Le rôle de la science dans la cuisine moléculaire

A. La gélification

En 1920, Hermann Staudinger, physico-chimiste, démontre, la réelle existence de macromolécules. Il s’agit de grosse molécule formée d'un assemblage de plusieurs petites molécules, reproduite un très grand nombre de fois par polymérisation. On comprit alors comment les gels se forment.

La gélification est une technique utilisée depuis très longtemps dans la cuisine mais elle a connue des évolutions. Cette méthode permet de donner à un aliment une capacité d'élasticité étonnante.

Le principe de la gélification est de déstructurer un aliment ou une préparation en extrayant sa partie liquide et en la présentant sous forme de gel en barre, en cube ou en cylindre. Les gels obtenus peuvent être réchauffés jusqu’à 75°C.

La gélification est une réaction qui se déroule dans nos plats au quotidien.  Par exemple, la gélification a lieu lors de la confection d’une confiture ou bien lors de la cuisson d’un os. Dans ce cas là ce sont des molécules de collagène qui permettent, d’expliquer ce genre de réaction. Mais cette transformation peut également se faire via l’ajout de différents additifs c’est dans ces cas là que gélification et cuisine moléculaire vont de pair.

Explication technique : 

Le passage pour un liquide à l’état gel constitue le principe même de la gélification. Un gel étant un liquide emprisonné dans un réseau. Ce réseau peut être composé de protéines (ex : gélatine, protéines de l'œuf) ou de polysaccharides (agar-agar, carraghénane). C’est le gélifiant qui permet le passage d'une structure liquide à une structure gel par la formation d'un réseau. 

Certains aliments, peuvent former un gel lorsqu’ils sont mis en solution.

Pour former un gel, il faut que le polymère soit bien « solubilisé en solution ». (Pour être soluble un polymère doit posséder le plus de ramification possible, plus celui-ci sera ramifié, plus il sera soluble).

La découverte de zones hydrophiles et hydrophobes des chaînes polymères va alors induire l'association des chaînes entre elles. Des zones de jonctions entre les macromolécules sont alors créées. Leurs solidités dues aux forces de liaison entre les macromolécules détermine les caractéristiques du gel (rigidité, réversibilité).

Le mécanisme de gélification est très souvent favorisé par la présence de cations en solution qui interagissent avec les zones hydrophiles des chaînes et forment des jonctions ioniques fortes.

Les mécanismes de gélification

Les gels ont différentes formes selon le gélifiant (additif) utilisé, certaines algues peuvent gélifier au moment de la cuisson, d’autre après refroidissement. Le moment de gélification dépend de la structure de l'additif  ou du composé  naturel utilisé.  Il existe 5 formes de gélification, la gélification par l’intermédiaire d’hélices, la gélification par entassement de chaînes, le gel cassant, le gel fondant et le gel élastique.


La gélification par l’intermédiaire d’hélices

Les chaînes polymériques s’associent entre elles en formant une double hélice piégeant ainsi l’eau au cœur de cet enchevêtrement.

C’est le cas de la gélification des carraghénanes (extrait d’algues rouges) qui est favorisée par la présence de cation K+.

 

Gel élastique

Un gel de carraghénane (gélifiant extrait d'algues rouges également), transparent, est un gel dit élastique.

Les molécules des carraghénanes sont très longues et chargées négativement. Elles se repoussent donc et les molécules cherchent à être le plus étendues possibles pour être à la plus grande distance possible. Fortement allongées, les molécules de carraghénane empêchent le déplacement de l'eau. De plus, après être réchauffées, lors du refroidissement, les carraghénanes vont instinctivement se rapprocher, créant des zones de jonctions entre elles. C'est alors que se forme progressivement le gel.

 

La gélification par entassement de chaînes

Les chaînes polymériques s’associent entre elles en formant des rubans plissés qui s’entassent. Les alginates illustrent bien ce type de gélification. Au début, les alginates sont des chaînes éparpillées, en forme de pelotes. Dès l'apport d’ions Ca2+ la gélification débute : les ions Ca2+ s'incorporent dans les chaînes de la molécule d'alginate et soudent les molécules. Ces chaînes vont peu à peu s'entasser formant ainsi le gel (c'est la gélification par entassement de chaînes, aussi appelée gélification par "boîte à oeufs").


Gel cassant

Un gel formé d'agar agar (gélifiant extrait d'algues rouges), légèrement opaque, est un gel dit cassant.

