La science de la caramélisation – Les bases de la chimie alimentaire

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Si vous pensez à la chimie, vous pensez peut-être à un laboratoire, avec des personnes portant des blouses blanches, où de nombreux produits chimiques compliqués, voire dangereux, sont mélangés et testés par des chimistes expérimentés.

Vous pourriez presque oublier que votre cuisine regorge de produits chimiques et que, dans certains cas, tout ce dont vous avez besoin pour des réactions chimiques spectaculaires est une casserole, une cuisinière et du sucre ! Une fois que le sucre commence à caraméliser lorsqu’il est chauffé, les réactions chimiques se détraquent. Un ensemble étonnamment complexe de réactions chimiques se produit qui transforme votre humble sucre blanc sucré en une bombe de saveur brune légèrement amère et complexe ! La chimie que vous verrez dans votre propre cuisine pourrait même être plus complexe (et probablement moins bien comprise) que la chimie que ces scientifiques font en laboratoire.

Alors asseyez-vous pour une « vraie » leçon de chimie alors que nous plongeons dans la science (inconnue) de la caramélisation !

Ce que nous couvrirons :


Qu’est-ce que la caramélisation ?

Lorsque nous parlons de caramélisation dans cet article, nous parlons précisément de la caramélisation du sucre. Pour caraméliser le sucre, il suffit de sucre + de chaleur. Une fois que le sucre est suffisamment chaud, la caramélisation s’installe. Pendant la caramélisation, le sucre passe du blanc ou incolore au jaune, orange, brun voire noir. Dans le même temps, la saveur du sucre change radicalement, passant d’un profil purement sucré à un profil plus complexe qui peut encore contenir une certaine douceur mais aussi de l’amertume et une saveur dite « caramel ». La saveur est si distincte, elle a son propre nom !

sirop de maïs et nid d'abeilles saccharose
Nid d’abeille qui s’est légèrement caramélisé pour donner une couleur marron clair. L’ajout de bicarbonate de soude au sirop de sucre chaud a contribué à accélérer une partie de cette caramélisation.

Lié à la réaction de Maillard

Un proche parent de la caramélisation est la réaction de Maillard bien connue. Alors que la caramélisation ne nécessite que du sucre, la réaction de Maillard a besoin à la fois de protéines et de sucres. Alors que la caramélisation ne se produit qu’à des températures élevées (au moins au-dessus de 110 °C (230 °F), mais le plus souvent bien au-dessus de 150 °C (300 °F)), la réaction de Maillard peut avoir lieu à des températures considérablement plus basses. Cependant, comme ils utilisent tous deux des composants similaires, une fois que votre produit est suffisamment chaud, ils peuvent tous deux se produire simultanément, selon les conditions.

Température de caramélisation

La caramélisation nécessite des températures élevées pour démarrer. La température à laquelle cela se produit dépend de divers facteurs. Le premier, et le plus important, est le type de sucre. Le sucre ordinaire (saccharose) et le glucose commencent à caraméliser à 160°C. Le maltose, ingrédient assez courant dans le sirop de maïs, en revanche ne caramélise qu’à 180°C alors que le fructose peut caraméliser à 110°C.

sucre cuit à plusieurs étapes de caramel
Expérience de caramélisation du saccharose : remarquez comment le sucre se colore de plus en plus foncé au fur et à mesure que la réaction progresse.

Mécanisme de réaction de caramélisation

Les réactions de caramélisation sont étonnamment complexes et, tout comme les réaction de Maillard, pas complètement compris. Il y a tout simplement trop de choses qui se passent en même temps. Cela dit, il y a certaines choses que nous savons, et pour que nous puissions creuser dans celles-ci, nous devons commencer par examiner nos composants de départ : les sucres.

Que sont les sucres ?

La caramélisation a besoin de sucres pour se produire. Cependant, il existe de nombreux types de sucres différents. Tous les sucres appartiennent à un groupe de molécules appelées glucides. Ils sont tous constitués des mêmes blocs de construction, les monosaccharides, qui sont reliés entre eux de différentes manières et tailles. Les glucides plus petits, ceux constitués d’un seul (les monosaccharides) ou de deux (disaccharides) « blocs de construction », sont ce que nous appelons les sucres.

Les monosaccharides courants sont le dextrose (glucose), le fructose et le galactose. Le disaccharide le plus courant est le saccharose, qui est un sucre « ordinaire ». Le saccharose est composé d’une molécule de glucose et d’une molécule de fructose. D’autres disaccharides courants sont le lactose (présent dans les produits laitiers) et le maltose (utilisé pour la bière).

Les glucides plus gros tels que les amidons peuvent être décomposés en sucres. L’amidon est simplement une longue chaîne de molécules de glucose, donc quand il se décompose, il vous reste des sucres individuels !

Initiation de la caramélisation : chaleur

Pour déclencher les réactions de caramélisation, vos sucres doivent être suffisamment chauds. La chaleur est nécessaire pour initier les réactions. La température à laquelle commence la caramélisation varie selon le type de sucre. Le fructose démarre d’abord à 110 °C (230 °F), alors que le maltose doit être à 180 °C (356 °F). Le galactose, le glucose et le saccharose commencent tous à caraméliser vers 160°C (320°F).

Les réactions chimiques abondent

Une fois que les sucres sont suffisamment chauds, de nombreuses réactions chimiques se produiront toutes simultanément. Il existe cependant quelques modèles récurrents.

