Ce que la sorption de vapeur peut et ne peut pas vous dire

Dans ce webinaire en direct, nos experts AQUALAB expliqueront comment et pourquoi la cartographie de la teneur en eau et de l'activité de l'eau - et de leur évolution dans le temps - peut ouvrir un nouveau monde d'informations précieuses.
 

Vous apprendrez :

• Pourquoi MC et aW combinés peuvent-ils vous en dire plus qu'ils ne le feraient séparément ?
• Toutes les façons de créer des isothermes, ainsi que les forces et les faiblesses de chaque méthode
• Comment interpréter et utiliser les isothermes de sorption de l'humidité ?
• Pourquoi les isothermes peuvent-ils prédire les changements de texture avec autant de précision ?
• Pourquoi les décisions relatives à la durée de conservation et à l'emballage peuvent-elles être prises plus rapidement grâce aux isothermes ?
• Comment extraire la valeur commerciale de vos isothermes - à l'intérieur et à l'extérieur du département R&D ?

Transcription, éditée pour plus de clarté

Brad Newbold (animateur du webinaire) : Bonjour à tous et bienvenue à Understanding Isotherms : Ce que la sorption de vapeur peut et ne peut pas vous dire. La présentation d'aujourd'hui durera environ 30 minutes - je peux vous le garantir - et sera suivie d'une séance de questions et réponses avec M. Zachary Cartwright et Mme Mary Galloway, respectivement scientifique alimentaire et scientifique d'application chez AQUALAB. Sans plus attendre, je cède le micro à Zachary pour commencer.

Dr Zachary Cartwright : Bonjour à tous. Merci beaucoup de nous avoir rejoints aujourd'hui. Je suis très heureux d'être ici avec Mary. Comme Brad l'a dit, nous sommes ici pour parler des isothermes et de ce que la sorption de vapeur peut et ne peut pas vous dire. Je m'appelle Zachary Cartwright et je suis assis ici avec Mary Galloway.

Mary Galloway : Bonjour !

Ce que nous allons couvrir aujourd'hui

ZC : Commençons. Cette première diapositive est un aperçu. Je veux simplement vous montrer la direction que nous allons prendre aujourd'hui. Nous allons commencer par parler de la teneur en eau et de l'activité de l'eau séparément, puis nous vous montrerons comment nous pouvons en savoir plus en combinant ces deux mesures. 

Nous passerons ensuite en revue les différentes façons de créer des isothermes, en évoquant certaines méthodes traditionnelles et classiques, ainsi que les méthodes DVS et DDI. 

Une fois que nous saurons ce qu'est une isotherme et comment la créer, nous verrons comment les interpréter et les utiliser, principalement dans l'industrie alimentaire, mais aussi dans l'industrie pharmaceutique, ainsi que pour les matériaux de construction ou même pour la science des sols. Nous nous pencherons donc sur la prédiction des changements de texture et sur la prédiction de la durée de conservation, ainsi que sur les décisions en matière d'emballage. 

À la fin de cette présentation, nous parlerons de l'extraction de la valeur commerciale des isothermes - nous passerons en revue quelques récits de différentes entreprises utilisant les isothermes et parlerons de la valeur commerciale qu'elles ont pu en tirer. 

Nous allons faire de notre mieux pour respecter nos 30 minutes. Nous avons beaucoup de choses à partager aujourd'hui, et je suis sûr que nous les dépasserons. J'espère que vous resterez avec nous pendant toute la durée de la présentation. Je passe maintenant la parole à Mary, qui va nous parler de l'activité de l'eau et de la teneur en eau.

Ingrédients de l'isotherme : Teneur en eau et activité de l'eau 

MG : Très bien. Lorsque nous parlons de mesures d'humidité, nous parlons principalement de deux choses. 

La première est la teneur en eau - la quantité d'eau, la quantité d'eau dans un produit. Elle est importante pour maximiser le rendement et les recettes, car si vous pouvez augmenter la teneur en eau, l'eau est bon marché et vous pouvez augmenter votre rendement et vos recettes. Mais elle ne donne pas une image complète de ce qui se passe, parce qu'elle n'est pas un moteur de processus, ce qui signifie que si nous avons une migration de l'humidité ou d'autres problèmes, la teneur en eau ne sera pas en mesure de vous dire ce que vous avez besoin de savoir. 

Ce qu'il faut savoir, c'est l'activité de l'eau. Il s'agit d'une mesure de l'état énergétique de l'eau, et c'est ce qui permet aux processus de se produire - croissance microbienne, migration de l'humidité, etc.

C'est très important pour la sécurité et la qualité des produits. Il existe des limites d'activité de l'eau, en particulier dans le code alimentaire où vous devez rester en dessous d'une limite d'activité de l'eau spécifique pour que votre produit soit à l'abri de la croissance microbienne et d'autres choses de ce genre. C'est également un bon indicateur de qualité. 

Donc, si nous prenons ces deux mesures, ce que nous faisons en réalité, c'est trouver une valeur cible que le fabricant essaie d'atteindre. Si vous mesurez la teneur en eau et l'activité de l'eau, vous avez déjà déterminé la valeur à atteindre. Il suffit alors d'essayer d'atteindre cette cible.

Ces objectifs proviennent généralement de la conformité réglementaire ou des spécifications de production. Un exemple d'objectif de conformité réglementaire serait les limites de croissance microbienne. Ainsi, 0,7 pour les moisissures et 0,85 pour les microbes alimentaires potentiellement dangereux.

L'autre concerne les spécifications de production. Mais comment ces objectifs sont-ils déterminés ? Si nous nous contentons de mesurer l'activité de l'eau et la teneur en eau et que nous les reportons sur un graphique, nous obtiendrons un seul point de données. Nous savons qu'il existe une relation entre l'activité de l'eau et la teneur en eau, mais ce n'est pas tout. 

Il ne s'agit que d'un seul point de données sur l'ensemble de la carte d'humidité. Nous montrons ici un point de données représenté sur l'isotherme. Vous pouvez voir qu'il couvre toute une gamme d'activité de l'eau, qui va influencer ce qui se passe ou ce qui peut se passer dans votre échantillon. 

