Analyse Physico Chimie

Ecole Nationale des Sciences Appliquées d’Agadir

Filière Génie des Procédés, Energie et Environnement Première Année

ANALYSES PHYSICOCHIMIQUES I Analyses des denrées alimentaires I

NOTES THÉORIQUES

Dr. RACHID SALGHI : Professeur Habilité à l’Ecole Nationale des Sciences Appliquées d’Agadir

Cours d’analyses physico-chimique des denrées alimentaires, GPEE, 1

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année. Préparé par Pr. R. SALGHI, ENSA Agadir.

TABLE DES MATIÈRES Introduction Chapitre 1: Méthodes de préparation et de prélèvement des échantillons 1. 2.

Principes généraux pour la préparation des échantillons Principes généraux pour le prélèvement d’aliquotes Chapitre 2: Méthodes d’analyses physicochimiques

1.

Méthodes de dosage de l’eau et des solides totaux 1.1. Méthode thermogravimétrique 1.2. Méthode thermovolumétrique

2.

Méthode de dosage des cendres 2.1. Cendres totales 2.2. Cendres solubles et insolubles dans l’eau

3.

Méthode de dosage des protéines

4.

Méthodes de dosage des lipides 4.1. Méthode Soxhlet 4.2. Méthode Goldfisch 4.3. Méthode Babcock 4.4. Méthode Mojonnier

5.

Méthodes de dosage des glucides 5.1. Méthode Lane-Eynon 5.2. Méthode Munson-Walker

6.

Méthodes de dosage des acides organiques 6.1. Acidité totale titrable 6.2. Acidité volatile Chapitre 3: Analyse des résultats

1. 2.

Recherche de la valeur attendue Précision et exactitude des résultats

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Introduction Les constituants chimiques, présents dans les aliments ou dans les matières premières utilisées pour leur fabrication, sont très diversifiés et se retrouvent en concentrations variables selon les aliments. Les principaux constituants alimentaires sont: - l’eau - les protéines - les lipides - les glucides - les minéraux Dans les laboratoires d’industries alimentaires, il est parfois nécessaire, pour diverses raisons, de faire l’analyse de certains de ces constituants alimentaires. Dans le cadre de ce cours, nous nous limiterons aux analyses physicochimiques considérées comme les analyses de base, soient: - la teneur en eau - la teneur en solides totaux - la teneur en protéines - la teneur en lipides - la teneur en glucides - la teneur en cendres - l’acidité totale titrable - l’acidité volatile

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Chapitre 1 Méthodes de préparation et de prélèvement des échantillons

La préparation de l’échantillon et le prélèvement de la portion servant à l’analyse sont les deux premières étapes d’une analyse physico-chimique. Ces étapes sont importantes pour la réussite d’une analyse, car l’exactitude du résultat en dépend. Les techniques qui seront utilisées lors de ces étapes devront permettre de respecter le principe suivant:

L’aliquote prélevé pour l’analyse doit être le plus représentatif possible du lot

CHAÎNE DE PRÉLÈVEMENT

LOT

ÉCHANTILLON

SOUS-ÉCHANTILLON

ALIQUOTE

(analyse physico-chimique)

Lot:

ensemble d’une production alimentaire ou d’une matière première.

Échantillon: portion du lot prélevée au hasard ou selon des méthodes statistiques. Sous-échantillon: portion de l’échantillon prélevée qui servira à la prise de l’aliquote.

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Aliquote:

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appelé parfois la prise d’essai, c’est la portion de l’échantillon ou du souséchantillon utilisée pour une analyse physico-chimique.

1. Principes généraux pour la préparation des échantillons 1) Enlèvement des matières étrangères et des parties non comestibles - Lavage des fruits et légumes (sable, terre) - Enlèvement des os (viandes) - Enlèvement de la partie habituellement non consommée (fromage à pâte molle) 2) Homogénéisation Aliments liquides - Brassage par inversion, rotation ou transfert d’un récipient à un autre - Brassage énergique pour émulsification (vinaigrette) - Enlèvement des gaz (les boissons gazeuses) - Décongélation complète d’un échantillon avant le prélèvement de l’aliquote Aliments solides - Découpage adéquat de l’échantillon (viande,) - Broyage approprié (hache-viande, moulin à farine, malaxeur, appareil Stomaker, mortier, bêcher et spatule, râpe, etc ...) 3) Prévention des altérations de l’échantillon

- altération physique ou chimique due à l’action de la chaleur - séparation de la matière grasse (lait cru) - caramélisation (aliments sucrés) - altération chimique au contact avec l’air ambiant - oxydation par l’action de O2 (rancissement) - modification de la concentration des constituants - absorption d’humidité par les aliments hygroscopiques - évaporation d’eau ou des constituants volatils d’un aliment N.B.

Un gain ou une perte d’eau modifie la concentration de tous les constituants d’un échantillon alimentaire.

4) Conservation des échantillons - réfrigération ou congélation selon la nature de l’échantillon et le délai d’analyse 5

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- utilisation de contenants hermétiquement fermés - utilisation de préservatifs inhibant la croissance microbienne - Ex: pastilles de bichromate de potassium K2Cr2O7 pour les laits crus Exemples de préparation d’échantillons tirés du AOAC 1) Produits laitiers (Dairy products) Laits Pour les laits homogénéisés, amener la température à 20oC, mélanger par inversion ou par transvidage entre deux contenants et prélever immédiatement l’aliquote. Pour les laits crus, chauffer l’échantillon à 38oC, mélanger par inversion ou par transvidage entre deux contenants, ramener la température à 20oC, mélanger de nouveau et prélever immédiatement l’aliquote.

Beurre et margarine Chauffer l’échantillon dans un bain d’eau à une température ne dépassant pas 39oC et en brassant périodiquement. La consistance optimale est obtenue quand l’émulsion est intacte mais fluide. Brasser de nouveau à la température de la pièce avant de prélever l’aliquote. Crème glacée Déposer la crème glacée dans un malaxeur Waring Blender, fermer hermétiquement et laisser l’échantillon ramollir. Broyer 2 minutes pour la crème glacée sans fruits et environ 5 minutes pour celle avec fruits. Transvider tout l’échantillon liquide dans un contenant et fermer hermétiquement. Bien mélanger par inversion avant de prélever l’aliquote.

