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Application du procédé séchage-friture aux amandes de karité : cinétique de séchage

Oléagineux, Corps Gras, Lipides. Volume 11, Number 6, 457-63, NOVEMBRE-DÉCEMBRE 2004, Fondamental

Summary

Author(s) : Hilaire Macaire Womeni, Robert Ndjouenkeu, César Kapseu, Michel Parmentier , Département de biochimie, Faculté des sciences, Université de Dschang, BP 67 Dschang /Cameroun, Ecole nationale supérieure des sciences agro-industrielles (ENSAI), Université de Ngaoundéré, BP 455 Ngaoundéré, Cameroun, Laboratoire de physico-chimie et génie alimentaires, ENSAIA – INPL, 2, avenue de la Forêt de Haye, 54500 Vandœuvre-les-Nancy cedex, France.

Summary : Fresh kernel of shea (Butyrospermum parkii (G. Don) Kotschy) have been dehydrated by a deep-fat frying dehydration process with view to extract subsequently the shea butter. The deep-fat-frying dehydration significantly reduces the water content of the shea kernels within a very short period of time. The effects of some operating parameters on the mass transfers during deep-frying showed that the rate of drying was linked to the temperature of the bath, the frying time, the thickness of the kernels, and the mass ratio kernels/butter. A final moisture of about 5% was obtained after 10 minutes of frying at 150-180 °C applied to kernels cut into slices of 2 to 6 mm thick with a weight ratio kernels/butter of less than 0.04. The residual moisture content can be expressed using mathematical models taking into account the operating parameters. A negative linear correlation was fund between the water and butter contents. Such a rapid frying was considered to improve the quality of the fat extracted from shea kernels that have been preserved from moisture degradation during processing.

Keywords : Butyrospermum parkii, shea butter, deep-fat frying dehydration, kinetic of drying

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ARTICLE

Auteur(s) :, Hilaire Macaire Womeni^1,*, Robert Ndjouenkeu², César Kapseu², Michel Parmentier³

¹Département de biochimie, Faculté des sciences, Université de Dschang, BP 67 Dschang /Cameroun
²Ecole nationale supérieure des sciences agro-industrielles (ENSAI), Université de Ngaoundéré, BP 455 Ngaoundéré, Cameroun
³Laboratoire de physico-chimie et génie alimentaires, ENSAIA – INPL, 2, avenue de la Forêt de Haye, 54500 Vandœuvre-les-Nancy cedex, France

Le karité (Butyrospermum parkii (G. Don) Kotschy) est un arbre africain de la famille des Sapotacées, typique des savanes arborées soudaniennes, surtout connu par le beurre extrait de ses amandes, d’où l’appellation d’arbre à beurre. Les procédés d’extraction de cette matière grasse comprennent certaines opérations unitaires critiques pour la qualité du beurre, comme l’a montré une analyse des procédés traditionnels d’extraction suivant un référentiel HACCP [1] : le dépulpage des fruits, le décorticage et la cuisson des graines, le séchage et le broyage des amandes, l’extraction proprement dite. Le séchage des amandes se fait généralement au soleil ou par fumage. Or, les amandes ayant une teneur initiale en eau élevée, elles offrent des conditions favorables à l’activité des enzymes de dégradation comme celles des micro-organismes présents. Par conséquent, les techniques lentes de déshydratation des oléagineux conduisent à des huiles dont la qualité est souvent dégradée [2]. L’utilisation du séchage par friture avant l’extraction d’huile réduit rapidement la teneur en eau et limite les risques de développement microbiologiques, de pollution et de dégradations chimiques comme l’oxydation. De plus, la mise en œuvre de cette technique est simple, et son coût global (main-d’œuvre et énergie) plutôt faible [3, 4]. Si la friture est depuis longtemps connue comme mode de cuisson des aliments, son utilisation comme moyen de déshydratation est plus récente. La déshydratation des produits amylacées a été étudiée en relation avec les variables du procédé, notamment ceux à base de pommes [5-8], de la pâte de maïs [9, 10], de plantain [11, 12] de patate [13] ou de manioc [14-16]. Les principales applications du séchage par friture de produits à la fois riches en eau et en matières grasses, sont le séchage de la noix de coco et celui des déchets d’équarrissage. Les travaux de Merion [17] ont montré que ce procédé pouvait également être appliqué à la pulpe d’avocat. Cette technique a permis l’amélioration de la qualité de l’huile de coco, dont l’extraction était handicapée par la qualité du coprah obtenu par séchage solaire des tranches d’amandes de coco [18]. L’utilisation de cette technique pour déshydrater les amandes de karité permettrait en peu de temps de ramener la teneur en eau de plus de 50 % à une valeur de 10-15 %, optimale pour l’extraction du beurre [19]. Les investigations menées sur le procédé de friture ont révélé que la température du bain et le temps d’immersion des produits sont les principales variables de conduite dont dépendent le transfert de masse [20] et les transformations et réactions secondaires dans les produits [6]. L’objectif du présent travail est d’étudier l’intérêt de l’application de la technique de séchage-friture aux amandes de karité par le suivi de la cinétique de séchage en fonction des variables de commande et la détermination des modèles d’expression de la teneur en eau en fonction du temps.