Voici un isotherme complet. Il est très important de savoir où se situe votre produit sur cette courbe. S'il est très proche des niveaux de croissance des moisissures ou s'il atteint une zone élevée pour les réactions de brunissement, nous devons savoir où il se trouve afin de pouvoir l'éviter.

Une autre façon de voir les choses est de penser à la sécurité et à la qualité sur l'axe X plutôt qu'à l'activité de l'eau. Et au lieu de la teneur en eau, vous pouvez penser au rendement et aux recettes. Ainsi, si nous parvenons à trouver le point idéal pour votre produit, vous pourrez maximiser ces deux mesures. 

Zachary va maintenant parler des méthodes classiques pour créer des isothermes de sorption de vapeur.

Utilisation de dessiccateurs ou d'enceintes climatiques pour créer des isothermes de sorption de vapeur

ZC : La première façon, ou la façon traditionnelle, de créer une isotherme consiste à utiliser une série de dessiccateurs ou d'enceintes climatiques. C'est une méthode que je vois beaucoup d'étudiants de troisième cycle utiliser, mais je suis également surpris par le nombre d'entreprises - même de grandes entreprises - qui continuent à utiliser cette méthode. 

Pour ce faire, il faut déterminer le taux d'humidité d'équilibre pour plusieurs activités de l'eau ou plusieurs humidités relatives différentes. Vous pouvez donc utiliser six à neuf chambres à humidité contrôlée. Il est très important de maintenir ces chambres à une température constante. 

Il s'agit ensuite de mesurer le changement de poids jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. Vous placez donc votre échantillon dans l'une de ces chambres et, tous les jours ou presque, vous devez le sortir, mesurer son poids, puis le remettre en place. Vous devrez ensuite répéter cette opération jusqu'à ce que vous atteigniez un poids constant.

Comme vous pouvez l'imaginer, cette méthode est très lente, nécessite beaucoup de travail et ne permet généralement d'obtenir que quelques points de données. 

Voici un exemple de données que vous pourriez recueillir en utilisant cette méthode. Vous remarquerez les points de données en rouge pour l'activité de l'eau par rapport à la teneur en eau. Vous remarquerez qu'il est très difficile d'adapter un modèle quelconque à ces données. Cela s'explique par le fait que cette méthode laisse beaucoup de place à l'erreur.

Création d'isothermes de sorption de vapeur avec la méthode de sorption de vapeur dynamique

Il existe une méthode plus récente, appelée DVS (dynamic vapor sorption method). Elle a été développée au début des années 90 par Pfizer pour étudier les médicaments et les excipients et comprendre leurs propriétés de sorption. 

Cette méthode est similaire à la diapositive précédente, où nous maintenons notre échantillon dans une chambre fermée et nous attendons toujours que l'équilibre soit atteint. La différence ici est qu'il s'agit d'un système automatisé, qui passe donc automatiquement d'un environnement humide à l'autre en fonction des paramètres que vous avez définis. 

Cette méthode est intéressante car elle est plus rapide et permet d'obtenir un plus grand nombre de points de données. C'est vraiment bien pour évaluer des choses comme la cinétique de sorption, ou si vous vérifiez un changement physique dépendant du temps comme la cristallisation.

Voici donc un exemple d'isotherme que j'aime montrer pour le lait en poudre séché par atomisation. J'attire votre attention sur la courbe rouge, la courbe DVS. 

Cette courbe DVS comporte environ sept points. Là encore, chacun de ces points a atteint l'équilibre. 

J'ai pensé qu'il serait un peu plus facile de comprendre cette méthode si nous regardions une image clip art pour comprendre comment ces données sont collectées. Imaginez que vous avez une chambre fermée. Dans ce cas, nous sommes à 25˚ C, mais nous pourrions examiner une gamme de températures différentes. Vous allez maintenant placer votre échantillon dans cette chambre fermée. Il peut s'agir d'un échantillon alimentaire, d'un échantillon pharmaceutique ou d'un échantillon de sol. Dans ce cas, l'activité de l'eau est de 0,3. Sous cet appareil se trouve une balance de haute précision. 

Lorsque vous effectuez un test DVS, vous pouvez poser une question telle que : combien de temps faudra-t-il à notre échantillon pour atteindre une certaine activité de l'eau ? Dans ce cas, disons, combien de temps faudra-t-il pour passer d'une activité de l'eau de 0,3 à une activité de l'eau de 0,5 ? 

Pour ce faire, nous allons ajouter de l'air humide à notre système. Nous pourrions le faire dans les deux sens, air humide ou air sec, mais comme nous devons aller jusqu'à 0,5, nous devons ajouter de l'air humide. Pour ce faire, nous pompons de l'air dans la chambre. Cette opération est contrôlée à l'aide d'un algorithme connu sous le nom de PID. Nous pouvons ensuite surveiller l'humidité relative à l'aide d'un capteur de capacité. Nous allons donc porter l'humidité relative dans cette chambre à 50 %.

Après un temps infini, cet échantillon finira par atteindre une activité de l'eau de 0,5 et par s'équilibrer avec l'humidité relative environnante.

Nous savons que ce test est terminé en observant la stabilisation et le poids. Nous allons donc attendre que l'échantillon soit complètement équilibré - il existe différentes mesures ou différents réglages que nous pouvons mettre en place pour savoir que nous avons atteint l'équilibre.

Je veux que vous gardiez à l'esprit que dans ce cas, pour le DVS, l'humidité relative de la chambre est à l'origine du changement de l'activité de l'eau. Mary va vous montrer une figure très similaire pour une méthode différente, mais cette flèche ira dans la direction opposée. 

Je tiens également à ce que vous gardiez à l'esprit que, pour le DVS, l'équilibrage se fait par le poids, car nous voulons examiner la cinétique de sorption et les changements physiques dépendant du temps. La plupart des équipements n'équilibrent donc que par le poids. Nous disposons d'un équipement ici à METER qui équilibre en fonction du poids et de l'activité de l'eau. Je suis sûr que Mary en parlera également.

Inconvénients de la méthode de sorption dynamique de vapeur (DVS)

Les inconvénients de cette méthode sont donc les suivants : 

1. Atteindre un véritable équilibre peut prendre un temps infini. Il est possible de faire certaines choses pour accélérer le processus de test, mais dès que l'on fait cela, la validité des résultats obtenus commence à être remise en question. Par ailleurs, la plupart des instruments ne s'appuient que sur le poids, comme je viens de le mentionner. La plupart des instruments ne mesurent donc pas directement l'activité de l'eau. Cela signifie qu'ils supposent que l'humidité relative de la chambre est égale à l'activité de l'eau de l'échantillon, ce qui n'est pas toujours le cas.
    
