8.2 Diagrammes de phase d’équilibre solide-liquide
Comme présenté dans le chapitre 2, un diagramme de phase est un outil intéressant utilisé pour représenter l’équilibre entre différentes phases. C’est une sorte de carte qui, dans le cas de l’ELS, peut fournir des informations concernant la phase solide et les températures liées aux transformations de chaque phase solide, donnant des indications sur la meilleure façon de séparer les composés d’un mélange. Une classification générale des diagrammes de phase peut être présentée pour l’ELS en fonction du nombre de composants dans le mélange, de leurs propriétés et de leur miscibilité . Dans un système binaire, par exemple, il est possible de trouver trois types différents de diagrammes de phase, en considérant la miscibilité des composants à l’état solide : (1) un dans lequel les composants sont immiscibles en phase solide, comme indiqué dans la figure 8.1A ; (2) un autre dans lequel les composants sont complètement miscibles en phase solide, comme dans la figure 8.1B, et (3) un autre dans lequel les composants sont partiellement miscibles en phase solide, comme dans la figure 8.1C.
On sait depuis de nombreuses années que les diagrammes de phase les plus courants des systèmes gras pourraient être divisés en trois catégories : la première présente un point eutectique simple, la deuxième présente une formation de solution solide, et la troisième présente une formation de composé due à une réaction péritectique.
Le premier type de diagramme de phase présente un point eutectique, Fig. 8.1A. Sur ce diagramme de phase, la température de fusion d’un soluté A diminue avec l’ajout d’un solvant B, et la température de fusion d’un solvant B diminue avec l’ajout d’un soluté A. L’interception de ces deux profils de température de fusion donne une valeur minimale appelée point eutectique, dans laquelle le mélange fond à une seule température et composition. Ceci est normalement observé dans le cas de mélanges aqueux de sels utilisés dans la formulation des aliments, tels que les systèmes eau-NaCl , et également dans le cas de mélanges aqueux de sucres, tels que le saccharose, le glucose ou le fructose , ou de mélanges binaires de composés simples, tels que les acides et les alcools à petite chaîne . Ils présentent, dans ce cas, deux régions hétérogènes composées d’un composé solide pur A mélangé à une phase liquide miscible, et d’un composé solide pur B mélangé à la phase liquide miscible. La définition de ces deux régions est assez importante dans la conception des processus de solubilisation ou d’évaporation, puisque les diagrammes de phase fournissent les limites de saturation des mélanges, ce qui est une propriété clé dans la formulation des aliments.
Il est important de mentionner que le point eutectique est un point invariant observé dans un diagramme de phase en raison de l’apparition d’une réaction eutectique. La réaction eutectique est une réaction réversible dans laquelle une phase liquide devient deux ou plusieurs phases solides pendant le refroidissement du système. Cette réaction se produit à la température eutectique (Te) et à une fraction molaire spécifique des phases liquide et solide .
En fait, l’alimentation est un système complexe et, parfois, les interactions chimiques établies dans ce système peuvent conduire à l’apparition de ce que la littérature appelle la solution solide. Fondamentalement, les deux structures cristallines se ressemblent tellement que la structure cristalline ne varie pas en fonction des changements de composition. Les solutions solides sont analogues à ce qui se passe dans certains mélanges de métaux, les alliages. Cela signifie que, dans ce cas, la phase solide est composée d’un ou plusieurs nouveaux cristaux solides, dans lesquels les solides A et B sont tels qu’une structure cristalline différente est formée. La formation d’une solution solide modifie le comportement du profil de fusion des systèmes, plus précisément le début de la température de fusion. Par exemple, si la phase solide est composée d’un seul alliage, dans le cas d’un mélange binaire, le comportement du diagramme de phase est tel que présenté à la Fig. 8.1B. Cependant, si plus d’un alliage est formé, un alliage riche en A et un autre riche en B, des régions plus homogènes apparaissent et le diagramme de phase peut être représenté par la Fig. 8.1C. La ligne qui délimite les limites de la phase solide et de la région solide-liquide hétérogène est alors appelée ligne de solidus. C’est un comportement commun observé dans les mélanges de composés organiques similaires, tels que les acides gras, les alcools gras ou les TAG, dans lesquels la longueur des molécules favorise facilement de nouvelles conformations moléculaires, conduisant à la formation de différents profils cristallins .