Matériel et méthodes

Les fruits du karité

Les fruits de karité utilisés ont été achetés sur le marché local (Ngaoundéré, Cameroun). Ces fruits avaient une masse de 69 ± 22 g et contenaient une à trois graines (noix) protégées par une coque dure d’un millimètre d’épaisseur environ, remplie par une amande de masse 21,63 ± 6,80 g, de longueur 40,84 ± 51 mm et de diamètre 27,25 ± 4,22 mm pour le petit axe et 31,56 ± 3,57 mm pour le grand axe. La teneur en eau initiale est de 56,24 ± 2,74 %.

Le beurre de karité

Les essais de friture ont été réalisés dans du beurre de karité acheté auprès des paysans. La masse volumique, les indices d’iode, de saponification, d’acide et de peroxyde ont été déterminés par les méthodes normées AFNOR [21] (tableau 1( Tableau 1 )).
Tableau 1 Caractéristiques du beurre de karité utilisé pour la friture.

Caractéristiques	Valeurs
Masse volumique (g/ml)	0,92 ± 0,04
Indice de saponification	207,52 ± 7,78
Indice d’iode	89,46 ± 3,10
Indice d’acide	7,56 ± 1,68
Indice de peroxyde (meq/kg)	5,48 ± 0,16

La friteuse

La friture a été conduite dans une friteuse ménagère de marque Kenwood à régulateur de température, conçue pour fonctionner avec 2-2,5 litres d’huile.

L’opération de friture

La première phase a consisté à suivre l’effet de la température (120, 140, 160 et 180 °C) et du temps de friture sur la cinétique de perte d’eau et d’absorption d’huile d’amandes entières fraîches dans un rapport massique amande/beurre de 1/15 (120 g d’amandes pour 1 800 g de beurre). La seconde phase a consisté à suivre, selon un plan d’expériences composite centré, la variation de la teneur en eau des amandes en considérant, outre la température et le temps de friture, l’épaisseur des amandes et le rapport massique amande/beurre. Les valeurs réelles et codées de ces 4 variables de commande sont données dans le tableau 2( Tableau 2 ). Ce plan permet de calculer la teneur en eau Y suivant l’équation du modèle :

Y = I + ax₁ + bx₂ + cx₃ + dx₄ + ex₁² + fx₁x₂ + gx₁x₃ + hx₁x₄ + ix₂² + jx₂x₃ + kx₂x₄ + lx₃² + mx₃x₄ + nx₄²

I, a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m et n étant les coefficients de l’équation.

En fin de friture, les amandes sont extraites du bain et placées immédiatement sur du papier absorbant afin d’éliminer l’huile superficielle. Les amandes frites et refroidies à température ambiante sont ensuite pesées et leur teneur en eau et en huile après friture sont déterminées.
Tableau 2 Valeurs codées et réelles du plan d’expériences composite centré.