2) Produits végétaux (Processed vegetable products) Produits végétaux en conserve Déposer tout le contenu de la boîte de conserve dans un malaxeur Waring Blender et broyer jusqu’à l’obtention d’une pâte homogène. Transvider tout l’échantillon dans un contenant et fermer hermétiquement. Bien mélanger avant de prélever l’aliquote.

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3) Boissons gazeuses Enlever le CO2 par brassage dans un grand erlenmeyer. Brasser lentement au début puis vigoureusement pour expulser tout le gaz. Si nécessaire, filtrer dégazée pour enlever les matières en suspension. Prélever l’aliquote. 4) Aliments à base de céréales (Cereal foods) Pain Peser le pain frais. Couper en tranches de 2 à 3 cm d’épaisseur et laisser sécher sur un papier dans une chambre tiède pendant 15 à 20 heures. Peser les tranches séchées. Broyer les tranches de pain pour obtenir des particules qui traversent un tamis de 20 mesh. Conserver les particules dans un récipient fermé hermétiquement. Bien mélanger avant de prélever l’aliquote. 5) Sucres et produits sucrés (Sugars and sugar products) Miel Si l’échantillon est liquide, bien mélanger avant de prélever l’aliquote. Si l’échantillon est solide ou liquide avec début de cristallisation, chauffer dans un bainmarie à 60oC pendant 30 minutes, puis à 65oC pour liquéfier complètement le miel. Bien mélanger avant de prélever l’aliquote. Sirop d’érable Si le sirop contient des cristaux de sucre, chauffer à 50oC pour les dissoudre. Si le sirop contient des matières en suspension, centrifuger à 1000-3000 rpm pendant 20 minutes avant de prélever l’aliquote.

6) Produits carnés (Meat and meat products) Viande fraîche Séparer les os de la viande. Hacher trois fois la viande avec un hachoir ayant des ouvertures de 3 mm en mélangeant la viande entre chaque hachage. Prélever l’aliquote.

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7) Produits marins (Fish and other marine products) Poissons en conserve Déposer tout le contenu de la boîte de conserve dans un malaxeur Waring Blender. Broyer jusqu’à l’obtention d’une pâte homogène. Prélever l’aliquote. 2. Principes généraux pour le prélèvement d’aliquotes - s’assurer que l’échantillon est le plus homogène possible juste avant le prélèvement. - pour le prélèvement d’un volume exact d’échantillon (résultat en % P/V): - tenir compte de la température, car la masse volumique d’un liquide varie en fonction de celle-ci. Le prélèvement s’effectue normalement à la température ambiante (20oC). - utiliser les instruments les plus précis (pipettes) - pour le prélèvement d’une masse d’échantillon (résultat en % P/P): - procéder le plus rapidement possible pour la pesée d’un échantillon (solide ou liquide) qui perd facilement son humidité.

Prélèvement par pesée directe de l’aliquote Le récipient dans lequel doit être déposé l’aliquote pour effectuer l’analyse est placé sur la balance et l’aliquote est pesé directement dans le récipient. Exemple:

Placer un plat d’aluminium sur la balance analytique et noter sa masse. Tarer le plat puis ajouter rapidement environ 2 ml de lait. Noter la masse de l’échantillon aussitôt que la balance affiche g.

Prélèvement par pesée indirecte de l’aliquote Le récipient dans lequel doit être déposé l’aliquote pour effectuer l’analyse n’est pas placé sur la balance, pour des raisons diverses (poids trop élevé du récipient, récipient trop volumineux, échantillon perdant rapidement son eau, impossibilité de transférer adéquatement l’aliquote directement dans le récipient, etc). On place plutôt l’instrument servant à prélever l’aliquote sur la balance et on procède généralement par différence de poids. Exemple: Placer sur la balance analytique un support métallique et une pipette remplie d’environ 10 ml de lait. Noter la masse. Retirer la pipette et verser le lait dans un tube . Replacer la pipette sur le support et noter de nouveau la masse. 8

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Instruments de prélèvement: - pipette - seringue jetable en plastique - compte-gouttes jetable - nacelle jetable, bêcher - cuillère graduée, - pincette en métal - spatule - papier-filtre - etc ... En conclusion, la technique utilisée pour le prélèvement de l’aliquote dépend de plusieurs facteurs: - la nature de l’échantillon - ses caractéristiques physiques (viscosité, produit hygroscopique, etc) - le récipient dans lequel il sera placé - la suite du protocole expérimental - etc ...

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Chapitre 2 Méthodes d’analyses physico-chimiques

La recherche d’une méthode d’analyse physico-chimique se fait normalement en consultant les manuels d’analyse publiés périodiquement par des organismes internationaux, dont les principaux sont: - l’AOAC: Association of Official Analytical Chemists Cet organisme publie à tous les 4 ou 5 ans une version révisée du manuel Official Methods of Analysis. Ce manuel contient plusieurs milliers de méthodes d’analyses physicochimiques applicables au domaine alimentaire.

- la FIL: Fédération Internationale de Laiterie Cet organisme publie des méthodes, appelées normes, pour l’analyse des produits laitiers. On retrouve deux types de méthodes d’analyse, les méthodes officielles et les méthodes de référence. Méthode officielle Une méthode officielle est une méthode analytique acceptée et recommandée par les organismes internationaux qui en ont évalué les caractéristiques de performance (précision, exactitude, etc ...) par des études collaboratives impliquant plusieurs laboratoires à travers le monde.

Méthode de référence Une méthode de référence est une méthode officielle reconnue par les organismes internationaux comme étant la méthode qui donne le résultat le plus exact, c’est-à-dire le plus près de la valeur réelle de la concentration d’un constituant sous analyse. La méthode de référence donne habituellement les résultats les plus précis, par comparaison avec les autres méthodes d’analyse du constituant.

