Question d'osmose et de diffusion dans les gels

 La gastronomie moléculaire a popularisé les perles d'alginate à coeur liquide, ce que certains nomment des faux caviar, au point que  cette préparation est devenue un des signes de la "cuisine moléculaire".
En réalité, les perles d'alginate s'apparentent plus à des oeufs de saumon qu'à du caviar, en général ; et il y a aussi  les perles bien plus grosses, qui, elles, vont jusqu'à la taille d'un pamplemousse, mais avec une préférence des cuisiniers pour des objets de la taille d'un petit jaune d'oeuf.
Comment faire ces objets ? Il y a tant de recettes de perles d'alginate sur internet que je renvoie vers ces sites  (y compris les miens) ceux qui veulent en produire. Avec un conseil : la perlification "inverse" est souvent préférable, parce qu'elle conduit à des perles dont la peau reste mince, au lieu d'avoir une peau qui s'épaissit

Aujourd'hui, toutefois, on m'interroge sur des questions de conservation :

  "Le problème que j'ai est un problème d'osmose ... Mes billes se vident de leurs colorants ; j'ai testé un panel de liquides de conservation (eau sucré ou sirop de même concentration en sucre que la solution à sphérifier, la solution à sphérifier elle même ...). Le colorant de la bille se vide dans le liquide de conservation ; et les billes se vident si elles n'ont pas de liquide de conservation ... Auriez-vous un conseil à me donner ?"

Analysons calmement, en commençant par cette "osmose" qui a lieu quand deux solutions sont séparées par une membrane "semi-perméable". Imaginons un tube en U, avec, en bas au centre, une telle membrane, et, à gauche de l'eau pure, mais de l'eau sucrée à droite, par exemple. Une membrane semiperméable parfaite  ne laisserait passer que l'eau mais pas le sucre. Alors on verrait le niveau du liquide s'élever dans le compartiment avec l'eau sucrée , et le niveau du liquide baisser dans l'autre compartiment. Souvent, les étudiants apprennent que l'eau migre de la solution la moins concentrée vers la solution la plus concentrée, "afin" de diluer cette dernière. Il y a là deux erreurs : d'une part, l'eau ne veut rien, de sorte que le "afin" est un erreur téléologique ; d'autre part, l'eau migre en réalité de gauche  à droite tout aussi bien que de droite à gauche, et c'est seulement que la migration a plus lieu dans un sens que dans l'autre, qui explique les variations de niveau.
Cela, c'est pour une membrane semi-perméable parfaite, mais la peau des perles d'alginates à coeur liquide est-elle une membrane semi-perméable ? Non !
Car la peau d'une perle d'alginate, c'est une mince couche d'un gel fait d'eau piégée dans un réseau composé de molécules d'alginate pontées par des ions calcium. Il faut imaginer que l'on a comme un grand filet avec des trous, donc. Dans les trous, de l'eau, et cette eau peut être chargée de solutés, qui sont par exemple des molécules d'un colorant, ou des molécules de sucre. Pas étonnant, donc, que notre correspondant voie son sucre ou son colorant diffuser !
Evidemment son idée de stocker les perles dans un liquide de même force osmotique que les perles est bonne, parce que l'on peut ainsi éviter l'éclatement ou le ratatinement, mais on n'évite pas la diffusion dans les gels.

 Deux gelées de gélatine, avec une pincée d'un colorant bleu en poudre posée sur le centre de la partie supérieure du gel. La diffusion se fait plus ou moins rapidement selon que le gel est plus ou moins ferme, et la vitesse de diffusion est de l'ordre de un centimètre par jour.


Alors, la solution ? Ce qui est inévitable étant inévitable, autant ne pas perdre trop de temps à l'éviter. Pourquoi ne pas simplement avoir à l'extérieur des perles un liquide de même composition que l'intérieur des perles ? Il migrera dans les deux sens, de sorte que la composition des perles ne changera pas...

La technique ? Une merveilleuse activité humaine !

Certains croient que la technique est une activité mécanique, où l'être humain pourrait être remplacé par une machine, un robot...


Les idées de ce genre méritent d'être réfutées, et notamment en considérant qu'il y a souvent une composante artistique et une composante sociale dans l'acte technique.
Pour la cuisine, le soin, par exemple, est essentiel, parce que c'est une façon de se préoccuper du bonheur de ceux  que l'on nourrit. En outre, le  technicien culinaire qui ne se préoccuperait  pas de faire bon serait vite ramené dans le droit chemin, ce qui prouve,  à nouveau, que la question technique est merveilleuse : vive la technique intelligente !

