender le rôle de l’interface, il est possible de raisonner sur un effet moyen de celle-ci grâce à la notion de propriétés de l’interphase [3]. La modélisation du comportement devient alors plus cohérente avec les tests mécaniques. Néanmoins, cette cohérence a une validité relative à l’échelle de l’observation et nécessite une démarche d’homogénéisation pour faire le passage obligé entre l’échelle de la microstructure et l’échelle macroscopique. Tant que ce passage n’est pas fait, la variabilité des propriétés mécaniques mesurées macroscopiquement ne peut être expliquée.


Figure 1 : (a) Simulation d’un essai de nano-indentation : échelle de l’interface. (b) Modèle à trois phases: échelle de la microstructure. (c) Simulation d’un essai de flexion: échelle macroscopique. (d) Modèle élastique associé à une structure cellulaire à base d’amidon (mie de pain): échelle du produit transformé.

Appliquer les modèles à la mastication

En attendant la mise en œuvre d’une telle démarche, nous avons pu identifier, à l’échelle macroscopique, le comportement mécanique de composites amidon – zéine par une approche inverse [4].
Ici, le matériau est dit homogène dans le sens où la microstructure intervient implicitement dans le comportement. Connaissant les propriétés des parois, la simulation du comportement du produit transformé a pu être décrite [5]. Les résultats numériques révèlent un rôle non négligeable de l’architecture alvéolaire sur l’élasticité des structures de type mie de pain en regard du rôle prépondérant du vide.

L’application des modèles mécaniques dans le cas de la mastication des produits céréaliers est en cours de réalisation. Cette approche permettra de relier le procédé aux propriétés d’usage afin d’anticiper au mieux la dégradation de ces produits pour une meilleure digestion.

Partenaires

UMR Centre des Sciences du Goût et de l'alimentation (CSGA) CNRS, INRA, Université de Bourgogne et AgroSup Dijon, E. Guichard;
Laboratoire de Mécanique de Lille, Unité Mixte de Recherche CNRS/Université des Sciences et Technologies de Lille;
laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés, CNRS-INP Grenoble-Université Joseph Fournier
GéM : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique, CNRS-Université de Nantes-Ecole Centrale de Nantes
FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique, Mécanique, Thermique et Optique – Sciences et Technologies CNRS-Université de Besançon