Les machines à pain obtiennent beaucoup

La physique pourrait-elle nous aider à fabriquer un meilleur pain ? Oui, disent les chercheurs de l’Université technique de Munich en Allemagne. Leurs résultats – basés sur une simulation 3D du pétrissage de la pâte dans un pétrin industriel – révèlent que les techniques de mélange radial fonctionnent mieux que le mélange vertical, et qu'un appareil doté d'un bras en spirale très courbé ou de deux bras en spirale imitant le pétrissage à la main pourrait produire une pâte qui est bien aéré, absorbe bien l'eau et est élastique.

La pâte à pain contient quatre ingrédients principaux : de la farine, de l'eau, du sel et un agent levant comme la levure. Le pétrissage développe le réseau de gluten de la pâte et produit une matière qui se comporte entre un liquide visqueux et un solide élastique lorsqu'elle est déformée. Le pétrissage incorpore également de l'air à la pâte, ce qui est important pour la faire lever une fois au four.

Comme les lecteurs réguliers de Physics World s’en souviendront, les boulangers professionnels et amateurs – physiciens ou non – savent que la pâte à pain doit être pétrie juste le temps nécessaire et d’une manière particulière pour produire la texture souhaitée. Un pétrissage excessif produit une pâte dense et serrée qui absorbe moins bien l'eau et ne lève pas au four. Le sous-pétrissage est tout aussi catastrophique, réduisant la capacité de la pâte à retenir ces précieuses bulles d'air.

Bien que l'homme fabrique du pain depuis 8 000 ans, on manque encore d'informations précises sur les changements qui se produisent lors du pétrissage et leurs effets sur la qualité de la pâte. Mais aujourd'hui, des chercheurs dirigés par Natalie Germann ont réalisé des simulations informatiques 3D de la pâte à pain qui prennent en compte à la fois ses propriétés visqueuses et élastiques, tout en tenant compte de la surface libre qui se forme entre l'air et la pâte lorsqu'elle est pétrie dans un environnement industriel. Pétrin à spirale 3D.

Pour simuler la viscosité de la pâte, Germann et ses collègues ont utilisé un modèle White-Metzner monomode, qui permet de prédire le comportement rhéologique (écoulement) des matériaux viscoélastiques sous des taux de cisaillement élevés et dans toutes les dimensions. Ils ont combiné ce modèle avec un modèle Bird-Carreau modifié, qui décrit la pâte sur une large gamme de taux de cisaillement. Ce dernier modèle simule la déformation de la pâte en fonction de sa viscosité ainsi que du temps qu'elle met à se détendre.

Pour rendre les prédictions de leur modèle aussi réalistes que possible, l'équipe les a appliquées à des géométries informatisées basées sur les dimensions et les structures de pétrins industriels réels. Ils ont également mené des expériences visant à générer des paramètres d’entrée réalistes pour le modèle et à tester ses prédictions.

Ces expériences ont été réalisées à l’aide d’un malaxeur industriel constitué d’un bras spiralé rotatif et d’une tige fixe. Les chercheurs ont préparé leur pâte à pain en mélangeant 500 g de farine de blé de type 550, 296 g d'eau décalcifiée et 9 g de sel dans un pétrin à spirale Diosna SP12. Ils ont pré-mélangé la pâte pendant 60 secondes à une vitesse de 25 Hz avant de la mélanger pendant 300 secondes à 50 Hz. Le bras pétrisseur se déplaçait dans la même direction que le bol mais à une vitesse de rotation 6,5 fois supérieure. Pour éviter la perte d'humidité et l'évaporation, la pâte finie a été recouverte d'un film plastique et laissée reposer pendant 20 minutes avant d'effectuer des mesures de rhéologie et de tensiométrie.

Bien que Germann et ses collègues aient pu utiliser un rhéomètre commercial (un Anton Paar MCR 502) pour mesurer l'écoulement de leur pâte à 24 °C, mesurer la tension superficielle de la pâte s'est avéré plus difficile. De telles mesures ne peuvent pas être effectuées directement car une interface liquide-air est nécessaire. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont placé une couche de solution saline liquide à la surface de la pâte et ont mesuré la tension superficielle de cette solution lors de sa diffusion dans la phase liquide de la pâte.

Les simulations qui en ont résulté ont fourni des informations précieuses sur les processus se produisant à l’intérieur de la pâte et à sa surface, tels que la manière dont l’air est incorporé dans la pâte et comment les « poches de pâte » – ou grumeaux – se forment et se désagrègent. Le modèle a également reproduit certains comportements macroscopiques de la pâte que l’équipe a observés lors de ses expériences. Par exemple, l’élasticité de la pâte lui permet de vaincre les forces gravitationnelles et centrifuges lors du pétrissage, ce qui signifie que la pâte « migre » vers la tige en rotation avant de remonter dessus. Ce phénomène de grimpe sur tige est bien décrit par les modèles de l'équipe de Munich.