 Ce matin, je reçois une question, par des élèves en classe de Première S, qui me  fournit un merveilleux  exemple à l'appui de la thèse précédente. Voici :

Au cours de nos expériences où nous utilisons seulement les matières premières ( oeuf, sucre et huile), nous avons remarqué que la sphérification avec l'oeuf et l'huile n'était pas possible. Nous avons utilisé la sphérification basique, inversée et aussi avec l'agar agar.
Nous voudrions savoir si c'est un problème de technique ou de dosage, ou si effectivement c'est impossible avec ces matières ? Alors la sphérification ne serait pas possible avec toutes sortes d'aliments ?





Analysons tout d'abord en reprenant les termes de la question

Nos jeunes amis ont voulu faire des objets avec un coeur liquide et une peau  gélifiée, en mettant au coeur du système soit de l'oeuf, soit du sucre, soit de l'huile (leur message n'est pas clair), soit un mélange des trois. L'oeuf est un liquide, de sorte qu'il faut  interpréter : ils ont voulu faire soit du  blanc d'oeuf, dans une peau gélifiée, soit du jaune dans une peau gélifiée, soit un mélange des deux. Pour le sucre, je suppose que ce n'est pas du sucre qu'ils ont voulu inclure, car le sucre n'est pas liquide. Pour l'huile, je comprends la question.

Puis nos amis nous disent que la sphérification d'oeuf ou d'huile n'est pas possible. Là, ils  vont trop  loin  : ils auraient dû seulement dire qu'ils n'ont pas réussi  !
Ils  parlent de "sphérification basique et inversée", mais ils font sans doute état de  la méthode directe et de la méthode inverse. Dans la méthode directe, on met du calcium  dans un bain d'eau, et l'on fait tomber dans ce bain des gouttes d'une  solution qui dissout de l'alginate de sodium.
Dans la  méthode inverse, on dissout l'alginate de sodium dans de l'eau (qui ne doit pas contenir de calcium, sans quoi la gélification se fait avant qu'on ait pu faire la manipulation), puis on y dépose un liquide  qui contient  du calcium.

Avec l'agar-agar, rien de tout  cela n'est possible, sauf par des méthodes différentes, telles celles que  j'avais introduites il y a  longtemps (voir http://www.pierre-gagnaire.com/#/pg/pierre_et_herve/travaux_precedents/55).

Enfin, il y a cette question : la sphérification serait-elle impossible avec toutes sortes d'aliments ? Pour laquelle je propose de répondre que, avec une voiture  dont la vitesse maximale est de 150 kilomètres à l'heure, il n'est pas possible de faire du 200 !

Puis analysons plus avant.

Soit du blanc d'oeuf (auquel on aura donné du goût, sans quoi c'est peu intéressant), que l'on veut mettre dans une coucle gélifiée. Ne suffit-il pas de faire un oeuf poché ? On a bien un coeur liquide dans une peau gélifiée, puisque c'est cela que  fait l'oeuf qui cuit : un gel.
OK, nos amis voudraient  une peau transparente. Alors la méthode inverse fonctionne très bien : en mettant du calcium dans le blanc, et en le faisant tomber dans une solution d'alginate, on obtient  ce qu'ils souhaitent... Ce  qui m'alertent, d'ailleurs, c'est la brièveté de leur  descrption : j'ai souvent vu des personnes s'étonner de ne pas obtenir la gélification de l'alginate... alors qu'ils n'utilisaient pas d'alginate, ou pas de  calcium. Il faut les deux  !

Soit maintenant du jaune, que l'on veut mettre en sphères liquide : là encore, tout  va  bien par la méthode inverse... ou en déposant un jaune d'oeuf quelques secondes dans de l'azote liquide : une coque gélifiée se forme, avec le jaune liquide au centre.

Pour le sucre, on a vu plus haut que l'on ne peut pas  obtenir un liquide avec un solide... sauf bien sur si l'on dissout le sucre dans l'eau, pour faire un sirop. Et là, rien de plus facile que de faire des perles de sirop, qui remplacement avantageusement le sucre que l'on met dans le  café. La méthode directe fonctionne très bien, tout comme la méthode inverse, d'ailleurs.

Avec l'huile, enfin ? On se souvient que, si l'on emploi  de l'alginate de sodium et des ions calcium (souvent sous forme  de lactate de calcium ou de chlorure de calcium), il faut dissoudre un des deux  partenaires dans le produit que l'on veut mettre en perles à coeur liquide, et l'autre partenaire dans le bain où on déposee le premier liquide. 
Et là, il y a effectivement un problème... car les ions calcium ne sont pas solubles dans l'huile, ni l'alginate de sodium. Pour autant, il y a de nombreuses façons de faire, comme je  l'ai indiqué dans ma rubrique "Science & gastronomie" de la revue Pour la Science (http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-de-l-huile-en-perles-31124.php).