2. Le deuxième inconvénient majeur est qu'il est impossible d'identifier les changements de phase. Ainsi, si vous recherchez un point de transition vitreuse ou un type de transition de texture, il peut être presque impossible de le faire en utilisant l'une ou l'autre des deux méthodes que nous venons d'évoquer. 
    
3. Enfin, le troisième problème de ces méthodes est qu'elles ne représentent pas vraiment les conditions réelles, car dans le monde réel, les conditions sont généralement beaucoup plus dynamiques et non statiques. Vous ne recueillez donc pas vraiment de données qui représentent ce qui va arriver à votre produit une fois qu'il aura quitté votre installation. 

Nous allons maintenant parler d'une troisième méthode, appelée méthode de l'isotherme dynamique du point de rosée. Mary va nous présenter cette méthode.

Création d'isothermes de sorption de vapeur avec la méthode de l'isotherme dynamique du point de rosée

MG : Pour la méthode DDI, je vais utiliser un exemple similaire à celui de Zachary. Nous avons notre échantillon à 0,3 d'activité de l'eau dans cette chambre. Il y a également une balance de mesure de haute précision en dessous. Pour l'instant, elle est juste là, nous ne lui faisons rien. Elle va donc piloter l'humidité à l'intérieur de la chambre. Nous sommes donc à l'équilibre. Nous avons donc 0,3 pour l'échantillon et 30 % d'humidité relative dans la chambre.

Lorsque nous examinons la DDI, nous posons en fait des questions différentes de celles que nous posons pour le DVS. Par exemple, "comment mon échantillon absorbe-t-il ou libère-t-il l'humidité dans un environnement changeant ?" C'est ainsi que nous obtenons les propriétés de sorption en temps réel que nous évaluons. 

Si nous voulons savoir ce qui va arriver à notre échantillon de manière dynamique, nous allons commencer notre test ici. Comme Zachary l'a dit précédemment, nous allons mettre de l'air humide à l'intérieur de l'échantillon. Nous pourrions aussi mettre de l'air sec et sécher l'échantillon, mais dans notre exemple, nous allons utiliser de l'air humide.

Nous commençons le test en introduisant de l'air humide par impulsions. Nous spécifions généralement le débit de cet air humide. Si nous augmentons le débit, cela signifie qu'il y a plus d'eau disponible dans l'atmosphère et dans la chambre, et que l'échantillon peut absorber plus d'humidité.
Si nous ralentissons le débit, cela signifie que nous ralentissons le processus. En général, nous ralentissons le processus pour les échantillons plus hygroscopiques et nous l'accélérons un peu plus pour les échantillons qui ont une grande capacité à absorber l'humidité. 

Nous fixons également une résolution pour l'activité de l'eau. Normalement, nous le faisons à 0,01 activité de l'eau. C'est ainsi que l'instrument sait quand il doit effectuer une lecture.

Nous allons donc commencer notre test ici. Nous allons attendre un peu. Comme je l'ai dit, l'instrument va évaluer l'activité de l'eau et a cette résolution qu'il essaie d'adapter. Cela peut donc durer de cinq minutes à deux heures. C'est notre fourchette de fréquence d'échantillonnage. 

Disons que le temps passe et que nous sommes prêts à faire une lecture. Tout s'arrête à ce moment-là. Nous ne pompons plus d'air humide. Nous laissons la chambre s'équilibrer pour l'échantillon et la chambre, puis nous effectuons une lecture. 

Nous pouvons voir que l'activité de l'eau a augmenté de 0,01. C'est ce que nous voulons, car c'est notre résolution. Cela entraîne également l'équilibrage dans la chambre - notre chambre est également à 31 %. Nous prendrons une mesure du poids en même temps.

Ici, nous allons utiliser un capteur de point de rosée, qui est un capteur extrêmement précis, pour mesurer l'activité de l'eau. Dans ce cas, c'est l'échantillon qui entraîne l'équilibrage de la chambre. Nous n'allons pas laisser le poids s'équilibrer parce que nous voulons exagérer les transitions qui se produisent. Nous allons continuer à évaluer et nous allons avoir l'humidité disponible pendant que nous effectuons le test.

Lorsque nous commencerons à ouvrir les sites de liaison dont Zachary parlera, nous verrons alors un changement dans le poids du changement spectaculaire que nous pourrons utiliser comme point de transition. Cela nous aide à savoir ce qui va se passer dans l'échantillon en temps réel.

J'ai pensé qu'il serait bon de montrer un graphique chronométré de l'aspect de ces deux ensembles de données. Il s'agit de la cellulose microcristalline. Sur l'axe des X, nous regardons simplement le temps. Nous avons pris une lecture DVS puis une lecture DDI parce que la cellulose microcristalline a une relation vraiment prévisible avec l'eau, elle l'absorbe et la libère assez régulièrement, de sorte que nous n'avons pas vraiment de transitions à observer. En ce sens, cet exemple est un peu ennuyeux, mais il donne une bonne représentation de ce à quoi ressemblent les deux types de données.

Ici, les traces rouges correspondent au poids. Les traces bleues représentent l'activité de l'eau. Dans la première section, nous avons le DVS statique. Vous verrez que nous avons des lignes qui montrent où nous maintenons l'humidité et l'activité de l'eau statiques, en attendant que le poids s'équilibre. Une fois que cela se produit, nous passons au point suivant. Vous pouvez voir comment le poids augmente, s'aplanit, puis nous passons à la section suivante.

On a l'impression qu'il y a beaucoup de données ici, mais nous nous concentrons vraiment sur ces points de collaboration. Dans une isotherme DVS, nous avons en réalité 10 points de données que nous examinons, cinq pour l'absorption et cinq pour la désorption. 