1. Méthodes de dosage de l’eau et des solides totaux Les solides totaux sont définis comme étant le résidu d’un aliment restant après élimination de l’eau, dans des conditions expérimentales données. À l’exception des aliments contenant des constituants volatils (alcool, huile essentielle, etc ...), la somme 10

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de la teneur en eau et en solides totaux représente la totalité de l’aliment. On rapporte la teneur en eau ou en solides totaux selon le type d’aliment ou les normes de composition s’appliquant à l’aliment sous analyse. % H2O + % S.T. = 100% Exemples:

- crème glacée: - fromage - céréales ou légumineuses en grain:

Presque tous les aliments contiennent deux types d’eau: l’eau libre, facilement évaporable, et l’eau liée par des ponts hydrogène aux macromolécules, tels les polysaccharides et les protéines. Cette eau est beaucoup plus difficile à évaporer et son élimination par la chaleur dépend des conditions expérimentales utilisées.

1.1. Méthode thermogravimétrique La méthode thermogravimétrique est la méthode de référence pour la détermination de l’eau ou des solides totaux dans les aliments. L’analyse nécessite l’emploi d’une étuve ventilée ou d’un four à vide, ainsi que d’un dessicateur contenant un agent desséchant. Principe de la méthode On pèse l’échantillon. On élimine l’eau par chauffage dans des conditions prédéterminées jusqu’à ce que la masse de l’échantillon demeure constante. On pèse l’échan-tillon sec, c’est-à-dire les solides totaux.

% S.T. = Masse (S.T.) x 100 = Masse (échantillon) % H2O = 100 - % S.T Conditions de chauffage et de pression: - à 100-105oC (étuve ventilée) ou à 70-75oC (four à vide) - pression atmosphérique (étuve ventilée) ou pression réduite (four à vide) Méthode avec la balance avec lampe à infrarouge Cette méthode est une version rapide de la méthode conventionnelle. L’échantillon pesé est chauffé à l’aide d’une lampe à rayons infrarouge pendant un temps déterminé. La balance calcule la perte de poids de l’échantillon par rapport au temps. La balance

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doit être calibrée de façon à ce que le résultat obtenu corresponde à celui obtenu avec la méthode de référence. Les variables ajustables sont: -

masse d’échantillon déposée sur la balance intensité lumineuse de la lampe (l’échantillon ne doit pas brûler) temps de chauffage

Méthode avec le four à micro-ondes Cette méthode utilise le même principe que la méthode précédente. L’élimination de l’eau se fait à l’aide de micro-onde.

Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats 1. Échantillon contenant de la matière organique volatile. L’analyse d’un aliment contenant des huiles volatiles, des acides volatils, de l’éthanol ou toute matière organique susceptible de s’évaporer en même temps que l’eau dans les conditions de l’analyse donnera des résultats inexacts pour la teneur en eau. % H2O obtenu plus élevé ou moins élevé que le résultat attendu? 2. Échantillon formant un gel à la chaleur. L’analyse d’un aliment contenant des composés formant un gel à la surface pendant le chauffage donnera des résultats imprécis (non reproductibles) et inexacts. Pourquoi? % H2O obtenu plus élevé ou moins élevé que le résultat attendu? 3. Échantillon riche en sucres. L’analyse d’un aliment à haute teneur en sucres peut subir, pendant le chauffage, une décomposition pyrolytique des sucres conduisant à la formation d’eau. On obtient des résultats inexacts. % H2O obtenu plus élevé ou moins élevé que le résultat attendu? 4. Échantillon séché hygroscopique. Un échantillon, une fois séché, peut réadsorber l’humidité de l’air pendant les manipulations. Les résultats sont imprécis et inexacts. % H2O obtenu plus élevé ou moins élevé que le résultat attendu? 5. Autres sources d’erreurs affectant la précision ou l’exactitude.

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a) dépôt de la graisse des doigts sur le plat avant la pesée. b) plat non conditionné. c) perte d’eau par évaporation pendant la pesée de l’échantillon. d) quantité et répartition de l’échantillon dans le plat. e) nombre trop élevé d’échantillons placés dans le four. f) intensité lumineuse et temps de chauffage non calibrés (balance à rayons infrarouge 1.2. Méthode thermovolumétrique Cette méthode est utilisée pour la détermination de l’humidité dans les aliments à faible teneur en eau (graines, moulées, épices, etc). La méthode mesure directement la quantité d’eau éliminée de l’aliment. Principe de la méthode On pèse l’échantillon. On élimine l’eau par distillation avec un solvant immiscible avec l’eau qui forme un mélange azéotropique avec l’eau. L’eau éliminée de l’échantillon est piégée dans un tube collecteur gradué. Lorsque toute l’eau est distillée, on mesure le volume d’eau recueilli dans le tube collecteur gradué (voir montage à la page suivante). - on utilise un solvant immiscible avec l’eau et moins dense que l’eau, tel le benzène, le toluène ou le xylène. Par exemple, le toluène (P.E. 110oC) forme à la distillation un azéotrope avec l’eau ayant un point d’ébullition de 85oC. - pour les calculs, on considère que la masse volumique de l’eau est de 1 g/ml à la température ambiante.

% H2O = V(eau) x 100 M(échantillon)

=

M (eau) x 100 M(échantillon)

Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats - état de l’échantillon: légumineuses entières - temps de la distillation pour une extraction complète de l’eau. - formation d’émulsion à l’interface de l’eau et du solvant, conduisant à une lecture imprécise du volume d’eau. - gouttes d’eau accrochées à la paroi du réfrigérant et du tube collecteur. - volume d’eau recueilli: devrait se situer entre 2 et 5 ml. - incertitude sur le volume: ± 0,1ml

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MONTAGE POUR DISTILLATION AU TOLUÈNE

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2. Méthode de dosage des cendres 2.1. Cendres totales Les cendres totales sont le résidu de composés minéraux qui reste après l’incinération d’un échantillon contenant des substances organiques d’origine animale, végétale ou synthétique. Les cendres représentent environ 1 à 5% de la masse d’un aliment sur une base humide, comme le montre le tableau ci-dessous. TENEUR EN CENDRES DE QUELQUES ALIMENTS Aliment

Pain Lait Saumon Pomme Bacon Boeuf frais Poulet cru Asperge Cresson Épinard

% cendres (base humide) 1,7-2,6 0,7 1,0 0,3 2,7-6,2 0,8-1,0 1,0-1,2 0,7 1,1-1,9 1,5

% cendres (base sèche) 2,6-4,7 5,4 2,7 1,9 3,2-14,1 1,9-3,2 3,0-4,7 10,0 14,9-17,2 20,6

Principe de la méthode On pèse l’échantillon. On le sèche puis on le pèse de nouveau si la teneur en cendres doit être déclarée sur une base sèche. On incinère l’échantillon à haute température, puis on pèse le résidu, c’est-à-dire les minéraux. Le % de cendres totales est calculé sur une base humide, mais le plus souvent sur une base sèche pour plus de reproductibilité dans les résultats.