Vient de paraître aux Editions de la Nuée Bleue : Le terroir à toutes les sauces (un traité de la jovialité sous forme de roman, agrémenté de recettes de cuisine et de réflexions sur ce bonheur que nous construit la cuisine)

Une émulsion sucrée

Ce matin, une question :

"Je vous écris au sujet d’une question concernant une émulsion H/E  (huile dans l’eau) dont la phase continue est partiellement sucrée.

Dans le cas d’une préparation contenant 70% d’huile, 30% d’eau, 10% de saccharose, et d’un tensioactif  est-ce que le l’huile va s’émulsionner avec les 30% d’eau ou  avec 20% à 25% d’eau  puisque le saccharose est reconnu pour retenir une partie de l’eau (retenir je ne sais pas si c’est le meilleur terme pour traduire le côté hygroscopique du saccharose)".

Ma réponse n'est au fond qu'une sorte de légende du schéma suivant :

Ce que j'ai d'abord représenté, c'est une émulsion de type huile (en jaune) dans eau (en bleu). En  pratique, faisons un "geoffroy", en fouettant de l'huile dans du blanc d'oeuf, par exemple : les protéines et les autres molécules sont  trop petites pour être représentées à cette échelle, où la taille des gouttes d'huile est entre 0,001 et 0,1 millimètres. 

Le schéma inférieur représente un fort grossissement du petit cercle : 

- le fond est noir, parce que, entre les molécules, il n'y a rien, du vide

- à gauche, les peignes à trois dents sont les molécules de triglycérides ; pour mieux faire, j'aurais dû les orienter dans toutes les directions, mais c'est un détail

- à droite, on voit les molécules de saccharose (en bleu) dispersées au milieu des molécules d'eau (une boule rouge avec deux boules blanches)

- je n'ai pas réprésenté les molécules de tensioactifs, mais elles seraient sur le trait jaune, sous la forme de "cheveux" (pour les protéines).

Reste à commenter  le : "le saccharose est reconnu pour retenir une partie de l'eau".  Cette phrase est à la fois discutable et peu claire.
Le "est reconnu" invite à demander  : par qui ? Et à rappeler que, en sciences, l'argument d'autorité ne joue pas. Les faits expérimentaux ont toujours raison.
D'autre part, le saccharose "retient" l'eau : que cela signifie-t-il ?
Ce qui est un fait, c'est que les molécules de saccharose sont "hérissées" (ce n'est pas représenté sur mon schéma) de groupes "hydroxyle", avec les atomes carbone du squelette liés à un atome d'oxygène lui-même lié à un atome d'hydrogène. Cela  donne au  saccharose une structure chimique très semblable à celle des molécules d'eau, au moins pour ce qui concerne les interactions avec les molécules voisines.
De ce fait, quand le sucre est dans l'air humide, il s'entoure de molécules d'eau de l'atmosphère, parce que les forces sont donc notables entre les molécules de saccharose et les molécules d'eau.
Dans de l'eau  liquide, les forces (nommées "liaisons hydrogène") permettent la solubilisation du sucre dans l'eau, à des concentrations considérables.
Finalement, on pourrait tout aussi bien dire que l'eau "retient" le sucre, ou que le sucre "retient" l'eau, mais je crois que le  mot "retient" est mal choisi. Il suffit de dire qu'il y a des liaisons entre les molécules de sucre et les molécules d'eau.

Et, finalement, je reviens à l'expérience : si vous faites un geoffroy, en fouettant de l'huile dans du blanc d'oeuf, vous pouvez ajouter autant de sucre que vous voulez jusqu'à atteindre la limite de solubilité dans la petite quantité d'eau (30 grammes pour un blanc environ) du blanc. Si l'on compte un litre de sucre par kilogramme d'eau, on voit qu'on peut facilement mettre 30 grammes de sucre pour un blanc émulsionné (soit un volume d'huile maximal de 600 grammes d'huile environ). Si l'on ajoute plus  de sucre, ce dernier restera sous la forme de cristaux non dissous. 

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Pourquoi faut-il du sucre en abondance pour faire des confitures.