Pour se gélifier, l'agar agar doit prendre en compte deux critères : il doit être au contact de l'eau et de la chaleur. En effet pour aboutir à la formation d’un gel d’agar-agar un réel jeu de température est nécessaire : tout d’abord, une température élevée (90°C) est requis pour permettre à l’agar-agar de se dissoudre dans l’eau. Ensuite une température basse (40°C) est nécessaire pour que la solution prenne la consistance d’un gel. 

L’agar-agar est un hydrocolloïde, c’est à dire une substance qui se transforme en gel au contact de l’eau. Il est composé de deux polysaccharides (macromolécule formée par enchaînement de sucres élémentaires) qui malgré une structure de base identique, diffèrent :

Agarose

Agaropectine

pauvre en radicaux hydrophiles OSO3-

riche en radicaux hydrophiles OSO3-

riche en radicaux hydrophobes CH2-O

pauvre en radicaux hydrophobes CH2-O

 

 

C’est grâce à l’agarose que l’agar-agar peut se gélifier. En effet, ce polyose possède beaucoup de radicaux hydrophobes CH2-O et peut de radicaux hydrophiles OSO3-. Il a un point de fusion de 88°C et, incorporé dans une solution portée à ébullition (90°C-100°C), il permet, après refroidissement d’obtenir un gel.

Les radicaux hydrophiles et hydrophobes sont répartis de part et d’autre sur les polymères (molécule constituée d'une chaîne de molécules semblables (les monomères)) d’Agar-Agar. Afin d’isoler leurs radicaux hydrophobes, les polymères se placent parallèlement entre eux (de façon à ce que les radicaux hydrophobes soient tournés vers l’intérieur et les radicaux hydrophiles vers l’extérieur).

Cette interaction se déroule lorsque la solution est chauffée, (température d’au moins 90°C).

Schéma de la situation lors de l’ébullition.

Il faut savoir que le gel est formé une fois la température de la solution inférieure de 40°C. Lors de ce refroidissement, on assiste au rapprochement des polymères. Des jonctions d’hydrogènes sont créées.

Schéma du rapprochement des polymères.

Ces jonctions deviennent de plus en plus nombreuses au cours de la baisse de température. Elles permettent alors la formation d’un réseau tridimensionnel (enroulement des polymères les uns aux autres) capable d’emprisonner le liquide. Le gel est alors formé. La gélification est réussie.

 

Gel fondant

Un gel formé de gélatine (protéine extraite de la viande ou du poisson) est un gel dit fondant.

La gélatine est une protéine extraite de la viande ou du poisson (le collagène). Elle est  donc formée d'une chaine d’acides aminés. Parmi ceux-ci la proline et l’hydroxyproline imposent à la protéine une forme particulière. Ses acides aminés réagissent en formant des liaisons hydrogènes avec les molécules d’eau. Elles s’associent en fibres en se liant par leurs extrémités.

Ci-dessus : Schéma de l’association de trois molécules de collagène. la proline et l'hydroxyproline

Cette protéine a des propriétés gélifiantes et c’est par la formation de réseaux entre les protéines de gélatine (ou collagène) que le passage d’une structure liquide, à une structure gel est possible, La gélatine se dissout dans des préparations chaudes (températures supérieures à 50°C), et gélifie à des températures d'environ 10°C. Si le gel est réchauffé à plus de 37°C, il fond.

Si, lors de la formation du gel de gélatine, on incorpore de l'air dans la préparation, les bulles d'air sont stabilisées (la gélatine se place entre l'eau et les bulles d'air) et la préparation va gélifier en refroidissant. Le gel formé bloque les bulles d'air à l'intérieur du réseau. On obtient ainsi une mousse gélifiée.

Réversibilité des gels

Le gel se forme car les forces de liaisons créant des zones de jonction entre les chaînes  sont supérieures aux forces d'agitation thermique ou mécanique.
Le gel peut donc être détruit si les forces d'agitation thermique ou mécanique sont supérieures aux forces de liaisons créées dans le gel.
 Selon la nature du gélifiant et sa capacité à former un gel, sa réversibilité va être différente.     Il existent 3 types de gels :

Les gels thermoréversibles : ils peuvent fondre à une température élevée et retrouver leurs     caractéristiques initiales après refroidissement, et cela autant de fois que l'on veut sans abîmer ou détruire le gel.

Les gels thermo-irréversibles ou thermostables : ils résistent à de forts traitements thermiques. C'est le cas du gel formé par les alginates; il est donc utilisé dans des produits restructurés (boulettes de viandes, fruits,...) qui subissent des pasteurisations ou stérilisations.