% cendres totales = M(cendres) x 100 (base humide) M(éch. humide) % cendres totales = M(cendres) x 100 (base sèche) M(éch. sec)

2.2. Cendres solubles et insolubles dans l’eau Les cendres solubles et insolubles dans l’eau peuvent être utiles dans certains aliments. Par exemple, elles servent à évaluer le contenu en fruits des confitures, ou la quantité de corps étrangers (ajout de sable) dans les épices.

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Principe de la méthode Pour déterminer les cendres insolubles dans l’eau, on dissout la partie soluble des cendres totales dans l’eau chaude qu’on filtre sur un papier filtre. Le résidu insoluble sur le papier filtre est incinéré de nouveau pour brûler le papier filtre. On pèse les cendres insolubles. Le % de cendres solubles est déduit par calcul.

1) Calculs par rapport à l’échantillon sec ou humide % cendres insolubles = M(cendres insolubles) x 100 M(éch. sec ou humide) % cendres solubles = % cendres totales - % cendres insolubles

2) Calculs par rapport aux cendres totales % cendres insolubles = M(cendres insolubles) x 100 M(cendres totales) % cendres solubles = M(cendres solubles) x 100 M(cendres totales) Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats 1. Aliments riches en gras (poissons, fromages) ou en substances volatiles (épices). - éclaboussures pendant l’incinération (résultats non reproductibles). - condition particulière d’opération:

2. Aliments riches en sucres (sirops, confitures). - formation de mousse pendant l’incinération - condition particulière d’opération: 3. Incinération incomplète. - Une incinération sera incomplète si la température est trop basse ou si le temps d’incinération est insuffisant. Les cendres doivent être de couleur blanche ou grise, occasionnellement de couleur rougeâtre ou verte. Elles doivent être libres de particules de carbone imbrûlées ou de morceaux liquéfiés.

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4. Manipulation et pesée des cendres. - Les cendres sont très légères et ont une masse habituellement faible. De plus, certaines cendres, contenant du carbonate de potassium, sont hygroscopiques.

3. Méthode de dosage des protéines Contrairement aux sucres et aux lipides, les protéines contiennent de l’azote. Cette propriété sera exploitée dans la méthode de détermination de la teneur en protéines dans les aliments.

La méthode Kjeldahl est la méthode de référence pour la détermination des protéines dans les aliments. Il existe deux versions de la méthode qui utilisent le même principe: la méthode macro-Kjeldahl et la méthode micro-Kjeldahl. Elles diffèrent seulement par l’appareillage utilisé et les quantités d’échantillon; la masse d’échantillon analysée par la méthode macro-Kjeldahl est environ 5 fois plus élevée que celle analysée par la méthode micro-Kjeldahl. Principe de la méthode La détermination des protéines par la méthode Kjeldahl s’effectue en trois étapes: Étape 1: Digestion ou minéralisation de l’échantillon Pendant l’étape de la digestion, l’azote protéique est transformé en azote ammoniacal par oxydation de la matière organique dans l’acide sulfurique concentré à haute température, en présence d’un catalyseur et d’un sel: - l’acide sulfurique concentré a pour but d’oxyder la matière organique et de transformer l’azote protéique en ammoniac NH3. Il sert également à piéger l’ammoniac gazeux sous la forme de sulfate d’ammonium, par action de la base avec l’acide:

- l’addition du sel K2SO4 a pour but d’élever le point d’ébullition de la solution pour accélérer la réaction de minéralisation de la matière organique. - le catalyseur utilisé peut être Hg (HgO), Cu (CuSO4) ou Se. Étape 2: Distillation de l’ammoniac Avant de distiller l’ammoniac à la vapeur d’eau, on doit libérer l’ammoniac sous la forme du sel (NH4)2SO4 par l’addition d’une solution concentrée de NaOH en excès:

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L’ammoniac est ensuite distillée par la vapeur d’eau et piégée dans une solution d’acide borique. L’ammoniac réagit avec l’acide borique pour former des sels borates d’ammonium: Étape 3: Titrage de l’ammoniac L’ammoniac sous la forme de borates d’ammonium est titré directement à l’aide d’une solution standardisée d’acide, tel HCl ou H2SO4, et d’un indicateur: - On fait un blanc en mettant tous les réactifs sauf l’échantillon, pour soustraire l’ammoniac contenu dans les réactifs de l’ammoniac contenu dans l’échantillon. Calcul du % de protéines dans l’échantillon Le % de protéines dans l’échantillon est obtenu en multipliant le % d’azote par un facteur F dépendant du type d’aliment analysé. % protéines = % N x F = (VE- VB) x CN x 14,01 x F M(échantillon) Le tableau suivant montre les principaux facteurs utilisés avec la méthode Kjeldahl. Aliment farine de blé pain produits laitiers amandes arachides noix du Brésil autres noix facteur général

Facteur 5,70 5,70 6,38 5,18 5,46 5,46 5,30 6,25

- Pour les aliments dont on ne connaît pas la protéine principale ou qui sont préparés avec des ingrédients contenant plusieurs types de protéines, on utilise le facteur général de 6,25. - La valeur du % d’azote obtenue par la méthode Kjeldahl n’est pas une valeur exacte du contenu d’azote protéique dans l’échantillon, car l’azote des acides aminés libres, des acides nucléiques, des sucres aminés, etc ..., y est inclus.

- La valeur du % de protéines n’est pas non plus une valeur exacte, car le facteur utilisé tient compte uniquement de la principale protéine contenue dans l’aliment.