	Valeurs codées				Valeurs réelles
	Epaisseur des amandes	Température de séchage	Rapport massique (amandes/ beurre)	Temps de séchage	Epaisseur des amandes (mm)	Température de séchage (°C)	Rapport massique (amandes/ beurre)	Temps de séchage (minutes)
Essais	x₁	x₂	x₃	x₄	x₁	x₂	x₃	x₄
1	0	0	0	0	10	150	0,05	6
2	0	0	0	0	10	150	0,05	6
3	1	1	1	1	14	165	0,06	8,8
4	1	1	1	– 1	14	165	0,06	3,2
5	1	1	– 1	1	14	165	0,04	8,8
6	1	1	– 1	– 1	14	165	0,04	3,2
7	1	– 1	1	1	14	135	0,06	8,8
8	1	– 1	1	– 1	14	135	0,06	3,2
9	1	– 1	– 1	1	14	135	0,04	8,8
10	1	– 1	– 1	– 1	14	135	0,04	3,2
11	– 1	1	1	1	6	165	0,06	8,8
12	– 1	1	1	– 1	6	165	0,06	3,2
13	– 1	1	– 1	1	6	165	0,04	8,8
14	– 1	1	– 1	– 1	6	165	0,04	3,2
15	– 1	– 1	1	1	6	135	0,06	8,8
16	– 1	– 1	1	– 1	6	135	0,06	3,2
17	– 1	– 1	– 1	1	6	135	0,04	8,8
18	– 1	– 1	– 1	– 1	6	135	0,04	3,2
19	α	0	0	0	18	150	0,05	6
20	– α	0	0	0	2	150	0,05	6
21	0	α	0	0	10	180	0,05	6
22	0	– α	0	0	10	120	0,05	6
23	0	0	α	0	10	150	0,07	6
24	0	0	– α	0	10	150	0,03	6
25	0	0	0	α	10	150	0,05	11,6
26	0	0	0	– α	10	150	0,05	0,4

Expression des résultats

• Teneur en eau : la teneur en eau des amandes frites, notée TE, est déterminée par étuvage à 105 °C pendant 24 heures. Elle est calculée par rapport à la base humide et s’exprime en grammes pour 100 g de produit initial :Où m₀ = masse de l’échantillon avant séchage à l’étuve et m_et = masse de l’échantillon après séchage à l’étuve.

• Vitesse de perte d’eau. En effectuant notre essai de friture, nous avons une masse m₀ à sécher. Après un temps t₁ de friture, nous obtenons une masse m₁. La vitesse de séchage V (en g par minute) est donnée par :• Teneur en huile. La teneur en huile (TH_BS), est exprimée en gramme pour 100 g de matière sèche. La détermination de la teneur en huile est effectuée par extraction au soxhlet à l’éther de pétrole pendant 10 heures [22].Où m_h = masse de la matière grasse obtenue après extraction et m_s = masse des amandes (préalablement séchées à l’étuve).

On effectue une régression linéaire de la teneur en huile en fonction de la teneur en eau pour chaque température.

Résultats et discussion

Évolution de la teneur en eau

L’évolution de la vitesse de perte en eau en fonction du temps de friture des amandes est représentée par les courbes de la ( figure 1 ). Ces courbes ont une allure classique de déshydratation des produits végétaux riches en eau et présentent un seul maximum chacune. Elles mettent en évidence trois parties du phénomène :

– une phase initiale rapide au cours de laquelle la vitesse maximale est atteinte (2 minutes) ;
– une période de régime optimum (entre 2 et 30 minutes) ;
– une décélération lente au cours de laquelle la vitesse tend vers zéro.

La vitesse maximale à 120 °C est de 2,2 g.min^–1 puis elle baisse pour atteindre au bout de 10 minutes de friture une vitesse de l’ordre de 0,8 g.min^–1 qui varie peu pendant la phase suivante. Après 40 minutes de friture à 120 °C, la teneur en eau des amandes entières passe de 56 à 30 %. À 180 °C, la vitesse maximale atteint 8,0 g.min^–1, puis baisse progressivement pour se stabiliser autour de 2 g.min^–1 et au bout 40 minutes de friture, la teneur eau des amandes entières est ramenée à 6 % contre 18 et 12 % respectivement à 140 et 160 °C. L’augmentation de la température de friture permet de réduire le temps nécessaire pour atteindre une teneur en eau donnée. Cette réduction du temps de friture par augmentation de la température de friture ne vérifie pas les observations faites par Pravisani et Calvelo [23] qui ont signalé que le temps de friture était indépendant de la température de l’huile dans l’intervalle de 155 à 200 °C. Cette observation leur permettait de noter que l’augmentation de la température de friture n’est pas toujours bénéfique. Plusieurs travaux traitant de la relation entre la teneur en eau et la durée de friture ont montré que la perte d’humidité est proportionnelle à la racine carrée du temps de friture [5, 24-26]. Dans le cas du séchage de la pulpe d’avocat, Merion [17] montre que la teneur en eau varie en fonction de la durée de friture, quelle que soit la température, suivant un modèle exponentiel .