Les gels réversibles mécaniquement (dit thixotropes) : ils peuvent subir des actions mécaniques (agitation, cisaillement) et ainsi devenir liquides. Une fois que cette action mécanique n'est plus exercée. Ces gels ont la particularité de retrouver leur état initial. On utilise ce type de gel dans des desserts type « liégeois ». Ils passent donc de l'état solide à l'état liquide en fonction de l'action mécanique.

- au repos : restructuration du gel jusqu’à devenir solide

- sous une contrainte : déstructuration du gel atteignant l'état liquide


B. La sphérification

 

La sphérification est un technique utilisée en cuisine moléculaire qui a été inventée en 2003 par le célèbre chef du restaurent El Bulli, Ferran Adrià. Elle consiste en une gélification d’un aliment liquide plongé dans un bain. Il existe deux sortes de sphérification : la sphérification basique et la sphérification inverse. Ces deux techniques permettent d’obtenir des sphères de différentes tailles (appelées caviar, bille, œufs, gnocchis, raviolis…) au cœur plus ou moins liquide.
Pour cette technique, on utilise différents additifs, l’alginate de sodium et les sels de calcium.


1)    La sphérification basique :

L’alginate de sodium a la propriété de former un gel lorsqu’il est mis en contact avec du calcium (voir additifs). Pour obtenir des sphères il suffit de dissoudre dans le liquide à sphérifier de l’alginate de sodium. A l’aide d’une pipette ou d’une seringue, on fait tomber des gouttes de cette préparation dans un bain contenant du calcium.  Une pellicule gélifiée se forme alors instantanément à la surface des gouttes et s'épaissit vers l'intérieur.
On obtient une sphère au cœur liquide, instable dans le temps. En effet, le calcium progresse vers l'intérieur, la sphère gélifiera donc complètement à long terme.


2)    La sphérification inverse :

Comme son nom l’indique, la sphérification inverse est l’opposé de la sphérification basique. En fait, la réaction chimique est la même, il n’y a que le protocole expérimental et le résultat à long terme qui changent.

En effet, dans le cas de la sphérification inverse, on utilise une préparation liquide contenant naturellement du calcium (produits laitiers, crème…) ou dans laquelle on dissout des sels de calcium, que l’on plonge dans un bain d’alginate de sodium.

Au niveau chimique, il se  produit la même réaction : un gel se forme instantanément à la surface de la préparation et emprisonne le cœur  liquide. Cependant, le gel s’épaissit vers l’extérieur, c’est ce qui différencie la sphérification inverse de la sphérification basique.  Ainsi, le cœur reste très liquide.

 

3)    Au niveau chimique :

Comment le gel se forme-t-il ?

Les molécules d’alginate de sodium sont constituées de longs brins qui ont la propriété de s’associer avec le calcium. Ces brins sont en fait des longues chaînes composées de groupement carboxyles COO- et de l'ion Na+ ce qui la rend électriquement neutre.
Lorsque l’on plonge la préparation à sphérifier dans le bain, les ions Ca2+ du chlorure de calcium se dirigent vers les ions sodium Na+ de l’alginate de sodium puis prennent leur place.
Les ions Ca2+ réagissent avec deux groupements carboxyles COO- et lient alors deux chaînes d’alginates entres elles et ainsi de suite, on parle alors de polymérisation.
En se liant, les brins d’alginate forment un gel : le liquide contenant l'alginate devient épais, il durcit et c'est ainsi que se forme une peau souple à la surface des sphères qui emprisonne le reste du liquide. Cette réaction est appelée réaction de réticulation, elle est irréversible.


4)    Au niveau physique :

Pourquoi obtient-on des sphères ?

Lorsque l’on fait tomber le liquide à sphérifier dans le bain, on obtient des sphères. En effet, la forme sphérique est celle qui demande le moins d’énergie.

Différentes forces s’exercent également sur la goutte, ce qui explique la forme sphérique :

Son poids qui l’attire vers le bas.

La force de friction de l’air sur la surface de la goutte, également appelée force de frottement.

- La tension superficielle qui oblige la goutte à minimiser le plus possible l’aire de l’interface entre l’air et l’eau. Or l’aire minimale pour n’importe quel volume est une sphère.