Si nous nous déplaçons vers la droite, nous voyons le DDI. Il s'agit d'une belle courbe lisse, mais chacun de ces points est une donnée intéressante. Nous pouvons donc le voir en temps réel au fur et à mesure que le test progresse. Le DDI, qui consiste à faire passer de l'air desséché ou humidifié sur l'échantillon, est une technologie brevetée de METER Group. Elle permet également de suivre le poids par gravimétrie et de mesurer directement l'activité de l'eau. Nous connaissons donc toujours ces deux valeurs en cours de processus pour les caractéristiques de sorption en temps réel. Cela est très utile pour de nombreuses applications dont nous parlons.

Ici, nous obtiendrons des résultats en quelques jours, et non en semaines ou en mois, nous aurons beaucoup de points de données avec une très bonne résolution de 0,01 - et nous pouvons augmenter cette résolution si nous le souhaitons, cela prend juste un peu plus de temps. Normalement, nous nous contentons de 0,01. 

Si nous reprenons l'exemple du lait en poudre séché par atomisation montré par Zachary, nous voyons la DVS en rouge, mais regardez la DDI en bleu foncé. Vous remarquerez deux points de transition. 

Pour le lait en poudre séché par atomisation en particulier, nous avons une transition vitreuse qui se produit juste un peu après 0,4, et qui passe ensuite par une phase de cristallisation. Si nous nous fions uniquement à la DVS, nous ne verrons pas ces transitions. 

Ensuite, Zachary parlera du changement de texture.

Isothermes de sorption de l'humidité et changements de texture des produits

ZC : Merci, Mary. 

Parler de cette méthode d'isotherme dynamique du point de rosée conduit directement au changement de texture. Comme vous l'avez souligné, le lait en poudre séché par atomisation présente plusieurs transitions. Voyons comment déterminer où se produisent ces transitions. 

Pour modifier la texture, nous devons déterminer ce que nous appelons les activités hydriques critiques. Il s'agit des activités de l'eau qu'il faut éviter pour conserver la texture souhaitée. Pour les produits très secs, comme les poudres, il s'agit d'une activité de l'eau qu'il convient de ne pas dépasser pour éviter la formation de mousses et d'agglomérats ou la perte de fluidité, mais il peut également s'agir d'un produit de grignotage pour lequel on essaie d'éviter le rassissement ou la perte de croustillant ou simplement la perte de la texture souhaitée.

Nous pouvons également parler des produits à forte teneur en eau et à forte activité hydrique, comme les produits de boulangerie ou même les barres pressées à froid - des produits pour lesquels on essaie d'éviter la synérèse ou la perte de la texture souhaitée. Tout dépend du produit que l'on veut obtenir et de la direction du gain ou de la perte d'eau qui nous intéresse. 

Gardez à l'esprit que vous avez besoin d'une isotherme à haute résolution - la méthode du point de rosée dynamique - afin de déterminer exactement où se trouvent ces transitions de texture.

Laissez-moi vous montrer exactement pourquoi. Il s'agit d'une analyse de texture utilisant une isotherme dynamique de point de rosée, une isotherme de sorption pour une poudre. La première chose que vous remarquerez à propos de cette poudre est la forme de cette courbe. 

Vous constaterez que pour une très faible variation de la teneur en eau, de l'ordre de 1 %, l'activité de l'eau peut varier de 30 à 40 %. De nombreux produits présentent cette caractéristique. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles il est important de mesurer l'activité de l'eau, en raison de la résolution de cette mesure.

Si l'on prend cet isotherme et que l'on regarde la dérivée seconde, la dérivée seconde est essentiellement une analyse du taux de changement de la pente de cette courbe. La dérivée seconde nous permet d'identifier les pics sur cette courbe. Ces pics correspondent à l'activité de l'eau, là où la teneur en eau varie le plus rapidement. 

Si nous cliquons sur ce pic ou si nous le mettons en évidence, nous pouvons voir qu'il correspond à une activité de l'eau de 0,67. Cela signifie que pour ce produit, cette isotherme a été réalisée à 25 degrés Celsius. À 0,67 activité de l'eau ou 60 % d'humidité relative, il s'agit donc du point de transition vitreuse de cette poudre.

Examinons maintenant cette isotherme de plus près. La diapositive suivante représente exactement le même isotherme. Ce producteur fabriquait initialement cette poudre avec une activité de l'eau de 0,24. À cette faible activité de l'eau, le nombre de sites de liaison à l'eau est donc limité. Mais dès que l'on atteint 0,67, c'est là qu'une grande quantité d'eau peut commencer à se lier au produit. Et si l'on monte encore plus haut dans l'isotherme, c'est là que l'on obtiendra un mottage et un agglutinement importants pour ce produit. Si je travaillais avec ce producteur de poudre, je l'encouragerais même à augmenter l'activité de l'eau de son produit, parce qu'il peut sans risque augmenter son activité de l'eau et légèrement augmenter sa teneur en humidité, tout en restant bien en dessous de ce point de transition texturé.

L'utilisation d'isothermes de sorption pour vérifier dans quelle mesure les films et les revêtements retiennent ou repoussent l'humidité

J'ai ajouté quelques autres exemples pour les transitions de texture ou pour des choses comme les enduits et les films. L'exemple suivant concerne les isothermes des myrtilles. Ici, nous examinons les courbes de désorption. Nous essayons donc de comprendre comment ces myrtilles retiennent l'eau. 

Si vous regardez à l'extrême droite, cette courbe correspond à des myrtilles sans aucune pellicule. Leur teneur en eau est donc légèrement inférieure, en haut de la courbe. Vous remarquerez qu'elles ont un point critique d'environ 0,27 activité de l'eau. Cela signifie qu'une fois que ces myrtilles sont dans une humidité relative d'environ 27%, elles vont avoir une chute soudaine de l'humidité.

Si l'on ajoute un film ou un enduit à ces myrtilles, on remarque deux choses. Tout d'abord, le taux d'humidité initial est légèrement plus élevé et l'activité critique de l'eau est plus faible. Il faudra donc un environnement encore plus sec, avec une humidité relative d'environ 24 %, pour que les myrtilles commencent à perdre leur humidité. J'ai donc pensé qu'il s'agissait d'un très bon exemple si vous souhaitez essayer de conserver l'eau à l'intérieur d'un produit.

Maintenant, nous pouvons considérer l'exact opposé, en essayant d'empêcher l'eau d'entrer dans un produit. Voici donc un exemple de données recueillies pour les semences. 