Il est également connu que les biomolécules peuvent former différentes structures cristallines, selon la concentration et la température du mélange . Outre les différentes structures cristallines, il est fréquent de trouver dans un système gras un nouveau composé C formé par une réaction péritectique . Nous pouvons comparer cette réaction à une simple réaction chimique. Dans une réaction chimique, le composé A réagit avec le composé B, dans une stœchiométrie fixe, pour former un nouveau composé C. Dans les études sur le LED, le processus qui conduit à la formation d’une nouvelle structure cristalline est connu sous le nom de réaction péritectique, et la nouvelle structure cristalline formée est appelée composé péritectique. En fait, le composé péritectique n’est pas un nouveau composé, tout comme ce qui se passe dans une vraie réaction chimique. Comme il s’agit d’un phénomène de phase solide, ce « nouveau » composé est la représentation d’un nouvel ensemble cristallin qui obéit à une composition fixe et disparaît après la température de transition (péritectique). En fait, la réaction péritectique est définie comme une réaction isotherme qui se produit entre deux phases, une phase liquide et une phase solide, qui pendant le processus de refroidissement d’un système binaire forment une « nouvelle » phase solide. Le point péritectique est identifié par la composition péritectique (xP) et la température (TP) .
L’apparition de cette nouvelle structure modifie le comportement de la température de fusion du système et, par conséquent, la forme du diagramme de phase. Deux types de profils apparaissent principalement dans les systèmes généraux, le premier étant plus fréquemment observé dans les systèmes alimentaires évalués jusqu’à présent (Fig. 8.2). Le premier profil, Fig. 8.2A, représente une situation dans laquelle le composé péritectique apparaît en dessous d’une certaine température (ligne de transition péritectique), établissant de nouvelles régions dans le diagramme de phase, à savoir, composé péritectique + liquide, composé péritectique + solide A, et composé péritectique + solide B. Ce comportement est également appelé comportement de fusion incongru, et il a été observé dans le cas de certains systèmes contenant des acides gras et des alcools gras, selon la littérature . Si un nouveau composé est formé dans le système, un deuxième comportement, également appelé comportement de fusion congruente, s’établit, comme indiqué à la Fig. 8.2B. Dans ce cas, deux profils eutectiques simples apparaissent, et la température de fusion et la composition du composé péritectique, qui dans ce cas est, en fait, un nouveau composé, sont déterminées au point maximum du profil. Dans les systèmes alimentaires organiques, ce phénomène est plus rare ; cependant, il peut se produire, par exemple, dans des mélanges de sels ou des mélanges de sels avec de l’eau (ce qui conduit à l’apparition d’hydrates), tels que les chlorures, nitrates, citrates ou sulfates de sodium, utilisés comme additifs alimentaires , ou encore des mélanges d’acides gras et d’alcools gras .
Les diagrammes de phase présentés dans les figures 8.1 et 8.2 sont connus comme les diagrammes de phase les plus courants des systèmes gras. Au cours des dernières années, de nombreux mélanges gras ont été étudiés, et certaines caractéristiques insoupçonnées de ces systèmes ont été montrées. La plus surprenante est l’occurrence de la réaction métatectique observée dans les diagrammes de phase, formés par certains mélanges binaires d’acides gras et d’alcools gras .