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- Lorsqu’on rapporte les résultats, on doit indiquer que les valeurs sont obtenues par la méthode Kjeldahl, en mentionnant le facteur utilisé. Facteurs affectant la précision et l’exactitude des résultats 1. Erreur sur le volume de HCl pour titrer le blanc. 2. Concentration inexacte de la solution titrante de HCl. 3. Perte d’ammoniac pendant la distillation. 4. Temps de digestion trop court pour minéraliser tout l’échantillon. 5. Volume trop petit de HCl requis pour titrer les échantillons. a) le volume de HCl requis pour titrer les échantillons est d’environ 3,5 ml. b) le volume de HCl requis pour titrer les échantillons est d’environ 10 ml.

4. Méthodes de dosage des lipides

Les lipides sont insolubles dans l’eau et très solubles dans les solvants organiques, tel l’éther éthylique. La plupart des méthodes de dosage des lipides exploitent ces propriétés physiques pour extraire les lipides des aliments dans le but de mesurer leur concentration. 4.1. Méthode Soxhlet La méthode Soxhlet est la méthode de référence utilisée pour la détermination de la matière grasse dans les aliments solides déshydratés. C’est une méthode gravimétrique, puisqu’on pèse l’échantillon au début et la matière grasse à la fin de l’extraction. Principe de la méthode L’aliment solide est pesé et placé dans une capsule de cellulose. L’échantillon est extrait en continu par de l’éther éthylique à ébullition (P.E. 35oC) qui dissout graduellement la matière grasse. Le solvant contenant la matière grasse retourne dans le ballon par déversements successifs causés par un effet de siphon dans le coude latéral. Comme seul le solvant peut s’évaporer de nouveau, la matière grasse s’accumule dans le ballon jusqu’à ce que l’extraction soit complète. Une fois l’extraction terminée, l’éther est évaporé, généralement sur un évaporateur rotatif, et la matière grasse est pesée.

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- les capsules de cellulose sont perméables au solvant et à la matière grasse qui y est dissoute. Ces capsules sont jetables.

% lipides = M (lipides) x 100 = M(échantillon)

Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats 1. Temps d’extraction de la matière grasse. Un temps d’extraction trop court donne des résultats inexacts, c’est-à-dire inférieurs aux résultats attendus. 2. Grosseur des particules de l’aliment solide. L’aliment doit être broyé de façon à offrir la plus grande surface de contact possible au solvant extracteur. 3. Évaporation incomplète du solvant avant la pesée de la matière grasse. 4. Qualité du solvant extracteur. Les solvants organiques sont rarement purs et contiennent des résidus huileux non évaporables. On doit s’assurer que la masse de résidus n’influence pas le résultat de façon significative. On peut faire un blanc en évaporant la quantité de solvant utilisée dans la méthode et en pesant le résidu. Un calcul simulé permet de vérifier si le résultat est surévalué de façon significative ou non.

4.2. Méthode Goldfisch La méthode Goldfisch est une variante (appareillage différent) de la méthode Soxhlet. C’est une méthode gravimétrique utilisée pour la détermination de la matière grasse dans les aliments solides déshydratés. Principe de la méthode L’aliment solide est pesé et placé dans une capsule de cellulose ou un contenant poreux d’alundum. L’échantillon est extrait en continu par de l’éther éthylique à ébullition (P.E. 35oC) qui dissout graduellement la matière grasse. Le solvant contenant la matière grasse retourne dans un bêcher placé sous le contenant d’alundum. Comme seul le solvant peut s’évaporer de nouveau, la matière grasse s’accumule dans le

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bêcher jusqu’à ce que l’extraction soit complète. Une fois l’extraction terminée, l’éther est évaporé et la matière grasse pesée. % lipides = M (lipides) x 100 = M (échantillon)

Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats 1. Temps d’extraction de la matière grasse. - voir méthode Soxhlet 2. Grosseur des particules de l’aliment solide. - voir méthode Soxhlet 3. Qualité du solvant extracteur. - voir méthode Soxhlet 4. Évaporation incomplète du solvant avant la pesée de la matière grasse. Teneur en gras surévaluée. 5. Formation de canaux dans l’échantillon. L’éther peut occasionnellement former des canaux à travers l’échantillon et ne passer que par ces canaux. Le résultat obtenu est alors inférieur à celui attendu. 6. Détérioration de la capsule d’alundum. À cause de son coût relativement élevé, la capsule d’alundum est réutilisable plusieurs fois. Ce matériau inorganique s’égrène parfois pendant une extraction et de petites particules tombent dans le bécher, augmentant la masse de matière grasse. Le résultat obtenu est alors supérieur à celui attendu.

4.3. Méthode Babcock La méthode Babcock est une méthode officielle utilisée pour la détermination des lipides dans les produits laitiers. Cette méthode volumétrique est rapide et peu coûteuse, mais moins précise que la méthode de référence Mojonnier. De plus, les résultats obtenus par cette méthode sont, en moyenne, légèrement plus élevés que ceux obtenus par la méthode Mojonnier. Principe de la méthode 21

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Le produit laitier pesé (ou pipetté pour le lait) est dissout dans l’acide sulfurique dont l’action sert à libérer la matière grasse qui remonte à la surface de la solution. Par addition d’eau et centrifugation, la matière grasse est dirigée dans la partie graduée du butyromètre. On mesure, à une température de 57oC, la hauteur d’une colonne de gras sur une échelle graduée en % P/P de matière grasse. Matériel: - tube Babcock - centrifugeuse Babcock - bain thermostaté à 57oC Particularités de la méthode: -

Pour les laits, on utilise un butyromètre gradué jusqu’à 8% en divisions de 0,1%. Pour le prélèvement de l’échantillon, on utilise une pipette de 17,6 ml, ce qui équivaut à 18,0 g de lait. La précision de l’analyse est de ± 0,1%.

-

Pour les laits écrémés, on utilise un butyromètre spécial gradué jusqu’à 0,5% en divisions de 0,01%. Le prélèvement de l’échantillon est de 18,0 g (17,6 ml).

