Contribution to the optimization of the baking products : study of bread dough gas cell wall rupturephenomenon | Contribution à l'optimisation de la cuisson de produits panifiés : étude du phénomène de rupture de film de pâte à pain

إنجليزي. The structure of bread dough can be described as a dispersion of gas bubbles in a gluten/starch matrix (foam structure). During baking, the dough is subjected to various thermomechanical and biochemical phenomena (gelatinization of the starch, denaturation of the gluten), resulting in the transition of the dough from a liquid foam structure to a solid cell structure. The final volume and structure of the bread strongly depend on when and how the wall between two bubbles ruptures during baking. The collapse of the expanding dough is observed when the rupture occurs too early, while a contracted loaf is obtained upon cooling when the dough wall ruptures occur at the later stage of baking. Two approaches have been considered to understand the impact of the different mechanisms involved in the mechanical rupture of the dough film at the starch granules scale during baking. The first approach consisted of predicting the mechanical behaviour of a dough film reduced to the size of a starch granule using a viscohyperelastic model. The analysis of the average von Mises stress fields and the stress triaxiality shows that the mechanical failure of the dough wall is strongly sensitive to the nature of the gluten-starch interactions from starch fractions higher than 11% v/v. The second approach, complementary to the first one, focused on developing a small-sized bubble inflation device to characterize the mechanical behaviour of a dough film (thickness 200μm-1mm) under fermentation and baking conditions. An overestimation of the stress by the inflation technique above Hencky strains of 1.5 for the low thicknesses considered is observed. The mechanical moduli of gluten and starch are estimated by comparing the experimental results with the model. Moreover, the evolution of the film topography, particularly the shape and size of the starch granules and holes (rupture), is discussed through image analysis. The technological issues of this thesis concern the development of new baking techniques such as vacuum baking and the integration of the variability of raw materials during breadmaking.

فرنسي. La structure de la pâte à pain peut être décrite comme une dispersion de bulles de gaz dans une matrice gluten/amidon (structure de mousse). Au cours de la cuisson, la pâte est soumise à divers phénomènes, thermomécaniques et biochimiques (gélatinisation de l’amidon, dénaturation du gluten) entrainant le passage de la pâte d’une structure de mousse liquide à une structure alvéolaire solide. Le volume et la finale du pain dépendent fortement de quand et comment la paroi comprise entre deux bulles se rompt au cours de la cuisson. L’effondrement de la pâte en expansion est observé lorsque la rupture intervient trop tôt tandis qu’un pain contracté est obtenu au refroidissement lorsque la rupture de la paroi de pâte n’est jamais atteinte. Dans le souci de comprendre l’impact des différents mécanismes impliqués lors de la rupture mécanique de la paroi de pâte à l’échelle des principaux constituants au cours de la cuisson, deux approches ont été abordées. La première approche a consisté en la prédiction du comportement mécanique d’un film de pâte réduit à la taille d’un grain d’amidon grâce à une modèle visco-hyperelastique. L’analyse des champs de contraintes moyennes de von Mises et de la triaxialité des contraintes montre que la rupture mécanique de la paroi de pâte est fortement sensible à la nature des interactions gluten-amidon à partir des fractions d’amidon supérieures à 11% v/v. La seconde approche, complémentaire à la première, a porté sur le développement d’un dispositif de caractérisation du comportement mécanique d’un film de pâte (épaisseur 200μm-1mm) dans les conditions de fermentation et de cuisson. Une surestimation de la contrainte par la technique de soufflage à partir des déformations vraies supérieures à 1,5 pour les faibles épaisseurs considérées est observée. Les modules mécaniques du gluten et de l’amidon sont estimés grâce à une confrontation des résultats expérimentaux au modèle. De plus, l’évolution de la topographie du film notamment, la forme, la taille des grains d’amidon et des trous (rupture) est discutée au moyen d’analyses d’images. Les enjeux technologiques de cette thèse concernent le développement de nouveaux procédés comme la cuisson sous vide et l’intégration de la variabilité des matières premières dans la conduite de la cuisson.