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Jul 09, 2023

Les machines à pain gagnent beaucoup

La physique pourrait-elle nous aider à faire du meilleur pain ? Oui, disent les chercheurs de l'Institut technique

La physique pourrait-elle nous aider à faire du meilleur pain ? Oui, disent les chercheurs de l'Université technique de Munich en Allemagne. Leurs découvertes - basées sur une simulation 3D du pétrissage de la pâte dans un pétrin industriel - révèlent que les techniques de mélange radial fonctionnent mieux que le mélange vertical, et qu'un appareil avec un bras en spirale très incurvé ou deux bras en spirale qui imitent le pétrissage à la main pourrait faire une pâte qui est bien aéré, absorbe bien l'eau et est élastique.

La pâte à pain contient quatre ingrédients principaux : la farine, l'eau, le sel et un agent levant tel que la levure. Le pétrissage développe le réseau de gluten de la pâte et produit une matière qui se comporte entre un liquide visqueux et un solide élastique lorsqu'elle est déformée. Le pétrissage incorpore également de l'air dans la pâte, ce qui est important pour la faire lever une fois au four.

Comme les lecteurs réguliers de Physics World s'en souviendront, les boulangers professionnels et amateurs expérimentés - physiciens ou non - savent que la pâte à pain doit être pétrie juste le temps nécessaire, et d'une manière particulière, pour produire la texture souhaitée. Le sur-pétrissage produit une pâte dense et serrée qui absorbe moins bien l'eau et ne lève pas au four. Le sous-pétrissage est tout aussi catastrophique, réduisant la capacité de la pâte à retenir ces précieuses bulles d'air.

Bien que l'homme fabrique du pain depuis 8000 ans, on manque encore d'informations précises sur les changements qui se produisent lors du pétrissage et leur effet sur la qualité de la pâte. Aujourd'hui, cependant, des chercheurs dirigés par Natalie Germann ont réalisé des simulations informatiques 3D de la pâte à pain qui tiennent compte à la fois de ses propriétés visqueuses et élastiques, tout en tenant compte de la surface libre qui se forme entre l'air et la pâte lorsqu'elle est pétrie dans un environnement industriel. Pétrin à spirale 3D.

Pour simuler la viscosité de la pâte, Germann et ses collègues ont utilisé un modèle White-Metzner monomode, qui permet de prédire le comportement rhéologique (écoulement) des matériaux viscoélastiques sous des taux de cisaillement élevés et dans toutes les dimensions. Ils ont combiné ce modèle avec un modèle Bird-Carreau modifié, qui décrit la pâte sur une large gamme de taux de cisaillement. Ce dernier modèle simule la façon dont la pâte se déforme en fonction de sa viscosité ainsi que le temps qu'il lui faut pour se détendre.

Pour rendre les prédictions de leur modèle aussi réalistes que possible, l'équipe l'a appliqué à des géométries informatisées basées sur les dimensions et les structures de pétrins industriels du monde réel. Ils ont également mené des expériences visant à générer des paramètres d'entrée réalistes pour le modèle et à tester ses prédictions.

Ces expériences ont été réalisées à l'aide d'un pétrin industriel composé d'un bras spiralé rotatif et d'une tige fixe. Les chercheurs ont préparé leur pâte à pain en mélangeant 500 g de farine de blé type 550, 296 g d'eau décalcifiée et 9 g de sel dans un pétrin à spirale Diosna SP12. Ils ont pré-mélangé la pâte pendant 60 secondes à une vitesse de 25 Hz avant de la pétrir pendant 300 secondes à 50 Hz. Le bras pétrisseur se déplaçait dans le même sens que le bol mais à une vitesse de rotation 6,5 fois plus élevée. Pour éviter la perte d'humidité et l'évaporation, la pâte finie a été recouverte d'un film plastique et laissée reposer pendant 20 minutes avant d'effectuer des mesures de rhéologie et de tensiométrie.

Bien que Germann et ses collègues aient pu utiliser un rhéomètre commercial (un Anton Paar MCR 502) pour mesurer l'écoulement de leur pâte à 24 ° C, mesurer la tension superficielle de la pâte s'est avéré plus difficile. De telles mesures ne pourraient pas être faites directement car une interface liquide-air est nécessaire. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont placé une couche de solution saline liquide sur la surface de la pâte et ont mesuré la tension superficielle de cette solution lors de sa diffusion dans la phase liquide de la pâte.

Les simulations qui en ont résulté ont fourni des informations précieuses sur les processus se produisant à l'intérieur de la pâte et à sa surface, tels que la manière dont l'air s'incorpore dans la pâte et la façon dont les "poches de pâte" - ou grumeaux - se forment et se désagrègent. Le modèle a également reproduit certains comportements macroscopiques de la pâte que l'équipe a observés dans leurs expériences. Par exemple, l'élasticité de la pâte lui permet de vaincre les forces gravitationnelles et centrifuges lors du pétrissage, c'est-à-dire que la pâte "migre" vers la tige en rotation avant de remonter dessus. Ce phénomène d'escalade est bien décrit par les modèles de l'équipe munichoise.

La physique du pain

Dans une dernière étape, l'équipe a comparé les résultats de leurs simulations avec des captures d'écran d'une caméra vidéo à grande vitesse qui a enregistré le processus de pétrissage de la pâte en laboratoire. Sur ces clichés, ils ont observé la pâte se convectant autour de la tige fixe intérieure grâce à la rotation du bol cylindrique extérieur. Ils ont également observé des modèles d'écoulement en spirale créés par le bras de pétrissage en spirale situé entre la tige fixe et le bol.

Dans leur article, qui a été publié dans Physics of Fluids, les chercheurs rapportent que leur modèle prédit avec précision les valeurs observées expérimentalement pour la courbure de la surface libre de ces modèles d'écoulement en spirale. Ils rapportent également être capables de prédire la formation, l'extension et la rupture des poches de pâte en utilisant leur approche numérique.

Les chercheurs affirment que leurs travaux représentent une avancée par rapport aux études précédentes qui ne considéraient que les propriétés purement visqueuses de la pâte à pain. Les travaux antérieurs ont également limité leurs simulations à des géométries simplifiées, telles qu'une configuration de cylindre concentrique, explique Germann. Ces simplifications signifiaient que les effets de contrainte normaux responsables du phénomène d'escalade de la tige étaient absents, car l'élasticité du matériau n'était pas prise en compte.

"Nos simulations informatiques ont montré que le mélange vertical n'est pas aussi bon que le mélange radial dans le pétrin à spirale que nous avons pris en compte dans notre travail", explique Germann. "À l'avenir, les performances de mélange pourraient être améliorées en utilisant un bras en spirale plus incurvé ou deux bras en spirale similaires au pétrissage à la main."