La réaction métatectique est définie comme une réaction réversible isotherme d’un mélange solide, qui se transforme en une phase solide différente plus une phase liquide pendant le processus de refroidissement d’un système . En d’autres termes, la réaction métatectique consiste en la fusion d’un échantillon pendant une étape de refroidissement, ou en la cristallisation d’un échantillon pendant une étape de chauffage. Pendant l’étape de chauffage, dans une gamme étroite de température, le liquide et le solide, qui ont été générés par la réaction péritectique, sont recristallisés dans une nouvelle phase solide, et juste avec l’augmentation de la température, un nouveau processus de fusion a commencé et la nouvelle phase solide formée commence à fondre.
Fig. 8.3 montre quelques images qui confirment l’occurrence de la réaction métatectique dans un système formé par 1-hexadécanol (1)-1-dodécanol (2). Sur ces images, la matière solide est plus foncée que la matière liquide et nous donne une impression de rugosité. Il est possible d’observer sur la Fig. 8.3 l’augmentation de la quantité de matière solide même avec l’augmentation de la température. En observant attentivement chaque image, à partir de 300,45 K, on note peu de cristaux. L’augmentation de la température à 301,05 K permet de noter l’augmentation de la quantité de cristaux dans l’image en raison de l’intensification de l’aspect rugueux. Même avec l’augmentation de la température jusqu’à 301,65 K, la quantité de matière solide a augmenté de telle manière que presque toute l’image présente une caractéristique de rugosité qui reste dans l’image jusqu’à 304,15 K, bien que moins, indiquant le début du processus de fusion à nouveau.
La réaction métatectique dans les mélanges binaires de systèmes gras a été présentée pour la première fois en 2009 . Elle révèle la complexité des systèmes alimentaires, qui est le résultat d’interactions moléculaires complexes. De plus, en raison de l’apparition de la réaction métatectique en plus des réactions eutectiques et péritectiques et également de la formation de solutions solides, il est possible d’affirmer que les diagrammes de phase des composés gras binaires sont bien plus complexes qu’imaginés. La Fig. 8.4 montre les diagrammes de phase du système acide caprique (1)-acide myristique (2) . Ce diagramme de phase comporte 15 domaines d’équilibre :
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Cinq domaines monophasiques solides qui sont CM, CC, ChM, ChC, et Ci. CM et CC sont des solutions solides riches en acide myristique (M) et en acide caprique (C), respectivement. ChM et ChC sont des phases solides issues de réactions métatectiques, et Ci est une phase solide qui contient le composé formé par réaction péritectique ;
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Quatre domaines solide-solide qui sont CM+Ci, CM+ChM, Ci+CC, et CC+ChC ;
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Cinq domaines solide-liquide nommés CM+l, ChM+l, Ci+l, CC+l, et ChC+l au-delà de la région liquide au-dessus de la ligne de liquidus représentée par l.
Les lignes pointillées de la figure 8.4 indiquent des régions limites non identifiées expérimentalement mais qui doivent exister car le système doit obéir à la règle des phases de Gibbs . Observez qu’il existe des régions étroites de SLE qui rendent la séparation de l’acide caprique de l’acide myristique par le processus de cristallisation difficilement possible. Par ailleurs, la Fig. 8.5 montre des images acquises pour certaines compositions spécifiques du système à la température ambiante, 298 K environ. Il est intéressant de noter que chaque région solide monophasique ou région solide-solide présente une image différente, indiquant que la structure cristalline formée dans chaque région est différente .
Les mélanges d’alcools gras ont également présenté un comportement complexe solide-liquide. En général, trois diagrammes de phase différents peuvent être trouvés : système eutectique simple, comme ceux trouvés dans la Fig. 8.1A , système péritectique + métatectique, similaire à celui observé dans la Fig. 8.4 , et formation de solution solide, comme ceux trouvés dans la Fig. 8.1B . Même pour les systèmes eutectiques, un comportement de solution solide peut également être trouvé pour certains systèmes, faisant de la cristallisation un chemin difficile à suivre lorsque le but est de purifier les alcools gras.