-

Pour les autres produits laitiers liquides (crèmes, crèmes glacées, etc), on utilise un butyromètre 0-20% (divisions de 0,25%) ou 0-50% (divisions de 0,5%). Le prélèvement de l’échantillon est de 9,0 g. La précision de l’analyse est de ± 0,25 % ou 0,5% selon le butyromètre utilisé.

-

Pour les produits laitiers solides, tels les fromages, on utilise un butyromètre Paley 0-20% ou 0-50%. Le prélèvement de l’échantillon est de 9,0 g. La précision de l’analyse est de ± 0,25% ou 0,5% selon le butyromètre utilisé.

Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats

1. Qualité de la colonne de gras. Une colonne de gras contenant des particules organiques en suspension donne des résultats erronés, habituellement plus élevés que ceux attendus.

2. Température du bain thermostaté. Avant la lecture, la colonne de gras doit être complètement immergée dans un bain d’eau à 57 ± 2oC. Toute autre température donne des résultats inexacts.

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3. Prélèvement de l’échantillon. Le prélèvement de l’aliquote doit se faire le plus rapidement possible, lorsque l’échantillon perd facilement son humidité.

4.4. Méthode Mojonnier La méthode Mojonnier est la méthode de référence pour la détermination de la matière grasse dans les produits laitiers. Cette méthode gravimétrique, une adaptation de la méthode Roëse-Gotlieb, utilise un appareil spécial, l’appareil Mojonnier. Principe de la méthode Le produit laitier est pesé puis dissout dans la phase aqueuse contenant de l’hydroxyde d’ammonium et de l’alcool éthylique. La matière grasse est extraite à l’aide d’un solvant organique immiscible avec l’eau, composé d’éther éthylique et d’éther de pétrole. La phase organique est décantée dans un plat, le solvant évaporé et la matière grasse pesée.

% lipides =

M (lipides) x 100 = M (échantillon)

Composantes de l’appareil Mojonnier: - balance analytique - centrifugeuse - plaque chauffante - four à vide - dessicateur (compartiment à double paroi dans laquelle circule une huile soluble) Particularités de la méthode: À cause de la teneur très variable en matière grasse dans les produits laitiers, la quantité d’échantillon pesée, le nombre d’extractions et le volume de solvant utilisé doivent être ajustés en fonction de chaque type de produits laitiers. Précision de la méthode: - ± 0,02% pour les laits écrémés - ± 0,03% pour les autres laits - ± 0,1% pour les crèmes Rôle des réactifs: - Hydroxyde d’ammonium (NH4OH) à densité relative 0,8974 Neutralise l’acidité du produit laitier, réduit la viscosité, facilitant ainsi l’action des solvants, et prévient la formation de gel. 23

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- Alcool éthylique à 95% Facilite l’extraction, l’alcool étant miscible avec l’éther en toute proportion; brise toute liaison entre les protéines et les phospholipides qui sont alors inclus avec la matière grasse; facilite la séparation de la phase aqueuse et de la phase organique. - Éther éthylique (P.E. 35oC) Dissout la matière grasse et la garde en solution éthérée. L’éther dissout également un peu d’eau contenant une petite quantité de solides non gras qui peuvent causer des résultats erronés à moins de correction subséquente. - Éther de pétrole 40-60oC L’éther de pétrole est un mélange d’hydrocarbures ayant des points d’ébullition entre 40 et 60oC et sert à éliminer de la solution d’éther toute trace d’eau pouvant contenir des solides non gras. Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats 1.

Produits laitiers contenant des agents épaississants. Certains produits laitiers contiennent des agents épaississants, qui causent des émulsions entre la phase aqueuse et la phase organique. Les résultats obtenus sont non reproductibles. Une façon de contourner le problème est de peser moins de produit laitier et de remplacer la différence par de l’eau. 2. 3.

Position de l’interface entre les deux phases avant la décantation. État du dessicateur. Le dessicateur doit contenir un agent dessicant frais pour ne pas que les plats n’adsorbent de l’humidité pendant le refroidissement. De plus, on doit vérifier périodiquement l’huile soluble qui circule dans la double paroi du dessicateur. Si les plats contenant la matière grasse ne sont pas pesés à la même température que celle à la pesée des plats vides, les résultats seront inexacts.

4.

Qualité des solvants organiques. À l’achat de tout nouveau contenant d’éther éthylique ou d’éther de pétrole, on vérifie la qualité du solvant en faisant un blanc. Le volume total d’éther éthylique et d’éther de pétrole normalement utilisé pour une analyse ne doit pas contenir plus de 0,5 mg de résidu non évaporable.

5.

Décantation accidentelle de la phase aqueuse. La phase aqueuse contient tous les solides hydrosolubles du lait (protéines, lactose, minéraux, etc). Toute décantation accidentelle de la phase aqueuse augmente la masse de gras et donnera un résultat plus élevé que le résultat attendu. 24

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5. Méthodes de dosage des glucides Il existe beaucoup de méthodes de dosage des glucides. Certaines de ces méthodes utilisent le pouvoir réducteur ou non réducteur des sucres. Un sucre réducteur doit posséder dans sa structure une fonction aldéhyde ou cétone libre. mélange en quantité égale de D-glucose et de D-fructose, obtenu par l’hydrolyse du sucrose. sucrose + H2O

cat

D-glucose + D-fructose

5.1. Méthode Lane-Eynon La méthode Lane-Eynon est une méthode volumétrique de détermination des sucres réducteurs totaux dans les aliments. C’est une méthode empirique qui relie, à l’aide d’une table de conversion, une quantité de sucres réducteurs contenus dans un volume de solution alimentaire requis pour réduire un volume donné de réactif de Fehling. Principe de la méthode La méthode est basée sur la capacité des sucres réducteurs de réduire l’hydroxyde cuivrique en oxyde cuivreux. On titre à chaud un volume donné de réactif de Fehling (10 ml ou 25 ml) à l’aide d’une solution de l’aliment contenant le ou les sucres réducteurs. L’indicateur Bleu de méthylène est utilisé pour rendre plus claire la disparition de la couleur bleue du réactif de Fehling (point de virage). Le volume de solution alimentaire utilisé pour le titrage est converti en mg de sucres réducteurs à l’aide d’une table de conversion.