Les équations de régression du tableau 3( Tableau 3 ) ont été obtenues en appliquant cette équation à nos données. On peut remarquer que l’intersection (b) reste constante alors que la pente (a) varie. La moyenne des intersections est de 4,020 ± 0,089. La pente varie avec la température T de friture selon l’équation de régression suivante :En utilisant la moyenne des intersections et en remplaçant a par l’équation de régression, on obtient l’équation globale suivante qui lie la teneur en eau des amandes après friture à la durée et à la température de l’opération de friture :La ( figure 2 ) présente les points expérimentaux et les courbes théoriques découlant de cette équation. On note que l’augmentation de la température de friture de 120 à 180 °C entraîne la baisse de la teneur en eau d’équilibre de 30 % à 2 %. On remarque également que quelques points expérimentaux s’écartent des courbes théoriques, ce qui indiquerait que d’autres facteurs auraient un effet sur la cinétique de déshydratation des amandes de karité par friture. L’étude des transferts de masse et de chaleur pendant la friture des produits amylacées montre que ces phénomènes de transfert dépendent également de l’épaisseur des tranches et de la teneur en eau du produit [7], ainsi que du rapport massique produit/huile et de la vitesse d’agitation du bain [16]. Ainsi, un affinement du modèle d’expression de la teneur en eau prenant en compte l’épaisseur des amandes et le rapport massique amande/beurre a été conduit selon un plan d’expériences composite centré. Dans ce modèle, l’épaisseur des tranches (e) est exprimée en mm, la température de séchage (T) en °C, le temps de friture (t) en minutes et le rapport massique amandes/beurre (R) est adimensionnel. On peut ainsi prédire la teneur en eau (TE) des amandes après friture par l’équation de régression suivante :L’analyse du modèle montre que la variation de la teneur en eau dépend à 95,41 % des effets des variables étudiées. Les effets significatifs (p < 0,05) sont ceux de l’épaisseur des amandes, de la température de friture, du temps de friture, du carré de l’épaisseur, du carré du rapport massique et de l’interaction entre la température et le temps de friture.

Les courbes isoréponses de la ( figure 3 ) illustrent la variation de la teneur résiduelle en eau en fonction du temps et de la température de friture. On note que pour ramener la teneur en eau des tranches d’amandes de karité à 10-15 % qui a été signalée comme optimale pour l’extraction [19], il faut les immerger pendant plus de 6 minutes dans un bain de beurre de karité porté à une température supérieure à 140 °C. Ces conditions optimales sont en accord avec les observations faites précédemment sur l’étude cinétique.

Les courbes isoréponses de la ( figure 4 ) (variation de la teneur en eau en fonction de l’épaisseur et du temps de friture) montrent que la teneur en eau des amandes optimale pour l’extraction du beurre est obtenue avec les tranches de moins de 12 mm d’épaisseur, frites pendant plus de 6 minutes. Le rapport amande/beurre (masse/masse) conduisant à cette teneur en eau doit être inférieur à 0,06 pour les durées de friture supérieure à 6 minutes (( figure 5 )). Il apparaît difficile d’atteindre de très faibles teneurs finales en eau sur des tranches épaisses, même lorsque le rapport massique devient faible: au bout d’un certain temps de friture il y a formation d’une croûte qui limite l’évaporation de l’eau [27, 28]. En revanche, la friture de tranches fines sous de faibles rapports massiques permet d’atteindre de faibles humidités résiduelles des amandes en peu de temps.
Tableau 3 Résultats de la régression exponentielle des teneurs en eau.

