Une explication physique du conchage du chocolat

On fabrique une tablette de chocolat en laissant se solidifier un  mélange de beurre de cacao fondu, de poudre de cacao et de certains surfactants. On cherche, par le procédé dit du “conchage”, à ce que cette suspension, préparée à partir d’une mixture inhomogène soit la plus homogène possible et que le contenu de solide dispersé dans la solution soit le plus grand possible. 

Ce sont aussi les buts recherchés lorsqu’on fait du béton pour la construction ou qu’on prépare des produits pour remplacer les os ou la pâte dont la cuisson donnera des céramiques.

A l’University of Edinburgh, Edinburgh, Royaume-Uni, une équipe de chercheurs écossais, hollandais (Utrecht University) et anglais (University of Cambridge) ont étudié la rhéologie d’un mélange modèle du chocolat et l’influence sur ses propriétés physiques  de la technique du conchage, inventée par le Suisse Rodolphe Lindt  en 1879 et maintenant universellement adoptée. Ils ont ainsi éclairé les mécanismes physiques mis en jeu dans un procédé utilisé depuis longtemps de façon uniquement pragmatique.

 

L’étude au laboratoire

C’est à partir d’une  formule simplifiée de chocolat que les chercheurs ont mené des expériences pour comprendre le processus physique du conchage. Ils ont d’abord préparé un mélange aqueux de sucre cristallisé, de lait en poudre, de beurre de cacao et de poudre de cacao, l’ont fait sécher, puis l’ont moulu. La poudre ainsi obtenue est mise en suspension dans de l’huile de tournesol avec une faible quantité d’un agent émulsifiant, la lécithine. Ce mélange a l’avantage de pouvoir être travaillé à la température ambiante et non à la température de 60°C nécessaire pour fondre le beurre de cacao dans le cas du vrai chocolat. On peut utiliser des masses de l’ordre de 500 grammes. On place la mixture dans un mélangeur planétaire schématisé ci-dessous :

la lame (en noir gras) tourne dans un cylindre lui-même en rotation en sens inverse. Un cisaillement se produit principalement dans l’intervalle entre la lame et le cylindre.

 

 

 

 

 

La vidéo ci-après montre la machine de conchage de R. Lindt.


Wikipedia Commons, Noebse, CC by-SA 2.5

 

Bien qu’elle fut plus sommaire, elle effectuait aussi un cisaillement de la masse traitée.

Les stades du conchage

 

Le premier stade de celui-ci rompt les agrégats de particules, ce qui augmente le quotient du volume de la masse solide par le volume total du solide plus liquide. Ce rapport, appelé fraction en volume du solide, vaut au départ 0,55, c’est un facteur important du conchage. Au bout d’un certain temps, à force d’être cisaillés par le mélangeur et soumis à des fprces de friction (Fig.1 étapes ABCD), les granulés sont cassés, puis se prennent en masse jusqu’à ce que les agrégats atteignent la taille de framboises (Fig. 1. D, en bas).

Commence alors le second stade du conchage : on rajoute un volume de lécithine 4 fois plus grand que celui mis au départ. La suspension se fluidifie, il s’agit d’une transition solide vers liquide. Puis de  l’air s’incorpore  dans les granulés et  il se produit un compactage (étapes  E  et F de la Fig.1.) La puissance mécanique consommée augmente, atteint un maximum au bout de 30 min vers le point F de la Fig.1. puis décroît jusqu’à un palier de G à H (Fig.1.)

A partir du point F, la taille des granulés  diverge jusqu’à  être celle de toute la masse qui devient en H un liquide visqueux analogue au chocolat fondu avant solidification.

 

Fig.1. Puissance consommée dans le conchage Haut) Courbe noire : Puissance consommée Courbe rouge : densité squelettique, c'est-à-dire la masse de solide et de liquide divisée par le volume total qu'ils occupent tous les deux. Elle décroît dans les premières minutes et converge vers une valeur constante/ Courbe bleue :densité d'enveloppe, c'est-à-dire la masse de l'échantillon divisée par le volume macroscopique incluant les pores remplies d'air et de liquide. Elle augmente et converge vers la densité squelettique. Bas) Aspects d' échantillons de la mixture extraits du mélangeur planétaire à des étapes successives du conchage. Les lettres correspondent à leurs homologues du graphique du haut. on voit bien l'augmentation de de taille des granulés de A à E. A partir du stade F, la taille des granulés est devenue celle même de l'échantillon. Les côtés des carrés image valent 4 mm. Tiré de Conching chocolate is a prototypical transition from frictionally jammed solid to flowable suspension with maximal solid content Elena Blancoa, Daniel J. M. Hodgson, Michiel Hermes, Rut Besselinga, Gary L. Hunterd,, Paul M. Chaikind, Michael E. Catesa, Isabella Van Damme, and Wilson C. K. Poon. PNAS May 21, 2019 116 (21) 10303-10308

Fig.1. Puissance consommée dans le conchage
En haut) Courbe noire : Puissance consommée
Courbe rouge : densité squelettique, c’est-à-dire la masse de solide et de liquide divisée par le volume total qu’ils occupent tous les deux. Elle décroît dans les premières minutes et converge vers une valeur constante.
Courbe bleue :densité d’enveloppe, c’est-à-dire la masse de l’échantillon divisée par le volume macroscopique incluant les pores remplies d’air et de liquide. Elle augmente et converge vers la densité squelettique.
En bas) Aspects d’ échantillons de la mixture extraits du mélangeur planétaire à des étapes successives du conchage. Les lettres correspondent à leurs homologues du graphique du haut. On voit bien l’augmentation de de taille des granulés de A à E. A partir du stade F, la taille des granulés est devenue celle même de l’échantillon. Les côtés des carrés des images A à H valent 4 cm.
Tiré de Conching chocolate is a prototypical transition from frictionally jammed solid to flowable suspension with maximal solid content
Elena Blanco, Daniel J. M. Hodgson, Michiel Hermes, Rut Besseling, Gary L. Hunter,, Paul M. Chaikin, Michael E. Cates, Isabella Van Damme, and Wilson C. K. Poon..
PNAS May 21, 2019 116 (21) 10303-10308, CC BY-NC-ND).

 

A partir de leurs mesures, les chercheurs ont construit un modèle théorique qui rend parfaitement compte du processus de conchage. Il tient compte de la contrainte de cisaillement, et de la fraction en volume du solide. Cette dernière contrôle la viscosité du mélange sous forte contrainte de cisaillement.
Il explique les deux principaux rôles du conchage : la rupture des granulés et leur prise en masse, puis la réduction des frottements par ajout d’émulsifiant pour obtenir la suspension liquide qui se solidifiera en chocolat.

Ce modèle peut aider à améliorer la production de cette denrée, mais peut aussi être d’une grande utilité pour la fabrication du béton et celle des céramiques.

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Conching chocolate is a prototypical transition from frictionally jammed solid to flowable suspension with maximal solid content
Elena Blanco, Daniel J. M. Hodgson, Michiel Hermes, Rut Besseling, Gary L. Hunter,, Paul M. Chaikin, Michael E. Cates, Isabella Van Damme, and Wilson C. K. Poon.
PNAS May 21, 2019 116 (21) 10303-10308