Ainsi, en bleu, vous verrez des graines non enrobées où l'eau est capable de pénétrer dans ces graines et où la teneur en eau est plus élevée pour une même activité de l'eau que dans le cas de graines enrobées différemment. Qu'il s'agisse d'empêcher l'eau de pénétrer dans un produit ou de la faire sortir, les isothermes peuvent être une excellente méthode pour comprendre l'efficacité de votre enrobage ou de votre film. 

Ensuite, nous allons parler de la durée de conservation et du choix de l'emballage, je vais donc passer la parole à Mary.

Utilisation des isothermes de sorption de vapeur pour analyser la durée de conservation et les performances des emballages

MG : On me demande souvent comment calculer la durée de conservation. 

Pour faire le calcul, il faut tenir compte des propriétés de sorption du produit, de l'isotherme en particulier, et des conditions de stockage. Il faut savoir ce que va subir ce produit. Donc : la température, l'humidité relative, la pression atmosphérique, et enfin l'emballage. Pour cela, nous avons besoin de la surface, de la masse du produit dans l'emballage et du très important taux de transmission de la vapeur d'eau.

L'emballage est donc ce qui va protéger votre produit des conditions extérieures. Si vous avez un bon emballage, il limitera la vapeur qui peut passer à travers. 

Commençons donc par la manière dont j'effectue ce calcul. Je commence donc par générer une isotherme. Il s'agit d'une isotherme pour le granola. Je ne m'intéresse qu'à l'absorption. J'ai donc créé un fichier contenant uniquement l'absorption. Maintenant, je veux savoir si, pour mon produit, la durée de conservation d'une barre de céréales sera limitée par son changement de texture. Il s'agit d'une barre granola croquante, et nous ne voulons pas qu'elle se périme, qu'elle devienne molle ou autre. C'est donc la texture qui mettra fin à la durée de conservation.

Ainsi, lorsque nous examinons cet isotherme, il peut être difficile de déterminer les transitions spécifiques qui se produisent. Nous utilisons donc la dérivée seconde de Savitzky-Golay. Il s'agit essentiellement d'évaluer le changement de pente et de mettre en évidence les pics et les vallées dans ce graphique inférieur en bleu. 

On me pose souvent cette question, car vous remarquerez qu'il y a deux pics. Les pics signifient qu'il y a une absorption d'eau. Nous augmentons l'humidité. On me pose la question suivante : lequel dois-je choisir ? Il y a le plus petit qui se situe à un peu plus de 0,4. Et puis il y a le plus grand, après 0,7.

On pourrait avoir tendance à choisir la valeur la plus élevée, mais en réalité, nous voulons savoir à quel moment la transition a lieu en premier. L'activité de l'eau de cette barre de céréales à l'état naturel est d'environ 0,2. Donc, au fur et à mesure que nous augmentons l'activité de l'eau, nous voulons savoir à quel moment cette transition se produira. 

Je veux donc utiliser la première transition. Et la première transition est juste là, à 0,42 d'activité de l'eau. C'est donc celle que je vais utiliser dans mes calculs. Je ne vais pas utiliser la plus grande, parce que le temps que nous arrivions à ce point, il y a déjà eu un changement.

C'est très bien. Voici donc la calculatrice que nous utilisons ici à METER. Vous pouvez voir certaines des informations. Nous allons reprendre un peu ce que j'ai dit précédemment. 

Pour ma barre de céréales, l'humidité sera celle que j'ai choisie, soit 65 % d'humidité relative. Nous avons une pression atmosphérique de niveau C de 100 kPa, et ma température sera de 25 degrés C. Il s'agit d'une petite barre de céréales, nous avons donc un très petit échantillon, 35 grammes. La surface de cet échantillon est également très petite, mais nous sommes en mètres carrés. Tout va donc bien.

J'en ai choisi un comme taux de transmission de la vapeur d'eau, qui est en fait un très bon conditionnement en grammes de mètre carré par jour. Nous allons commencer par l'activité initiale de l'eau dont j'ai parlé. Le point de départ naturel est donc 0,2. Ensuite, la durée de conservation critique. C'est là que l'activité de l'eau, une fois qu'elle a atteint ce point, met fin à la durée de conservation. J'ai mis 0,42 parce que je veux que ce soit facile à suivre. Vous pouvez voir où j'ai obtenu ce point de données. Je suis d'accord avec Zachary pour dire que je ne mettrais probablement pas 0,42, parce qu'au moment où il atteint ce point, il commence déjà à se transformer un peu. Nous ne voulons pas qu'il soit si proche.

Je recommanderais donc de réduire un peu cette activité critique de l'eau, peut-être à 0,4 ou 0,38, quelque chose comme ça, juste pour s'assurer que nous ne nous approchons pas de cette transition. Mais pour cet exemple, nous allons la maintenir à 0,42. 

Dans cet isotherme, je l'ai élagué. Vous pouvez voir qu'il n'a pas l'activité de l'eau la plus élevée. Je vais me concentrer sur la zone qui m'intéresse. La plage d'activité de l'eau qui m'intéresse, et je veux m'assurer que je modélise bien entre le point de départ et le point critique. Je peux ainsi obtenir une bonne représentation de ces données. 

Nous allons donc regarder ici. Nous aimons utiliser le DLP, qui est un polynôme à double logarithme. Et nous avons ici une valeur R au carré vraiment excellente de 0,9996. Il s'agit donc d'une très bonne adéquation. Vous pouvez utiliser d'autres équations de modélisation comme le GAB ou le BET. Celles-ci présentent certaines limites. Mais ce qui nous importe avant tout, c'est d'obtenir un bon ajustement aux données, car c'est ainsi qu'il sera possible de bien les prédire. Peu importe donc ce que c'est, tant que cela permet de modéliser correctement les données.

Revenons-en au point où nous en étions. Maintenant, lorsque j'introduis cet isotherme, je vais introduire celui qui a été découpé. Je veux mettre celui qui aura une très bonne adéquation avec le modèle. Et à partir de là, je vais calculer la durée de conservation. 

Lorsque je fais cela pour cette barre granola dans ces conditions, la durée de conservation est de 151 jours. Cela représente environ cinq mois. Ce n'est donc pas si mal, mais disons que ce n'est pas tout à fait ce que vous espérez. Peut-être espérez-vous que ce granola se conserve une année entière. Alors, comment calculer cela ? Que pouvons-nous changer ? Dans ce cas, c'est très facile. Ce que nous changerions, c'est le taux de transmission de la vapeur d'eau. Nous pouvons donc l'utiliser pour déterminer l'emballage qui nous donnera la durée de conservation dont nous avons besoin.