Commençons par le commencement. Les confitures se sont introduites dans l'alimentation humaine, parce que l'on voulait conserver les aliments, qui, plein d'eau et de nutriments, attirent les micro-organismes. C'est pour éviter le pourrissement que nos ancêtres ont cuit des fruits avec du sucre, parce qu'ils avaient observé que ce sucre permettait d'obtenir des conserves, sucrées de surcroît : on dit même que le corps d'Alexandre le Grand fut conservé dans du miel.

Merveille : le liquide obtenu lors de la cuisson de végétaux dans du sucre solidifie au refroidissement, formant un gel, ce que la cuisine nomme une gelée lorsque le liquide a été passé et qu'il n'y a plus de morceaux.



La confiture est donc un gel, et cela vaut la peine de se demander pourquoi. Dans un billet précédent, nous avons vu que la cuisson des fruits libère dans la confiture des molécules analogues à des fils, à savoir les molécules de pectines. Quand la confiture est encore chaude, elle est liquide, parce que les molécules de pectine flottent au milieu des molécules d'eau, en compagnie de toutes les molécules qui donnent de la saveur, de la couleur, du goût. Notamment les molécules de saccharose.

Lors du refroidissement, les molécules de pectine peuvent se lier les unes aux autres pour plusieurs raisons, mais notamment parce que les « fils » ont des parties qui ne se dissolvent pas bien dans l'eau. Puisque le fil tout entier est dans l'eau, ces parties se regroupent pour former des zones où l'eau est exclue ; en quelque sorte, ces parties se protègent de l'eau. Le sucre, qui, lui, se dissout très bien dans l'eau, ne se lie pas non plus à ces parties, et quand il est en abondance, comme le prescrivent les recettes de confiture, il favorise ces associations.

Et c'est ainsi que l'on observe que les confitures peuvent gélifier quand la concentration en sucre est comprise entre 40 et 60 pour cent environ. C'est là une des conditions de la prise des confitures. Comment faire le dosage ? On aura une bonne approximation en considérant que les fruits sont faits d'eau, et que le sucre est du sucre. Autrement dit, il faut moitié d'eau et moitié de sucre, environ.







Vient de paraître aux Editions de la Nuée Bleue : Le terroir à toutes les sauces (un traité de la jovialité sous forme de roman, agrémenté de recettes de cuisine et de réflexions sur ce bonheur que nous construit la cuisine)

Le chocolat n'est pas une émulsion... mais mieux!

Ce billet devrait s'intituler "Le chocolat n'est pas une émulsion", mais on aurait eu un titre négatif, comme quand j'avais écrit que la théorie du food pairing était non scientifique.
Dépuis que j'ai rencontré des personnes qui fument des cigarettes bio (!), je sais qu'il ne sert à rien de vouloir convaincre. Et donc que les réfutations sont inutiles : occupons notre temps plus positivement.
Donc ce billet ne se limite pas à dire que le chocolat n'est pas une émulsion : il veut surtout aider à comprendre ce qu'est le chocolat.

Allons y doucement.

Le chocolat contient des matières grasses et du sucre, principalement, plus des matières végétales.
En gros, le sucre et les matières végétales solides sont dispersées dans la matière grasse.
Cette matière étant une matière grasse impure, elle est composée de molécules variées (des "triglycérides" : si vous n'êtes pas chimiste, pensez à des peignes à trois dents", de sorte que, contrairement à l'eau, elle ne se solidifie pas à une température précise (0°C pour l'eau), mais dans une gamme de températures.
Le beurre, lui, est entièrement solide à -10°C et entièrement fondu à 50°C ; entre les deux, il est fait de gouttes de graisse liquide dispersées dans une matrice faite de graisse solide. Pour le chocolat, les températures sont différentes, bien plus resserrées autour de 34-37°C ("le chocolat fond dans la bouche, pas dans la main"), mais il reste que, dans du chocolat à la température ambiante (vers 20°C), il y a de la matière grasse liquide dispersée dans la matière grasse solide.

Notons S1 la matière grasse solide, O les gouttes de matière grasse liquide (O pour oil, huile en anglais), S2 le sucre, S3 la matière végétale solide, et / la dispersion aléatoire.

Avec ce formalisme, le chocolat aurait la formule (S2+S3+O)/S1.

C'est bien différent de la formule des émulsions, O/W quand du gras liquide est dispersé dans une solution aqueuse, ou W/O, quand une solution aqueuse est dispersée dans de la matière grasse liquide.
Ce n'est pas non plus une suspension liquide, S/W, ni une suspension solide S1/S2.

Donc, non, le chocolat n'est pas une émulsion ; ce n'est pas une suspension. C'est un système plus intéressant, parce qu'un peu plus complexe.

Et puis c'est bon (quand on aime)...


Vive la gourmandise éclairée