Les diagrammes de phase des mélanges binaires formés par les TAG ont été intensément étudiés. Néanmoins, il n’y a pas de comportement consensuel pour ces mélanges, car il y a une énorme quantité de TAGs à considérer pour classer les diagrammes de phase. En général, trois types de diagrammes de phase peuvent apparaître pour les mélanges de TAG : les diagrammes de phase avec formation de solutions solides, Fig. 8.1B et C, les diagrammes de phase avec point eutectique, comme dans la Fig. 8.1A, et rarement, les diagrammes de phase avec point péritectique, comme dans la Fig. 8.2. Les solutions solides se produisent normalement lorsque les deux composants ont des points de fusion, des volumes moléculaires et des polymorphes très similaires ; un exemple est celui des systèmes binaires formés par les acides gras 1-palmitoyl-3-stearoyl-2-oleoylglycerol (POS) et 1,3-distearoyl-2-oleoylglycerol (SOS). On trouve normalement des diagrammes de phase eutectiques pour les systèmes binaires où les deux composants diffèrent par leur volume moléculaire, leur forme ou leur polymorphisme mais ont des points de fusion similaires. C’est le cas de la plupart des mélanges binaires de TAGs . Des diagrammes de phase avec point péritectique apparaissent occasionnellement pour des systèmes TAG saturés/insaturés tels que le système 1,3-dipalmitoyl-2-oléoylglycérol (POP) – 1-palmitoyl-2,3-dioléoylglycérol (POO) . Une compilation des systèmes binaires TAG présentant ces comportements distincts peut être trouvée dans le travail de Wesdorp et al. .
Des diagrammes de phase de mélanges binaires formés par des TAG, de la trioléine et de la trilaurine, plus des acides gras ou des alcools gras ont été publiés , et un résumé des diagrammes de phase est présenté dans la figure 8.6. Tous les diagrammes de phase semblent être de type eutectique simple, l’emplacement du point eutectique dépendant du deuxième composé du mélange, alcool gras ou acide gras. Sur la figure 8.6A, le point eutectique est situé à environ 40 % en moles de trioléine dans un système binaire formé par la trioléine (1)-1-décanol (2), à environ 85 % en moles de trioléine dans un mélange avec le 1-dodécanol, et proche de la trioléine pure dans les mélanges avec le 1-tétradécanol, le 1-hexadécanol et le 1-octadécanol. Un comportement similaire est observé dans les mélanges binaires formés par la trioléine avec des acides gras, comme présenté dans la Fig. 8.6B. Dans ce cas, le point eutectique est observé à environ 70 mol% de fraction de trioléine dans un système binaire formé par la trioléine (1)-acide caprique (2), à environ 90 mol% de fraction de trioléine dans un mélange avec l’acide laurique et proche de la trioléine pure dans les mélanges avec l’acide myristique . La figure 8.6C et D montre la même tendance décrite précédemment pour les systèmes formés par la trilaurine plus les alcools gras ou les acides gras, respectivement. Ce déplacement du point eutectique vers le composé alcool ou acide pur avec l’augmentation de sa chaîne carbonée indique que l’emplacement du point eutectique est lié à la taille de la chaîne carbonée de l’acide gras ou de l’alcool, étant indépendant du TAG présent dans le mélange. Une comparaison similaire peut être faite en termes de température de fusion de l’acide gras ou de l’alcool pur, puisque l’augmentation de la chaîne carbonée implique en augmentation de la température de fusion des composés saturés.
En ce qui concerne la composition eutectique de l’ensemble des données formées par la trilaurine et la trioléine, il est important de noter que même si le comportement observé dans les systèmes avec la trilaurine est très similaire à celui trouvé dans les systèmes avec la trioléine, les profils de la composition eutectique ne sont pas les mêmes. Dans le cas de la trilaurine, le point eutectique est vérifié même pour les mélanges avec le 1-octadécanol ou l’acide stéarique, alors que dans l’ensemble de données sur la trioléine, le point eutectique n’est pas observé dans les mélanges binaires dans lesquels le second composé a plus de 14 atomes de carbone dans la chaîne carbonée. En d’autres termes, non seulement la taille de la molécule interfère avec la localisation du point eutectique mais aussi sa forme, qui semble conduire l’interaction entre les deux molécules plus facilement.