Il s'agit donc d'un calcul similaire, mais avec les mêmes données que précédemment, mais au lieu du taux de transmission de la vapeur d'eau, nous allons mettre la durée de conservation que nous cherchons à obtenir. Nous allons mettre cette même isotherme réduite qui a un bon ajustement de modèle, pousser le calcul. 

Nous savons maintenant que si le taux de transmission de la vapeur d'eau dans notre emballage est de 0,42, il nous donnera une durée de conservation d'un an dans ces conditions. Et c'est très similaire à ce que serait un emballage en ligne avec une feuille d'aluminium. Cela correspond donc très bien à la réalité. 

Ensuite, Zachary parlera de la valeur commerciale des isothermes.

Comment maximiser la teneur en eau pour obtenir des bénéfices en utilisant les isothermes de sorption de vapeur ?

ZC : Très bien. C'est donc la dernière partie de notre webinaire d'aujourd'hui. 

Les isothermes permettent d'obtenir une valeur commerciale de bien des manières différentes. Aujourd'hui, nous nous sommes beaucoup concentrés sur la texture de la durée de conservation. Mais j'ai essayé de résumer en trois points clés les façons dont je vois les clients utiliser les isothermes. 

La première chose à faire pour ajouter de la valeur commerciale est donc simplement de maximiser la teneur en humidité pour réaliser des bénéfices. Vous pouvez donc utiliser un isotherme pour déterminer la quantité maximale d'humidité que vos produits contiennent tout en maintenant votre qualité et votre sécurité. Vous pouvez donc utiliser un isotherme pour comprendre la quantité maximale d'humidité que vos produits peuvent contenir tout en maintenant leur qualité et leur sécurité, c'est-à-dire en conservant une texture idéale ou en empêchant certaines réactions chimiques de se produire, tout en maintenant la sécurité et en restant en dessous de la limite microbienne.

De nombreux produits sont vendus en fonction de leur poids, en particulier dans l'industrie alimentaire. Par conséquent, plus vous vendez d'eau, plus vous augmentez vos revenus. 

C'est assez simple. L'eau est l'ingrédient le moins cher de votre formulation. Par conséquent, si vous êtes en mesure d'augmenter la quantité d'eau, cela peut contribuer à accroître vos revenus. 

Voici donc un exemple de ce que vous pouvez faire. La première étape consiste à établir des garde-fous. Je veux dire par là qu'il faut fixer les fourchettes acceptables d'activité de l'eau et de teneur en eau. Voici un exemple pour le cannabis. Nous observons ici la courbe de désorption. L'activité de l'eau idéale se situe entre 0,56 et 0,63. Nous le savons parce que pour ce produit spécifique, si vous descendez en dessous de cette activité de l'eau, vous perdez en qualité. Vous commencez à perdre des terpènes et la qualité du bourgeon n'est plus la même. Si vous dépassez cette activité de l'eau, vous perdez en sécurité. Il s'agit donc d'une région où l'on peut commencer à observer des moisissures et une croissance microbienne.

Une fois que nous avons défini notre plage idéale d'activité de l'eau, et si nous utilisons l'isotherme de désorption, nous pouvons la relier à la teneur en eau. C'est important, car tout ce qui est inférieur à cette teneur en eau idéale représente une perte de rendement et de revenus. 

Ainsi, en utilisant cette isotherme et en ayant une certaine connaissance de l'activité de l'eau, nous sommes en mesure de trouver le point idéal pour optimiser tous les éléments que nous voulons prendre en compte.

La deuxième étape consiste à réduire les variations dans la production. Une fois que nous avons fixé la teneur en eau cible à l'aide de notre isotherme, il est très important de commencer à augmenter la surveillance de votre produit pendant la production. Il en résulte trois choses : une réduction des variations, une augmentation de la teneur en eau et des produits plus sûrs. 

Permettez-moi de vous montrer exactement ce que je veux dire. Voici un exemple où le taux d'humidité moyen est de 9 %. La variation est de plus ou moins 1 %. Vous remarquerez que certains produits dépassent leur limite de sécurité et que la production varie considérablement.

Si vous commencez à surveiller ce phénomène et à augmenter votre taux d'humidité, vous obtiendrez les résultats suivants. 

Vous avez donc maintenant une teneur en eau moyenne de 0,95 %, une fourchette plus petite, de plus ou moins 0,5 % de teneur en eau. Et vous empêchez également certains de vos produits de dépasser cette limite de sécurité. 

Prenons un exemple concret. Il s'agit d'un exemple de valeur commerciale pour une entreprise d'aliments pour animaux aux États-Unis. Sa production annuelle est très importante. Lorsque nous avons commencé à travailler avec cette entreprise, elle avait pour objectif un taux d'humidité d'environ 10 %. 

En examinant l'isotherme et en fixant un nouvel objectif d'activité de l'eau, nous avons pu montrer à cette entreprise qu'elle pouvait produire à 10,4 % tout en maintenant sa sécurité et sa qualité. Il suffit donc d'un petit changement dans la teneur en eau.

Mais examinons les incidences financières. Voici un exemple de graphique très similaire à la dernière diapositive, où vous pouvez voir l'augmentation de la teneur en humidité, la réduction de la variation. On ne le voit pas aussi bien ici, mais cela permet également d'éviter que les produits ne dépassent leur limite de sécurité. 

Ainsi, parce que cette entreprise a pu commencer à remplacer ses matières premières par de l'eau, elle a réalisé d'importantes économies sur les matières premières, et parce qu'elle paie beaucoup pour les matières premières ou les ingrédients, au bout d'un an, elle a obtenu une augmentation du rendement annuel de plus d'un million de dollars pour ce produit ou pour cette formulation. 

J'aime beaucoup cet exemple, car il montre comment une très petite variation de la teneur en eau peut avoir un impact considérable sur les finances d'une entreprise.

Comment utiliser les isothermes de sorption de vapeur pour accélérer les processus de formulation des produits et réduire les coûts de R&D ?

