Pourquoi conserver les aliments ?

On définit des aliments tels que la viande, le poisson et le lait comme périssables, car leur durée de stockage à température ambiante ne peut pas dépasser 1 à 2 jours. Les fruits et les légumes sont semi-périssables (stockage de 1 à 2 semaines) tout comme les légumes racines tels que les carottes ou les panais (3 à 4 semaines). Les aliments non périssables que l’on peut conserver au moins 12 mois sont les graines ou les noix par exemple. Pour éviter la détérioration des aliments, l’Homme a dû inventer des moyens de conservation.

Mais qu’est ce qui entraine la détérioration des aliments ? Quelles sont ces détériorations ? Et pourquoi apparaissent-elles ? Ces détériorations et leurs causes sont en fait multiples, ainsi que leurs conséquences.

La vie des aliments

Les détériorations pouvant affecter nos aliments sont de différents types : mécaniques (fissures, chocs), physiques (cristallisation, déphasage), chimiques (perte de couleur, de nutriments, perte et changement de goût, rancissement, oxydation), enzymatiques (brunissement) et microbiennes (prolifération de bactéries et de toxines, changement du goût). L’ensemble de ces détériorations peut intervenir tout au long de la vie du produit. C’est à dire à partir de sa production, puis lors de son ramassage, son transport et jusqu’à son entreposage. Les aliments sont donc soumis à de nombreux maux tout au long de leur vie, qui ne se résume pas seulement à ceux rencontrés chez nous.

Les causes de ces détériorations sont les facteurs environnementaux avec lesquels les aliments interagissent : température, humidité, chocs, oxygène, et les organismes vivant. Parmi ces derniers, on peut citer les micro-organismes (champignons, bactéries) qui provoquent des contaminations (comme les mycotoxines¹), mais aussi les insectes ou les rongeurs qui peuvent soit manger les aliments² (mites alimentaires, rats, souris), soit propager des maladies (quoi que plus rare dans notre pays, à notre époque³).

C’est par le contrôle de ces facteurs environnementaux que l’Homme a réussi à améliorer la conservation des aliments, ainsi que les risques sanitaires directement liés. Trois stratégies ont ainsi été mises en place :

1. Eviter les contaminations et détériorations mécaniques : protéger physiquement par empaquetage.
2. Inactiver les micro-organismes : stériliser grâce à la pasteurisation, l’irradiation⁴, la friture, la salaison ou l’enfumage.
3. Inhiber (limiter) les détériorations chimiques et biologiques : réduction de l’oxygène (emballage sous vide ou sous atmosphère contrôlée, conservation dans la graisse), acidification (conserves au vinaigre), réduction de l’eau (le séchage permet d’éviter aux micro-organismes de se développer) ou conservation dans le froid (diminution de la vitesse des réactions chimiques ou du développement des micro-organismes).

Certaines des solutions évoquées peuvent avoir plusieurs usages. L’enfumage permet à la fois de tuer les micro-organismes, produire des molécules inhibant les microorganismes et réduire la teneur en eau des produits qui seront alors moins favorables au développement de micro-organismes.

Stratégies pour la conservation des aliments

Nous allons nous concentrer dans la suite sur l’utilisation du froid : la réfrigération. Le froid permet principalement de limiter les proliférations bactériennes et de limiter les réactions chimiques. En effet, quand la température baisse, les réactions chimiques sont plus lentes. La conservation en est alors améliorée.

L’utilisation du froid avant le moyen âge

Le froid a été très vite identifié comme un bon moyen de conservation, mais pour des raisons techniques, son utilisation à grande échelle devra attendre le siècle dernier. L’Homme a dû dans un premier temps se contenter de garder le froid que la nature lui procurait.

Mille ans avant notre ère, les chinois utilisaient déjà des caves creusées dans la glace pour conserver et congeler des denrées⁵. Des documents de la dynastie des Zhou décrivent les récoltes de glace l’hiver qui était ensuite utilisée pour refroidir les boissons pendant l’été⁶. Les traces écrites d’un dessert glacé fabriqué à partir de lait de buffle, de farine et de camphre ont été datées comme contemporaines de la dynastie des Tang (618-907 avant notre ère). Dans la région de l’Irak actuel, des caves servaient à conserver la glace il y a 2000 ans et existent encore. Les Perses creusaient aussi des fosses dans le désert, où l’eau gelait pendant les nuits glaciales⁶. Les boissons sucrées et refroidies avec de la glace étaient produites en Perse au 2^ème siècle⁶. Les romains et les grecs utilisaient des caves dans lesquelles était compressée de la neige afin de la conserver plus longtemps avec l’arrivée des mois chauds⁷. L’utilisation de caves dans le permafrost, c’est-à-dire les terres gelées en permanence, est encore d’actualité chez les Inuits⁷.