Définition : « La tension superficielle est une force qui existe au niveau de toute interface entre deux milieux différents (entre un solide ou un liquide et un gaz). C'est donc cette force, la tension superficielle, qui permet à la goutte d'eau de ne pas s'étaler sur une feuille, ou à certains insectes de marcher sur l'eau, ou bien encore qui permet cette forme bombée de l'eau dans un verre à ras bord. »

C’est pourquoi les gouttes obtenues sont sphériques.

La technique de sphérification exploite donc des phénomènes physiques et des réactions chimiques pour une application en cuisine.


C. La cryogénisation


Afin de définir la cryogénisation ou cryogénie alimentaire, il faut tout d’abord expliquer ce qu’est la cryogénie. C’est la production de très faibles températures (inférieures à -150°C soit 120 K) dans le but d’étudier les phénomènes chimiques et physiques qui se produisent au sein des molécules.

La cryogénie alimentaire consiste à conserver les aliments grâce à une surgélation très rapide. Elle est utilisée à de nombreuses reprises dans la cuisine moléculaire, comme pour faire des sorbets, des crèmes glacées, des meringues ou bien même des cocktails alcoolisées.

Le refroidissement en alimentation

La structure cellulaire d’une grande partie des produits alimentaires se compose d’eau à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule. Pendant le processus de cryogénisation alimentaire, on doit préserver les substances gustatives et empêcher la déshydratation au maximum.

Son fonctionnement est le suivant : l'aliment est plongé dans de l'azote liquide. L’énergie contenue dans les molécules de l’aliment passe dans l’azote liquide. L’aliment se refroidit très rapidement car les mouvements et les transformations de ses molécules sont stoppés par ce froid. En effet plus l'on diminue la température plus l'on ralentit les molécules. Si on réchauffe l’aliment, la chaleur va faire s’évaporer l’azote liquide et les molécules de l’aliment pourront à nouveau se remettre en mouvement. Les molécules de l’aliment réchauffé retrouveront la même place qu’avant la congélation de l’aliment.

Ci-dessous, un tableau comparatif du refroidissement traditionnel et de celui à l’azote liquide.

Refroidissement traditionnel

Refroidissement à l’azote liquide

Vitesse normale.

10x plus rapide.

Déshydratation de surface perte d’arôme et de goût.

Minimum de modification sur le plan microbiologique et physique.

Gros cristaux formés lors du refroidissement qui peuvent briser les cellules.

Cristaux plus petits, restant à l’intérieur des cellules et n’abimant pas la paroi de la cellule.

 

 

 

 

 

D. Les mousses


La cuisine moléculaire utilise également un autre type de procédé : les mousses qui consistent en un mélange d’un liquide et d’un gaz, à ne pas confondre avec l’émulsion qui elle met en scène deux liquides. Il existe deux sortes de mousses : les mousses liquides et les mousses solides.

 

Les mousses liquides

Pour obtenir une mousse, il faut introduire des bulles d’air dans un mélange liquide composé d’eau et de protéines. On appelle aussi cette opération un foisonnement.

En cuisine moléculaire, on utilise principalement ce procédé lorsqu’on monte des blancs en neige.

Cas des blancs d’œuf montés en neige :

Les blancs d’œufs sont composés à 90% d’eau et 10% de protéines, dont l’ovalbumine. Cette dernière est une molécule tensioactive, c’est-à-dire qu’elle modifie la tension superficielle entre deux surfaces, ici l’air et l’eau, et est présente sous la forme d’une pelote (comme ci-dessous). Elle contient également une partie hydrophobe et une autre partie hydrophile.

Les pelotes de protéines sont repliées sur elles-mêmes mais lorsque les blancs sont battus elles s’accrochent les unes aux autres et forment alors ce qu’on appelle un film à la surface des bulles d’air générées par le battage. Les bulles d’air sont ainsi emprisonnées dans l’eau.

 

En regardant les blancs en neige à la loupe binoculaire, on peut observer une grande quantité de bulles d’air attachées entre elles (comme ci-dessous).

Si l’on veut augmenter le volume de blanc en neige tout en faisant des économies d’œufs, on peut simplement rajouter de l’eau au mélange. L’eau est donc un facteur limitant.


Les mousses solides

Les mousses solides se forment de la même manière que les mousses liquides. Elles utilisent la même opération sauf que les bulles de gaz sont dispersées dans un solide. L’exemple le plus utilisé de mousses solides est la meringue, obtenue par évaporation de l’eau d’une mousse liquide (blancs en neige avec du sucre).

 

 

 

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