La deuxième façon dont les isothermes peuvent apporter une valeur ajoutée aux entreprises consiste à accélérer les processus de formulation et à réduire les coûts de recherche et développement. 

Je suis donc heureux que Mary soit revenue vous montrer la modélisation, car celle-ci peut être utilisée pour quantifier la migration de l'humidité d'un nouveau produit, visualiser l'isotherme d'une nouvelle recette et prédire l'activité de l'eau à l'état d'équilibre. Toutes ces choses peuvent donc être réalisées avant même de fabriquer le produit final. Il suffit de disposer d'une isotherme pour chacun des ingrédients.

Voici donc un exemple d'utilisation de l'outil de mélange d'ingrédients DLP. Dans ce cas, nous allons nous intéresser aux barres pressées à froid. 

Imaginez donc que vous prépariez une barre de pression à froid. Nous allons utiliser trois ingrédients pour rester simples, mais vous pouvez en ajouter autant que vous le souhaitez. Ici, nous avons donc de la pâte de dattes, des myrtilles et des noix de cajou. Il suffit d'indiquer leur activité hydrique, leur teneur en eau initiale. Vous pouvez également ajouter une masse. Cela nous permet d'examiner différents rapports de masse. 

Lorsque vous entrez ici et que vous cliquez sur calculer, les isothermes s'affichent. Nous avons donc ici les isothermes pour la pâte de dattes, les myrtilles et les noix de cajou. En utilisant ces informations et en les modélisant, nous pouvons obtenir une isotherme combinée. Nous pouvons ainsi commencer à comprendre le produit final avant même de le fabriquer. Nous pouvons également obtenir un équilibre ou une activité finale de l'eau.

En dessous de ce graphique, il y a quelques informations supplémentaires. Vous verrez à nouveau l'activité finale de l'eau ainsi que les coefficients de l'isotherme. Ces coefficients ont été affichés sur l'écran que Mary a présenté pour la modélisation, mais ils peuvent également être utilisés dans le calculateur de durée de conservation que Mary a présenté, afin que vous puissiez prédire la durée de conservation et commencer à réfléchir à vos besoins d'emballage pour un produit qui n'a pas encore été fabriqué.

Enfin, à droite, il s'agit d'informations sur la teneur en eau. Vous pouvez ainsi comprendre la direction dans laquelle l'eau se déplace entre vos ingrédients. Voici un exemple ou un récit d'une entreprise utilisant ce type de technologie. 

C'est ce que me répètent sans cesse les scientifiques de la recherche et du développement. La mise sur le marché de nouveaux produits prend tout simplement trop de temps. En utilisant les isothermes, vous pouvez comprendre ces produits beaucoup plus rapidement et comprendre les problèmes que vous pouvez rencontrer avant qu'ils ne se produisent. Et la valeur commerciale ici est simplement de pouvoir lancer des produits plus rapidement. 

Ainsi, cette entreprise a déclaré qu'elle pouvait commercialiser ses produits cinq fois plus rapidement, passant d'un délai de production de cinq mois à un mois pour chaque nouveau produit. Et dans de nombreux cas, cela leur a permis d'être les premiers à commercialiser de nouveaux produits ou de nouveaux arômes.

Comment les isothermes de sorption de vapeur peuvent prévenir les rappels de produits et d'autres problèmes de sécurité et de qualité

D'accord. Enfin, le troisième exemple de valeur commerciale apportée à votre entreprise par l'utilisation des isothermes est tout simplement le fait de pouvoir se détendre et de savoir que votre produit va pouvoir conserver sa sécurité et sa qualité une fois qu'il aura quitté vos installations. 

L'analyse isotherme permet donc aux entreprises de prévenir les changements de texture indésirables, comme nous l'avons vu, d'éviter les rappels, notamment en raison de défis microbiens ou de problèmes microbiens, et de prendre à nouveau des décisions en matière de durée de conservation et d'emballage, comme nous l'avons vu précédemment.

Il s'agit donc d'une brève description de chacun d'entre eux. 

La première concerne une entreprise de protéines en poudre. Nous voyons cela tout le temps. Beaucoup d'entreprises sont confrontées à des problèmes de mottage et d'agglutination ou de perte de fluidité. Dans le cas présent, ce problème concernait 5 à 10 % de la production totale de l'entreprise. En conséquence, elle a dû soit retravailler son produit, soit s'en débarrasser. Et sa réputation en a souffert dans de nombreux cas. La solution a consisté à utiliser des isothermes. Ils ont compris qu'ils produisaient bien trop près de leur point de transition vitreuse. Grâce à cette information et à l'utilisation des isothermes pour prendre les bonnes décisions en matière d'emballage, ils ont maintenant moins de 0,1 % d'agglutination. Ce problème, qui coûtait plus de 500 000 dollars en produits perdus l'année précédente, a été réduit grâce à l'utilisation du bon type de données et d'informations.

L'exemple suivant concerne une entreprise de snacks sains. Cette entreprise a procédé à un rappel en raison de plaintes de ses clients concernant des moisissures. Nous avons donc examiné ce produit et, en effectuant une analyse isotherme, nous avons pu constater qu'une température d'environ 35 degrés Celsius entraînait une activité de l'eau supérieure à 0,7. Si cette entreprise avait utilisé les isothermes auparavant, elle aurait pu comprendre la relation entre l'activité de l'eau et la température. Aujourd'hui, cette entreprise utilise les isothermes pour définir les spécifications de ses produits et comprendre exactement quelles sont les températures à éviter. Ce premier rappel a coûté plus de 700 et 50 000 dollars. Ce problème aurait pu être évité si l'équipe de R&D avait eu ces informations à l'avance.

Le dernier exemple concerne une entreprise d'emballage. Cette entreprise travaillait avec un client qui souhaitait utiliser un emballage plus respectueux de l'environnement, et elle a pu utiliser les isothermes pour comprendre rapidement le taux de transmission de vapeur d'eau dont elle avait besoin pour maintenir la durée de conservation souhaitée.

C'est une bonne chose, car cette entreprise peut aider ses clients à changer d'emballage en toute confiance, ce qui leur permet de gagner du temps en matière de recherche et de développement et d'éviter tout problème à l'avenir. C'est ce que je vois souvent, surtout maintenant que les entreprises changent d'emballage, que ce soit parce qu'elles veulent quelque chose de plus respectueux de l'environnement ou parce qu'elles ont des problèmes pour obtenir l'emballage dont elles ont besoin et qu'elles doivent passer à quelque chose de nouveau. 