La formation d’une solution solide entre les composés du mélange peut être vérifiée par un diagramme de Tammann et par des images optiques, par exemple. Dans un diagramme de Tammann, l’enthalpie de réaction eutectique ou péritectique est tracée en fonction de la composition du mélange. Grâce à ce diagramme, on peut identifier les plages de concentration des régions biphasées associées aux points eutectiques ou péritectiques. Cela est possible car, en l’absence de formation de solution solide, les valeurs d’enthalpie de ces réactions devraient tendre vers une valeur d’enthalpie de zéro aux extrémités du diagramme de phase. De plus, la valeur d’enthalpie la plus élevée est atteinte exactement au point de composition eutectique ou péritectique. La Fig. 8.7 présente les diagrammes de Tammann pour des mélanges binaires de trilaurine (1)-solvant (2), pour différents solvants (1-tétradécanol, 1-hexadécanol et 1-octadécanol). Ces diagrammes de Tammann montrent la formation d’une solution solide dans une région riche en trilaurine dans les mélanges avec le 1-tétradécanol et le 1-hexadécanol, Fig. 8.7A et B, respectivement. Il est possible d’observer que la valeur de l’enthalpie eutectique diminue jusqu’à zéro dans les mélanges à 0,65 et 0,95 fraction molaire de trilaurine pour les deux derniers systèmes, respectivement. Il est possible d’en conclure que la région de la solution solide formée dans les mélanges binaires de trilaurine avec des alcools gras diminue avec l’augmentation de la chaîne d’alcool. Encore une fois, la taille des molécules semble interférer sur l’interaction des molécules en évitant la région de formation de la solution solide.
Les diagrammes de phase de certains 1,3-diacylglycérols purs (1,3-DAGs) ont présenté deux comportements différents : les systèmes de phase eutectique et monotectique . Comme défini et indiqué précédemment (Figs. 8.1 et 8.2), le comportement eutectique est caractérisé par le fait qu’une phase liquide génère deux phases solides pendant le refroidissement du système. En fait, un diagramme de phase monotectique est une variation du diagramme de phase eutectique décrit à la Fig. 8.1A, dans lequel le point eutectique est très proche du composé pur. Ainsi, on ne peut observer que trois régions : une phase liquide, une phase solide et une région biphasique. Dans le cas des 1,3-DAG, les diagrammes de phase varient en fonction de la différence entre les points de fusion des deux composés dans les mélanges binaires, et tous les systèmes binaires présentent des régions de solution solide dans, au moins, l’un des extrêmes des diagrammes de phase. D’ailleurs, pour les 1,3-DAGs, les systèmes monotectiques sont ceux où la différence des points de fusion entre les composés du mélange sont supérieurs à 30 K et les systèmes eutectiques ceux dont la différence des points de fusion est inférieure à 30 K, comme présenté dans la figure 8.8.
Les diagrammes de phase des mélanges de composés alimentaires ternaires ou multicomposants ne sont pas aussi courants que pour les mélanges binaires même si un ensemble de données ternaires et pseudoternaires peut être trouvé pour les acides gras , les esters éthyliques d’acides gras , les TAGs , ainsi que pour les graisses et huiles naturelles .
Dans le cas des composés d’acides gras, un exemple intéressant de diagramme de phase ternaire est formé par le mélange acide linoléique (1)-acide myristique (2)-acide stéarique (3) . Bien que les diagrammes binaires de l’acide myristique et de l’acide stéarique soient très complexes, présentant des réactions eutectiques, péritectiques et métatectiques (similaires à celle indiquée dans la Fig. 8.4), le diagramme de phase ternaire est plus amical que prévu et ne présente pas beaucoup de transitions solide-solide comme on peut l’observer dans la Fig. 8.9.