Création du froid

La première production de froid a été rendue possible par la découverte du refroidissement de l’eau par la dissolution de sels. Il suffisait alors de plonger à l’intérieur de ce mélange le récipient que l’on désirait refroidir. Un bain-marie mais pour le froid. Ce phénomène est mentionné dans un poème indien du 4^ème siècle avant notre ère, et est décrit en détail dans un manuel médical arabe à partir de 1242 : Uyūn al-anbāʼfīṭabaqāt al-aṭibbā. Le Livre d’Ibn Abi Usaybi’ a décrit la vie des médecins, chimistes et physiciens de Grèce, du Moyen et d’Extrême Orient. Il y parle d’une solution de sulfate de fer (un sel) qui permet de geler l’eau même en juin et juillet⁸.

Les sels sont des cristaux qui sont composés d’ions. Les ions sont des atomes qui ont gagné ou perdu des électrons. Ils sont ainsi chargés électriquement. Au sein des cristaux, les ions sont fortement attachés les uns aux autres. Afin de les séparer, il faut de l’énergie. Pour cela, les cristaux « pompent » de l’énergie dans l’eau pour se dissoudre. Cette énergie est présente dans l’eau sous forme de chaleur et en pompant cette énergie, la température baisse (voir vidéo de l’éxpérience).

Le sel de table (chlorure de sodium - NaCl), le salpêtre (nitrate de potassium - KNO₃), le chlorure d’ammonium (NH₄Cl) ou l’alun (un mélange de sulfate d’aluminium et de potassium- KAl(SO₄)₂) étaient ainsi utilisés. L’énergie mise en jeu pour la dissolution des cristaux dans l’eau est appelée « l’enthalpie de dissolution». Cette énergie est mesurée en Joules.

Le sel de table (NaCl) pompe 66,4 joules par gramme de sel dissout et le nitrate de potassium (KNO₃) 345,1 Joules par gramme (soit 5 fois plus). Pour faire baisser d’un degré un kilogramme d’eau (soit un litre), il faut 4185 joules⁹. Ainsi pour dissoudre 100 g de sel il faudra qu’il pompe 100*66,4=6640 joules. Si cette dissolution se fait dans un litre d’eau, cette dernière perdra 6640/4185 = 1,6 °C. Il est ainsi aisé de voir qu’avec d’autres sels comme le KNO₃, une quantité bien plus importante d’énergie peut être pompée pour les mêmes proportions de sel et d’eau = 100x345,1/4185=8°C.

La technique de dissolution de sels arriva en occident au 16^ème siècle. Ainsi les premiers desserts glacés et sorbets sont apparus à Paris, Naples, Florence et en Espagne au cours des années 1660. Cependant pour la conservation dans le froid, on continua à utiliser la glace naturelle jusqu’au 19^èmesiècle. A cette époque, la glace provenait des rivières et des lacs de Norvège, Suède, Canada et du nord des Etats-Unis, avant d’être étaient expédiée dans les villes d’Europe, des Etats-Unis et jusqu’à Calcutta.

Les premiers réfrigérateurs modernes à gaz

Les premières techniques de réfrigération artificielle sont attribuées à l’américain Jacob Perkins en 1835. Le principe est basé sur la compression et la décompression de gaz comme le propane ou l’ammoniac. Plus tard, les français Ferdinand Carré (en 1850) puis Charles Tellier (en 1858) améliorèrent encore la technique à partir de ces mêmes gaz. Il faudra cependant attendre 1876 pour que l’américain Carl von Linde mette au point le réfrigérateur tel que nous le connaissons aujourd’hui. Enfin, c’est en 1913 qu’est fabriqué le premier réfrigérateur de série : le « Domelre ». Le mot frigidaire ou frigo provient du nom de la marque ayant popularisé les réfrigérateurs en France. Les gaz utilisés ont été remplacés par la suite par des liquides frigorifiques comme les chlorofluorocarbures car ils étaient plus efficaces (aussi appelés CFC). Si ces derniers ont été remplacés depuis pour des raisons écologiques, le principe des réfrigérateurs domestiques est toujours basé sur le même principe de compression et décompression de gaz.