Température (°C)	Equation	r²	Pente (a)	Interception (b)
120	TE = Exp (4,047 - 0,011 t)	0,889	– 0,011	4,047
140	TE = Exp (3,973 - 0,026 t)	0,991	– 0,026	3,973
160	TE = Exp (3,928 - 0,034 t)	0,976	– 0,034	3,928
180	TE = Exp (4,132 - 0,055 t)	0,974	– 0,055	4,132

Évolution de la teneur en huile

La quantité d’huile absorbée par les amandes frites dépend du temps de friture. De plus, une corrélation linéaire négative est observée entre les teneurs en huile et en eau (tableau 4( Tableau 4 )). Plusieurs facteurs ont été rapportés pouvant affecter l’absorption d’huile et les points de vue sont parfois divergents. Par exemple, Fan et Arce [29], mentionnent que, dans un certain intervalle de température donné, l’augmentation de la température de friture réduit l’absorption d’huile, alors que pour Gamble, Rice et Seldman [25] la quantité d’huile absorbée par les pommes de terre est indépendante de la température de friture. Ces mêmes auteurs suggèrent l’existence d’une corrélation linéaire entre la perte en eau et l’absorption d’huile, alors que Du Pont Kirby et Smith [30] ne trouvent pas de relation entre ces deux variables.
Tableau 4 Résultats de la régression linéaire des teneurs en huile (TH) et en eau (TE).

Température (°C)	Equation	r²
120	TH = 60,396 - 0,263.TE	0,847
140	TH = 65,917 - 0,384.TE	0,882
160	TH = 59,872 - 0.208.TE	0,892
180	TH = 59,140 - 0,188.TE	0,836

Comparaison séchage-friture et séchage convectif

Le temps de séchage par friture est considérablement réduit par rapport au séchage convectif à l’air. Par exemple, pour atteindre une humidité de 30 % avec des amandes entières fraîches, il faut plus de 60 heures pour un séchage au soleil, une vingtaine d’heures par séchage électrique à convection forcée et seulement 15 à 40 minutes par friture (tableau 5( Tableau 5 )). Cette différence est évidemment liée à la température de séchage : 120 à 180 °C en friture contre 50 à 60 °C par séchage électrique et encore moins par séchage au soleil (22 à 43 °C observés pendant la saison des pluies). Dans ces conditions de faibles températures et longues durées d’exposition, les lipases restent activent, dégradent les graisses et entraînent ainsi l’augmentation de la teneur en acides gras libres, ce qui détériore la qualité marchande du beurre de karité extrait par la suite.
Tableau 5 Temps de traitement des amandes de karité nécessaire pour atteindre une humidité de 30 % (base humide) par séchage-friture et séchage convectif.

Type de séchage	Température de friture (°C)	t_30% (minutes)
Séchage-friture	120	40
140	20
160	15
180	15
Séchage convectif à l’air	50	1 100-1 250 (18 à 21 heures)
Séchage solaire direct	variable (22 à 43 °C)	3 990-4 190 (66 à 69 heures)

Conclusion

Un séchage-friture permet de réduire rapidement et considérablement la teneur en eau des amandes de karité récoltées au Nord-Cameroun. En conditions optimales, des teneurs en eau de 10 à 15 % sont obtenues en séchant pendant 6 minutes des amandes d’épaisseur inférieure à 12 mm, à des températures supérieures à 140 °C, dans un rapport massique inférieur à 0,06. La teneur en eau résiduelle des amandes séchées par friture est prédictible à partir d’un modèle d’équation de régression établi à partir d’un plan d’expériences. Comparé au séchage convectif à l’air (au soleil ou électrique), le temps de séchage est réduit de 30 à 200 fois. Cette étude préliminaire laisse entrevoir une application de ce procédé dans les conditions villageoises dans le but final d’améliorer la qualité marchande du beurre de karité extrait. La recherche des conditions optimales dans l’ensemble des séquences d’extraction devrait permettre d’atteindre la conformité aux cahiers des charges exigeants des clients utilisateurs.

Remerciements

Les auteurs remercient la Fondation internationale pour la science (IFS, Stockholm) et l’Institut de recherche pour le développement (IRD, Paris) pour leur contribution au financement de ce travail.

Références

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