Les diagrammes de phase ternaires composés des trois TAG les plus courants trouvés dans le beurre de cacao, POP, 1,3-distéaroyl-2-oléoylglycérol (SOS), et 1-palmitoyl-2-oléoyl-3-stéaroylglycérol (POS), ont également été déterminés . Le beurre de cacao, comme mentionné précédemment, présente une phase solide très riche en termes de structure polymorphe, ce qui lui confère un profil de fusion complexe apportant aux produits finaux certaines propriétés souhaitées mais aussi des propriétés indésirables, comme le bloom de graisse. Comme la plupart des données de la littérature montrent des diagrammes de phase construits en utilisant le mélange de graisses naturelles, ou de fractions de graisses, dans cette étude, il est possible d’observer le profil de fusion présenté pour les trois TAG les plus communs qui sont cristallisés sous la forme la plus stable. Le résultat de ce travail aide à rechercher une combinaison possible de TAG pour formuler des équivalents de beurre de cacao (EBC), des adoucissants et des améliorants, une fois que les zones du mélange ternaire similaires au profil de fusion du beurre de cacao, également connu sous le nom de teneur en graisses solides (SFC) ont été accentuées, ce qui sera discuté dans l’étude de cas.
Un autre système important dans les aliments est le lait. Les diagrammes de phase ternaires ont été utilisés pour comprendre les interactions complexes entre les trois principales fractions de graisses présentes dans le lait : fraction à haut point de fusion (HMF), fraction à point de fusion moyen (MMF) et fraction à bas point de fusion (LMF). Le diagramme de phase de ce système montre de fortes interactions entre la LMF et la MMF et des interactions complexes des trois fractions de graisses du lait en même temps, ce qui poserait un problème lors de la séparation de ces fractions par cristallisation ou filtration. Les fortes interactions entre les fractions induisent la formation d’une solution solide partielle , et, ainsi, la connaissance du diagramme de phase est essentielle dans le traitement des produits corrélés afin d’aider à éviter une telle solution indésirable.
Un autre domaine intéressant lié à l’industrie alimentaire qui a été appelé à l’attention traite des composants mineurs des systèmes alimentaires, comme les tocophérols, le squalène, les composés phénoliques et les phytostérols, par exemple. L’intérêt pour ces composés est dû à leurs effets bénéfiques sur la santé humaine, qui sont généralement liés à leur activité antioxydante. De plus, certains phytostérols peuvent être utilisés comme élément structurant ou comme gélifiant de la phase huileuse, leur conférant ainsi une certaine fermeté, et, une fois encore, le diagramme de phase est un outil nécessaire pour comprendre le comportement des phases de tels mélanges. Des études sur les diagrammes binaires et ternaires de l’huile de tournesol, du γ-oryzanol et du β-sitostérol montrent que les mélanges binaires de γ-oryzanol (1)-β-sitostérol (2) peuvent former des solutions solides, comme dans la Fig. 8.1C, et des composés péritectiques, avec un comportement proche de celui présenté dans la Fig. 8.2B . Par conséquent, ces phénomènes sont également observés dans le diagramme ternaire composé de ce mélange binaire et de l’huile alimentaire.
Donc, comme observé, les diagrammes de phase sont un outil extrêmement utile et nécessaire pour comprendre le comportement à l’équilibre de plusieurs composés. C’est grâce à eux que les procédés de séparation peuvent être développés et améliorés, et c’est grâce aux informations qu’ils contiennent que les produits peuvent être conçus. Par exemple, le diagramme de phase binaire des TAG semble être plus simple que les binaires des alcools et des acides gras, mais néanmoins, ces composés peuvent présenter des transitions polymorphes dans la phase solide. D’autre part, dans les diagrammes de phase ternaires, les interactions complexes entre les molécules des composés en phase solide, ainsi que leur polymorphisme, reflètent l’existence d’un comportement très complexe qui est un défi à démystifier et à reproduire, comme c’est le cas des substituts du beurre de cacao et des systèmes organogélateurs.