Nous allons donc terminer par un résumé. Je vous laisse y revenir, Mary.

Résumé et conclusions

MG : Oui. Nous espérons que vous avez compris pourquoi la teneur en eau et l'activité de l'eau peuvent vous donner beaucoup plus d'informations qu'un seul point de données si vous ne faites qu'une lecture de l'une ou l'autre de ces données. 

J'espère que vous comprenez maintenant les différentes façons de créer une isotherme et que vous pouvez commencer à réfléchir à la manière de l'interpréter et de l'utiliser. Et étonnamment, même si je sais que cet article est très long et contient beaucoup d'informations, Zach et moi n'avons même pas abordé toutes les choses que vous pouvez faire avec l'isotherme. Jetez donc un coup d'œil à notre site web et vous pourrez y trouver des informations plus spécifiques sur les produits ou nous contacter. 

Nous voulions nous concentrer sur la prédiction des changements de texture et la prédiction de la durée de conservation, car ce sont les questions les plus fréquentes que nous recevons. 

Avec un peu de chance, vous avez également pu commencer à réfléchir à la manière d'extraire une valeur commerciale des isothermes.

Q&R #1 : Les données isothermes peuvent-elles être découpées dans le logiciel METER, ou faut-il utiliser un programme externe ?

MG : Non, c'est dans le logiciel, ce qui est très bien. Il n'est pas nécessaire d'exporter. Vous pouvez le faire, mais vous pouvez faire une tonne de choses dans le logiciel. 

Ainsi, pour découper vos données, déterminer les ajustements de modèle et générer l'analyse des points de transition, tout cela se trouve dans le logiciel. C'est donc très pratique. Vous n'avez pas besoin de l'exporter et de le retravailler dans Excel.

Q&R #2 : Comment créer une isotherme pour les produits de boulangerie s'il y a migration d'humidité alors que la teneur en humidité reste stable en raison d'un bon matériau d'emballage ?

MG : C'est une excellente question, car il y a une migration de l'humidité dans le produit. Et cela finit par s'équilibrer. 

Mais si vous avez un problème où cela n'est pas souhaitable après l'emballage et qu'une fois l'équilibre atteint, ce que nous pouvons faire et ce que je suggérerais d'exécuter l'isotherme, c'est de séparer les deux et d'exécuter deux isothermes différentes sur la mie et la croûte, et vous serez alors en mesure de voir où se trouvent les points critiques individuellement. Vous pourrez alors voir où se situent les points critiques et, avec un peu de chance, vous pourrez formuler des recommandations. 

Cela prendra un peu de temps, mais vous pouvez les formuler de manière à ce qu'ils finissent par être un produit équilibré qui satisfait les deux parties. Et vous pouvez en fait utiliser l'exemple de mélange d'ingrédients que Zachary a donné pour les barres dans ce cas.

Q&R #3 : Ai-je vraiment besoin d'isothermes ? Nous utilisons une méthode d'essai et d'erreur qui nous permet de nous faire une idée de l'aspect des choses, de leur goût, etc.

ZC : Je pense donc que l'on peut gagner beaucoup de temps en commençant par l'isotherme et en identifiant le point critique. 

Nous avons effectué de nombreuses analyses qui nous ont permis d'identifier le point critique, disons pour une poudre de cacao ou autre, et de maintenir cette poudre à l'humidité relative qui provoquera ce changement de texture. Ensuite, nous soumettons les produits à un panel sensoriel pour voir s'ils remarquent une différence. Et en général, la différence est parfaite. Nous constatons donc une corrélation entre le panel sensoriel et le maintien du produit à ce point critique.

Dans la plupart des cas, j'ai donc constaté qu'il y avait une corrélation. Et si vous commencez par l'isotherme, j'espère que ce webinaire vous montrera qu'en utilisant la méthode dynamique, vous pouvez localiser et connaître exactement la température et l'humidité relative qui vont conduire à un changement critique ou à un changement de texture ou à n'importe quel type de changement que vous recherchez pour ce produit. 

Je pense donc que vous pouvez gagner beaucoup de temps en commençant par l'isotherme. Avez-vous quelque chose à ajouter, Mary ?

MG : La seule chose que j'ajouterais, c'est que nous avons montré la carte de l'humidité au tout début, qui montre comment l'activité de l'eau est liée à certains processus qui peuvent se produire et les exacerbe. 

Si vous savez où vous en êtes, vous pouvez prendre en compte toutes ces informations. Vous pouvez exécuter l'isotherme, obtenir l'activité critique. Peut-être que l'oxydation des lipides est un problème pour votre poudre ou un problème de brunissement. Vous pouvez ensuite rassembler toutes ces informations pour essayer de formuler un produit qui aura une longue stabilité.

Q&R #4 : Avez-vous des suggestions pour le durcissement des barres protéinées en fonction de la teneur en eau et de l'activité de l'eau, tout en gardant à l'esprit une bonne durée de conservation ?

ZC : Oui. Si votre barre protéinée durcit, c'est probablement qu'elle perd de l'humidité. Si vous vous souvenez de l'exemple des myrtilles, il y a un point critique où l'on commence à perdre beaucoup d'eau dans ce produit. 

Il peut en être de même pour cette barre où l'on atteint un point critique de désorption qu'il faut dépasser. Ainsi, même si une grande partie de ce que nous avons étudié aujourd'hui concernait l'absorption, même dans les calculs de durée de conservation que Mary a examinés, nous pouvons procéder dans la direction opposée. Nous pouvons utiliser une courbe de désorption et évaluer les différentes conditions et la manière dont elles peuvent entraîner l'élimination de l'eau de votre produit. Nous sommes donc en mesure d'étudier l'adsorption ou la désorption dans les deux sens, l'absorption ou la perte d'eau. Il suffit d'effectuer le bon test et de recueillir les bonnes données.

Prochaines étapes

Article connexe : Introduction à l'activité de l'eau (aw) : Guide du débutant sur le rôle de l'activité de l'eau dans la qualité des aliments 

Voir l'analyse complète de l'isotherme de sorption d'humidité AQUALAB VSA