Quantités mesurables de sucres réducteurs: L’aliment doit être dilué de façon à ce que le volume de solution alimentaire utilisé pour le titrage corresponde à une quantité mesurable de sucres réducteurs. On doit utiliser des colonnes de conversion spécifiques pour les aliments contenant un mélange de sucre inverti et de sucrose. Dosage indirect du sucrose Le sucrose, un disaccharide non réducteur, ne peut donc pas être dosé directement par cette méthode. Cependant, il est possible de le doser indirectement en faisant d’abord une hydrolyse du sucrose, puis en appliquant la méthode sur les produits d’hydrolyse. En effet, l’hydrolyse du sucrose donne des quantités égales de D-glucose et de Dfructose.

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Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats 1.

Détection du point de virage. Le titrage de la solution de Fehling par la solution alimentaire doit se faire rapidement pendant le chauffage de la solution de Fehling à ébullition. La détection du point de virage peut être difficile pour un manipulateur inexpérimenté.

2.

Choix de la colonne de sucre réducteur dans la table de conversion. La méthode dose l’ensemble des sucres réducteurs dans un aliment, mais le résultat doit être exprimé en % d’un sucre réducteur particulier. Les résultats sont donc inexacts si l’aliment contient plusieurs sucres réducteurs différents.

5.2. Méthode Munson-Walker La méthode Munson-Walker est une méthode gravimétrique de détermination des sucres réducteurs totaux dans les aliments. C’est une méthode empirique qui relie, à l’aide d’une table de conversion, une quantité de précipité formé par la réaction de Fehling à une quantité d’un sucre réducteur particulier. Principe de la méthode Les sucres possédant une fonction aldéhyde ou cétone libre peuvent réduire l’hydroxyde cuivrique (réactif de Fehling) en oxyde cuivreux, un précipité de couleur rouge brique. L’aliment est mis en solution et une portion de la solution est traitée avec un excès de ls solution de Fehling. Le précipité Cu2O formé par la réaction est récupéré quantitativement, séché et pesé. La quantité de précipité est convertie en mg de sucres réducteurs à l’aide d’une table de conversion (table de Hammond). Quantités mesurables de sucres réducteurs: L’échantillon doit être dilué de façon à ce que la quantité de précipité Cu2O formé par la réaction puisse être convertie en quantité mesurable d’un sucre réducteur dans la table de Hammond: - Glucose - Fructose - Sucre - Lactose - Maltose

: 4,6 - 236,9 mg : 5,1 - 253,7 mg : 5,2 - 245,6 mg : 7,7 - 342,0 mg : 6,2 - 405,8 mg

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On doit utiliser des colonnes de conversion spécifiques pour les aliments contenant un mélange de sucre inverti et sucrose ou un mélange de lactose et sucrose.

Dosage indirect du sucrose Le sucrose, un disaccharide non réducteur, ne peut donc pas être dosé directement par cette méthode. Cependant, il est possible de le doser indirectement en faisant d’abord une hydrolyse du sucrose, puis en appliquant la méthode sur les produits d’hydrolyse. En effet, l’hydrolyse du sucrose donne des quantités égales de D-glucose et de Dfructose.

Facteurs influençant la précision et l’exactitude des résultats

1.

Récupération du précipité Cu2O. - récupération totale du précipité sur l’entonnoir Kosch - séchage complet du précipité

2.

Choix de la colonne de sucre réducteur dans la table de Hammond. La méthode dose l’ensemble des sucres réducteurs dans un aliment, mais le résultat doit être exprimé en % d’un sucre réducteur particulier. Les résultats sont donc inexacts si l’aliment contient plusieurs sucres réducteurs différents.

6. Méthodes de dosage des acides organiques Beaucoup d’aliments contiennent différents acides organiques plus ou moins volatils. Certains sont des liquides, comme l’acide acétique, tandis que d’autres sont des solides, comme l’acide citrique. On retrouve dans les aliments des monoacides, des diacides et même des triacides organiques. Structure générale des acides organiques:

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Exemples d’acides organiques présents dans les aliments: CH3-COOH Ac. acétique M = 60 g/mole M.E.= COOH | CH-OH | CH3 Ac. lactique M = 90 g/mole M.E.=

COOH | CH-OH | CH2 | COOH Ac. malique M = 134 g/mole M.E.=

CH2-COOH COOH | | HO-C-COOH CH-OH | | CH2-COOH CH-OH Ac. citrique | M = 192 g/mole COOH M.E.= Ac. tartrique M = 150 g/mole M.E.=

Les deux principales analyses étudiées sont l’acidité totale titrable et l’acidité volatile.

6.1. Acidité totale titrable Principe de la méthode L’aliment est d’abord dilué si la concentration d’acides organiques est importante. Une portion de la solution diluée est ensuite titrée par une solution standardisée de NaOH 0,1N, en présence d’un indicateur. Pour les aliments trop colorés (vin rouge, lait au chocolat, etc), on utilise un pH mètre pour la détection du point de virage (pH 8,3 pour la phénolphtaléine).

Selon l’aliment analysé, le résultat peut être exprimé: - en % P/P ou P/V d’un acide organique particulier - en ml de NaOH 0,1N par 100 g ou 100 ml d’aliment.

Facteurs influençant la précision ou l’exactitude des résultats 1.

Présence de CO2 dans l’eau de dilution. Le CO2 dissout dans l’eau est en équilibre avec l’acide carbonique selon la réaction: CO2 + H2O gaz

⇔

H2CO3 Ac. carbonique 29

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Pour éviter une surévaluation de l’acidité totale, on dégaze l’eau utilisée par chauffage à ébullition.

2.

Détection du point de virage. Peut être difficile pour les aliments ayant une coloration semblable à la couleur de l’indicateur. Le résultat est imprécis.

3.

Volume de NaOH utilisé pour le titrage. Comme l’incertitude absolue sur la mesure du volume est de ± 0,1 ml, on doit ajuster, si possible, la concentration de la solution alimentaire pour que le volume de NaOH utilisé pour le titrage soit entre 10 et 15 ml.

