Étude expérimentale et modélisation des transferts de matière couplés aux transitions thermiques de l'amidon au cours de la cuisson du riz
Institution:
Montpellier, SupAgroDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Rice is the staple of over half the world's population. Controlling cooked rice texture attributes (firmness, stickiness) implies to master its physicochemical properties which vary with cooking conditions and are the result of transfers and reactions. To achieve this goal, the understanding and modelling of the phenomena involved in rice cooking are needed. In this context, two complementary approaches have been used on two round Korean rice Chil-bo and Chu-cheong cultivars (both white and brown) cooked in excess water at 50, 75 and 95°C. The first step aimed to fully describe rice starch thermal transitions. Laws were developed giving the level of starch gelatinization τ and of amylose-lipid complex fusion φ as a function of water content and temperature (DSC). A state diagram was also built, and gelatinization front kinetics was determined by microscopy for 75°C and 95°C cooking temperatures. The kinetic study of water uptake (gravimetry) as well as soluble amylose leaching (colorimetry) during rice cooking revealed the positive effect of these transitions on rice grain hydration speed, water absorption capacity, and soluble amylose availability. To integrate this property, a law was formulated to predict equilibrium water content in rice grain. These transitions had also a strong destabilizing effect on rice grain structure as observed by microscopy. This leads ultimately to rice peripheral erosion that was evidenced for the first time. In the case of brown rice, a lugol staining method allowed to observe the rice pericarp rupturing while being cooked at 75°C. The second step consisted of the modelling of theses phenomena being in interaction. Two 1D models coupling mass transport, starch thermal transitions and deformations (swelling and erosion) have been developed. An original concept considering two water populations according to starch state (native or gelatinized) was formulated. All the models were validated on experimental water uptake, soluble amylose, surface erosion and gelatinization front kinetics both for white and brown rice which shows their robustness. Moreover, predicted water content and gelatinization profiles reflected satisfactorily firmness and stickiness of cooked rice. This shows that the models can be potentially used for a better control of texture. A 2D or 3D modelling would improve model prediction capacity.
Abstract FR:
Le riz est l'aliment de base pour près de la moitié de la population mondiale. Le contrôle des propriétés texturales du grain de riz cuit (fermeté, collant) implique la maîtrise de ses propriétés physicochimiques qui varient en fonction des conditions de cuisson et qui résultent de processus de transport et de réactions. Pour cette maîtrise, la compréhension et la capacité à prédire les phénomènes mis en jeu lors de la cuisson du riz, sont des étapes essentielles. Dans ce cadre, deux démarches complémentaires ont été employées sur deux variétés de riz ronds Coréens Chil-bo et Chu-cheong blancs et bruns cuits en excès d'eau à 50, 75 et 95°C. Une première, expérimentale, avec la description complète des transitions thermiques de l'amidon du riz incluant la construction de lois permettant d'obtenir les degrés de gélatinisation τ et de fusion φ des complexes amylose-lipides en fonction de la teneur en eau et de la température (DSC), la création d'un diagramme d'état de l'amidon, et enfin l'établissement des cinétiques de fronts de gélatinisation à 75 et 95°C par microscopie. L'étude cinétique de l'absorption d'eau (gravimétrie) ainsi que de la fuite d'amylose soluble du grain de riz (colorimétrie) en cuisson a permis de mettre en évidence l'effet favorisant de ces transitions sur sa vitesse d'hydratation, sur sa capacité d'absorption d'eau, et sur la disponibilité en amylose soluble. À ce titre, une loi de prédiction de la teneur en eau du grain de riz à l'équilibre a été établie. Ces transitions thermiques de l'amidon se sont avérées avoir aussi un impact majeur sur la déstructuration du grain observée par microscopie, provoquant une érosion périphérique pour la première fois mise en évidence. Concernant le riz brun, une méthode de coloration au lugol a permis de mettre en évidence la rupture progressive du péricarpe au cours de sa cuisson à 75°C. Dans une seconde étape, une modélisation a permis de décrire et prédire le couplage de ces différents phénomènes. Deux modèles 1D couplant les transports de matière aux transitions thermiques de l'amidon et à la déformation du grain, y compris son érosion périphérique, ont été développés. Un concept original suppose l'existence de deux populations d'eau en fonction de l'état de l'amidon (natif ou qui gélatinise). Ces modèles ont été validés sur les cinétiques expérimentales d'hydratation, de fuite d'amylose, d'érosion de surface, et de front de gélatinisation pour les riz blanc et brun, prouvant leur robustesse. De plus, les profils prédits de teneur en eau et de gélatinisation ont su refléter correctement les propriétés de fermeté et de collant du riz cuit. Ce fait montre que ces modèles sont des outils potentiels pour un meilleur contrôle de la texture. Une adaptation 2D voire 3D permettrait d'améliorer la capacité de prédiction des modèles.