La gélification

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I) Présentation

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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.  

 

II) 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.


1) 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+.


2) 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. 


3) 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 œufs").

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Schéma du principe de gélification par entassement de chaines

 

4) 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.  

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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 chauffé, (température d'au moins 90°C).

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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.

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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.

 

5) 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. 

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.


6) 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 existe 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


III) 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.

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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 déterminent 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.

 

=> La technique de gélification exploite donc principalement des réactions chimiques pour une application culinaire

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