6.2. Acidité volatile Les acides organiques volatils sont ceux qui codistillent avec la vapeur d’eau. Le plus important présent dans les aliments est l’acide acétique. La détermination de l’acidité volatile sert à évaluer la qualité de certains aliments, tels les vins, ou leur degré de maturation. Principe de la méthode L’aliment est mis en solution dans un appareil capable de produire de la vapeur d’eau. Par chauffage, les acides organiques volatils sont entraînés par la vapeur d’eau. Le distillat contenant les acides volatils est titré par une solution standardisée de NaOH 0,1N, en présence d’un indicateur. Le résultat est exprimé habituellement en % d’acide acétique par 100 ml ou 100 g d’aliment. Facteurs influençant la précision ou l’exactitude des résultats 1.

Présence de CO2 dans l’eau de dilution. - élimination du CO2 dans l’eau de distillation par chauffage - pour certains appareils à distillation, on effectue un blanc sur la même quantité d’eau distillée que celle utilisée pour l’analyse de l’aliment.

2.

Volume de NaOH utilisé pour le titrage. Comme la quantité d’acides volatils dans les aliments est très petite, le volume de NaOH nécessaire pour le titrage l’est également. Pour obtenir un maximum de précision, on utilise une microburette de 10 ml avec des divisions de 0,05 ml. 30

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Chapitre 3 Analyse des résultats

1. Recherche de la valeur attendue Lorsqu’on effectue une analyse sur un aliment, le résultat obtenu devrait être comparé avec le résultat attendu, afin d’évaluer le degré de fiabilité de l’analyse.

1.1. Tables de composition des aliments On retrouve dans certains livres sur les aliments des tables donnant la composition chimique détaillée des aliments: -

Répertoire général des aliments INRA, TEC & DOC (TX 531.F4R4 SH)

-

Répertoire général des aliments Table de composition des corps gras INRA, TEC & DOC (TX 531.F4R4 Vol.1 SH)

-

Répertoire général des aliments Table de composition des produits laitiers INRA, TEC & DOC (TX 531.F4R4 Vol.2 SH)

-

Foods and Nutrition Encyclopedia, 2 Vol. TX 349 SH 14484

On trouvera un exemple de table de composition des aliments dans les pages suivantes. Les valeurs déclarées doivent être considérées comme des valeurs moyennes.

1.3. Valeurs déclarées sur l’emballage Pour les produits finis, on retrouve parfois la concentration de certains constituants alimentaires sur l’étiquette de l’aliment. Ces valeurs sont habituellement des valeurs minimums.

1.4. Normes chimiques de composition Un nombre considérable de constituants alimentaires est normalisé, c’est-à-dire réglementé par les gouvernements fédéral ou provincial.

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2. Précision et exactitude d’une analyse 2.1. Précision d’une analyse La précision d’une analyse dépend de l’aptitude à reproduire un même résultat plusieurs fois de suite. C’est la limite à l’intérieur de laquelle on peut se fier à un résultat. Cette limite est quantifiée par la valeur de répétabilité, c’est-à-dire la valeur maximum sous laquelle la différence absolue entre deux résultats d’analyse obtenus sur un échantillon identique par la même méthode et dans les mêmes conditions expérimentales est susceptible de se retrouver selon une probabilité de 95%. Lorsqu’on fait une seule analyse, la valeur de répétabilité représente l’écart maximum, par rapport à la valeur mesurée, à l’intérieur duquel la valeur réelle est susceptible de se retrouver dans 95% des cas. Par exemple, la valeur de répétabilité pour l’analyse de la matière grasse par la méthode Mojonnier, dans un lait à environ 3,25% m.g. est de 0,03%.

La précision d’une méthode analytique est reliée aux erreurs fortuites inhérentes aux mesures expérimentales. Les erreurs fortuites sont dues au hasard et peuvent affecter un résultat tantôt en plus ou tantôt en moins. Les erreurs fortuites peuvent être minimisées mais jamais éliminées. Exemples d’erreurs fortuites: - incertitude sur une pesée: - incertitude sur un volume: - incertitude sur une lecture: - perte inégale d’une solution lors d’un transfert

Analyse statistique de résultats La valeur de répétabilité d’une méthode analytique est habituellement déterminée en faisant l’analyse statistique d’un certain nombre de mesures de la même grandeur sur un échantillon. Pour ce faire, les organismes internationaux organisent des études collaboratives impliquant plusieurs laboratoires à travers le monde. Lorsque la valeur de répétabilité d’une méthode d’analyse n’est pas connue, il est possible de l’estimer en effectuant un nombre N (20 ou plus) d’analyses sur un même échantillon. Les statistiques nous indiquent que la valeur estimée σe de l’écart-type peut être obtenue, à partir d’une population de N résultats, par la relation suivante:

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σe =

où:

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Σ (X - M)2 √ N-1 X = résultat de chaque analyse M = moyenne arithmétique des résultats

D’autre part, l’écart-type σM par rapport à la moyenne est donnée par la relation suivante: σM = σe √N N.B.

La valeur de l’écart-type est arrondie à 1 chiffre significatif.

L’écart-type σM est parfois utilisé comme valeur de répétabilité d’une méthode analytique selon une probabilité de 68%. Ceci signifie que la valeur réelle de la grandeur a 68% de chance de se retrouver à ± σM de la valeur mesurée. Le double écart-type 2σM est plus souvent utilisé comme valeur de répétabilité d’une méthode analytique selon une probabilité de 95%. Ceci signifie que la valeur réelle de la grandeur a 95% de chance de se retrouver à ± 2σM de la valeur mesurée. 2.2. Exactitude d’une analyse L’exactitude d’une analyse est définie comme étant le degré de concordance entre la valeur mesurée et la valeur réelle. L’exactitude d’une méthode analytique est reliée aux erreurs systématiques, c’est-àdire aux erreurs qui affectent les résultats toujours dans le même sens. Une erreur systématique peut apparaître à un moment donné dans une méthode ou même être permanente dans une méthode. Les erreurs systématiques, une fois décelées, peuvent toujours être éliminées. Exemples d’erreurs systématiques: - appareil mal ou non calibré. - erreur sur le blanc ou sur la concentration de la solution titrante lors d’un titrage. - méthode surévaluant les résultats par rapport à la méthode de référence. - temps d’extraction trop court (résultat sous-évalué).

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