Étape 1 : Enolisation

Souvent, la caramélisation commence par une réorganisation des sucres eux-mêmes via un type de réaction appelé énolisation. Au cours d’une telle réaction, un atome d’oxygène avec la molécule de sucre qui était initialement lié à un atome de carbone avec deux connexions, devient maintenant connecté à un atome de carbone et un atome d’hydrogène. Ce léger décalage de structure permet alors à d’autres réactions de se produire.

équilibre céto énol
La molécule de gauche est un « céto », celle de droite un « énol ». La réaction allant de gauche à droite est une énolisation.
Étape 2 : Déshydratation

Ensuite, la molécule de sucre perdra probablement une molécule d’eau par une réaction appelée déshydratation. Il y a plusieurs façons dont cela peut arriver et il peut également en perdre plus d’un.

Étape 3 : Le Far West sauvage

Après ces deux premières réactions relativement simples et courantes (qui peuvent même ne pas toujours se produire !), cela devient vraiment le Far West. De nombreuses réactions différentes se produiront et pourront se produire pendant cette période. Au cours de ces réactions, différents types de molécules se formeront.

Les molécules qui font brunir votre caramel seront de grosses molécules, composées de nombreuses molécules plus petites qui ont réagi ensemble. Ce processus est appelé oligomérisation. Trois types de molécules sont souvent mentionnés pour se former au cours de ce processus (caramelan, caramelen et caraméline). Cependant, bien que cela soit souvent cité, la preuve de la formation de ces molécules n’est en réalité pas très solide, ni bien comprise. Au lieu de cela, il est plus probable qu’un large éventail de molécules différentes se forme.

Les molécules plus aromatiques en revanche sont beaucoup plus petites (elles peuvent donc s’évaporer et atteindre votre nez). Des exemples courants de ces molécules sont le diactyle (indispensable pour une odeur de beurre), ainsi que l’hydroxyméthylfurfural (HMF), l’hydroxyacétylfurane (HAF) ou les furanones telles que l’hydroxydiméthylfuranone (HDF) et la dihydroxydiméthylfuranone (DDF).

Lors de l’analyse des caramels, plus de 1000 composants ont été trouvés, montrant à nouveau à quel point ces réactions peuvent être complexes et quelle grande variété de composants peut être formée !

Influencer les réactions de caramélisation

La température ainsi que le type de sucre ont un impact sur la façon dont la série complexe de réactions se produit. Mais il y a plus. La valeur du pH de la solution de sucre a également un impact important. Un environnement plus acide ou alcalin accélère la caramélisation. Cela peut également provoquer le début de la caramélisation à une température plus basse par rapport à la température de caramélisation «normale» de ce sucre.

Nous avons testé cela plus en détail précédemment lors de la création sirops de sucre savoureux (qui avait été caramélisé).

cuisson de divers sirops de sucre
Ces sirops étaient fabriqués à partir de saccharose + eau + un additif comme mentionné au dessus de chaque pot. Les sirops ont été chauffés à 148°C, ce qui est inférieur à la température de caramélisation du saccharose. Néanmoins, vous pouvez voir que dans des conditions acides (jus de citron vert) et alcalines (bicarbonate de soude), le brunissement a commencé à se produire !

Faire des colorants caramel

Même si les mécanismes de réaction de caramélisation ne sont pas complètement compris en détail, nous en savons assez pour produire systématiquement des caramels à partir de sucre. L’industrie alimentaire et des colorants utilise cette expertise pour fabriquer une gamme de colorants caramel qui peuvent être ajoutés aux aliments pour colorer les aliments. La nourriture n’a alors pas besoin de se caraméliser, à la place, la couleur peut simplement être ajoutée. Ces couleurs n’ont cependant pas une saveur forte et sont vraiment principalement utilisées pour la couleur car elles sont assez fortes.

En Europe, ces couleurs sont étiquetées comme un numéro E, E150 avec quatre variétés différentes (a, b, c et d).

Prêt à commencer à faire de la chimie dans votre propre cuisine ? Prenez du sucre et une casserole et vous pouvez y aller. Ou, commencez à en faire caramels, Pop-corn au caramel, ou sirops de sucre pour mettre vos connaissances en pratique !

pile de pop-corn au caramel
Pop-corn au caramel!

Les références

EH AJANDOUZ, LS TCHIAKPE, F. DALLE ORE, A. BENAJIBA ET A. PUIGSERVER, Effets du pH sur la caramélisation et la cinétique de réaction de Maillard dans les systèmes modèles fructose-lysine, Journal of Food Science, Vol. 66, n° 7, 2001, relier

Benjamin Caballero, Paul Finglas, Fidel Toldra, Academic Press, 2015, Chapitre : Caramel : Propriétés et analyse (par N. Kuhnert), relier

Food-info.net, Caramélisation, relier

Shozaburo Kitaoka et Kiroku Suzu, Caramels & Caramélisation Partie I La nature du caramelan, Agr. Biol. Chem., Vol. 31, n° 6, p. 753.755, 1967, relier

Nor Shuhada Binti Shoberi, LE RLE DU pH, DE LA TEMPÉRATURE ET DU TYPE DE CATALYSEUR DANS LE PROCESSUS DE FABRICATION DU CARAMEL, 2010, relier

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