Décomprimer un gaz le fait se refroidir

Fonctionnement du réfrigérateur

Echange de chaleur

La chaleur traduit le comportement des atomes au sein de la matière. Pour simplifier prenons l’exemple de l’eau :

• Sous forme de vapeur (gaz), les molécules sont les agités du fond de la classe. Ça bouge dans tous les sens, ça chahute. Les molécules sont éloignées les unes des autres et s’entrechoquent fortement.
• Sous forme d’eau (liquide) les élèves sont un peu moins dissipés. Ils sont assis, mais ça bavarde encore pas mal. Ce sont les élèves du milieu de la classe. Les molécules s’entrechoquent plus gentiment.
• Sous forme de glace (solide), ce sont les lèches bottes juste devant le bureau du prof. Bien sages, bien regroupés, ils ne bougent pas et pas une mèche ne dépasse. Les molécules sont rangées les unes dernières les autres et ça ne bouge pas beaucoup.

En mettant en contact de la glace et de la vapeur, il y a un échange de chaleur. Les molécules sous forme de vapeur vont heurter et taper les molécules des glaçons, qui vont à leur tour commencer à s’agiter de manière plus importante. Et à fondre. Même les élèves les plus sages peuvent se faire influencer par les perturbateurs et commencer à bavarder. Bien entendu, à force de donner de l’énergie aux premiers de la classe, les agitateurs vont se fatiguer et se calmer. Il y a un transfert de chaleur.

Le transfert de chaleur correspond à un transfert d’agitations de molécules.

Le principe des systèmes de réfrigération est de transférer la chaleur. En effet, il s’agit de refroidir un endroit (l’intérieur du frigo) pour en réchauffer un autre (l’extérieur du frigo). Pour cela un fluide frigorifique va se réchauffer dans le frigo (et refroidir ce dernier) pour se refroidir à l’extérieur et réchauffer l’air ambiant.

Transfert de chaleur

Il est aisé de comprendre que pour créer de la vapeur d’eau, on doit chauffer de l’eau en apportant de l’énergie. A l’inverse, pour se refroidir et devenir liquide, la vapeur doit donner de l’énergie. Quand la buée se condense sur une vitre, la chaleur de la vapeur se dissipe sur les parois (qui se réchauffent) et la vapeur devient de l’eau liquide.

Dans un réfrigérateur, le principe est de pomper la chaleur à l’intérieur de ce dernier et de la transférer à l’extérieur. Pour cela, un double transfert de chaleur s’effectue par l’intermédiaire de la circulation d’un fluide frigorifique dans un circuit.

1. Le fluide frigorifique est compressé à l’extérieur du réfrigérateur. Le fluide est alors un liquide chaud à haute pression. Le premier transfert de chaleur s’effectue ici, depuis le fluide compressé chaud vers l’air extérieur au réfrigérateur.
2. Le fluide est ensuite dépressurisé jusqu’à la pression ambiante à l’intérieur du réfrigérateur. Tout fluide qui se dépressurise se refroidit. La température du fluide frigorifique chute. Le fluide circule alors à l’intérieur du réfrigérateur ou il va s’évaporer à l’intérieur des canalisations. La détente du fluide et sa vaporisation pompent de l’énergie à l’intérieur du réfrigérateur, refroidissant ainsi celui-ci. C’est le deuxième transfert de chaleur, depuis l’intérieur du réfrigérateur vers le fluide frigorifique.
3. Le fluide ressort alors du réfrigérateur où il est condensé et comprimé. Sa température augmente, et le surplus de chaleur est émis à l’extérieur du réfrigérateur. Le cycle peut alors recommencer.

Le système réfrigérant refroidit l’intérieur du réfrigérateur (un fluide y pompe l’énergie thermique) et chauffe l’extérieur (le fluide relâche l’énergie thermique à l’extérieur).

Le froid sauve des vies

L’invention et la généralisation du réfrigérateur dans les foyers a permis de réduire le nombre de certains cancers, notamment ceux liés au système gastrique^10,11. En effet, pour améliorer les conditions de conservation, de nombreux aliments sont salés ou fumés. Les scientifiques ont remarqué que dans les pays consommant beaucoup de ces produits (Islande, Corée, Portugal), l’arrivée du réfrigérateur est associée à une baisse importante de ces cancers. Les réfrigérateurs améliorant la conservation des aliments, les populations de ces pays ont donc limité leur consommation, et les risques associés. Ainsi, en Corée, le risque de cancer gastrique a été divisé par 4, uniquement avec l’arrivée du réfrigérateur.

Phosphoré par : Gontier Adrien, Dujardin Jean-Rémi