Quelques propriétés de l’eau
L’eau, l’un des quatre composants fondamentaux présents dans les aliments, est extrêmement importante tant en raison de sa nécessité vitale sur le plan nutritionnel que de son influence sur les propriétés physiques, chimiques et microbiologiques des aliments dans lesquels elle se trouve.
Afin de comprendre pourquoi l’eau est si importante, il est nécessaire de connaître ses principales propriétés et caractéristiques.
L’eau est un composé formé par la liaison covalente de deux atomes d’hydrogène avec un atome d’oxygène.
La forme de la molécule d’eau et le fait que l’oxygène soit plus électronégatif que l’hydrogène dans les liaisons O–H confèrent à l’eau un caractère polaire, avec des pôles négatif et positif. Certaines des caractéristiques de l’eau sont présentées ci-dessous;
Des liaisons hydrogène se forment entre les molécules d’eau, plus précisément entre l’oxygène d’une molécule d’eau et l’hydrogène d’une molécule voisine.
Le fait que les molécules d’eau présentes dans un système tridimensionnel établissent des liaisons hydrogène entre elles explique la capacité calorifique élevée de l’eau, sa tension superficielle, son point de fusion, son enthalpie de vaporisation et de fusion, ainsi que ses fortes forces d’adhésion et de cohésion.
La forte adhésion et cohésion de l’eau lui permettent d’adhérer facilement à des substances étrangères et de les mouiller, ainsi que de se déplacer contre la gravité, comme dans les capillaires des plantes.
Le fait que l’état solide de l’eau (glace) ait une densité inférieure à celle de son état liquide est également lié au nombre de liaisons hydrogène intermoléculaires formées et à la longueur de ces liaisons.
La présence de pôles positif et négatif dans la molécule d’eau permet aux composés ioniques de bien se dissoudre dans l’eau. De plus, des composés non ioniques mais polaires, tels que les sucres et les alcools simples, peuvent également se dissoudre dans l’eau.
L’effet résulte principalement de la formation de liaisons hydrogène entre les groupes polaires (entre l’oxygène de l’eau et le groupe carbonyle du composé dissous).
Formes d’eau dans les aliments
Tous les aliments contiennent de l’eau en quantités variables. Par exemple, la viande contient environ 70 % d’eau et le lait environ 87 %. Le tableau ci-dessous présente la teneur en eau de certains aliments;
Cependant, toute l’eau présente dans les aliments ne se comporte pas comme de l’eau libre et ne possède pas toutes les propriétés de l’eau. L’eau existe dans les aliments sous cinq formes différentes, décrites comme suit;
1. Eau structurelle: Eau présente comme partie intégrante de composants autres que l’eau. Elle ne possède pas de caractère solvant, ne gèle pas à –40 °C et son activité de l’eau est nulle. Elle constitue un très faible pourcentage de l’eau totale des aliments.
2. Eau vicinale: Eau liée à des composés possédant de forts groupes polaires hydrophiles. Elle ne possède pas de caractère solvant, ne gèle pas à –40 °C et son activité de l’eau est nulle. En quantité élevée, elle peut entourer les groupes polaires hydrophiles en une seule couche.
3. Eau multicouche: Eau liée à l’eau vicinale. En raison de sa proximité avec des composants autres que l’eau, elle peut partiellement présenter les caractéristiques de l’eau pure. Une grande partie ne gèle pas à –40 °C et peut présenter des propriétés solvantes.
4. Eau libre: Eau présente dans l’aliment à distance des composants non aqueux et interagissant uniquement avec d’autres molécules d’eau. Les caractéristiques de cette eau ressemblent à celles d’une solution saline diluée. L’eau libre peut geler en dessous de 0 °C et présenter des propriétés solvantes.
5. Eau piégée: Eau située entre de grandes macromolécules. Elle peut être facilement éliminée par séchage ou facilement congelée. L’eau présente dans les gels de pectine et d’amidon, ainsi que dans les tissus animaux et végétaux, en est un exemple.
À partir de cette classification, on peut affirmer que toute l’eau contenue dans un aliment ne présente pas les propriétés de l’eau libre. Cela signifie que toute l’eau d’un aliment n’est pas “disponible” pour les réactions physiques et chimiques ni pour l’activité des micro-organismes.
Par conséquent, au-delà de la quantité totale d’eau contenue dans un aliment, il est extrêmement important de connaître la proportion d’eau qui présente effectivement les propriétés de l’eau, tant pour la conservation que pour la transformation des aliments. L’une des raisons pour lesquelles deux aliments contenant la même proportion d’eau peuvent avoir des durées de conservation différentes réside dans les proportions variables des différentes formes d’eau qu’ils contiennent.
Le paramètre connu sous le nom d’”activité de l’eau” est utilisé pour mesurer la “disponibilité” de l’eau dans les aliments. L’activité de l’eau est définie comme le rapport entre la pression de vapeur de l’eau dans un aliment et la pression de vapeur de l’eau pure à la même température.
Le symbole de l’activité de l’eau est “aw.” Elle varie entre 0 et 1 et s’exprime sans unité. Par exemple, l’activité de l’eau de l’eau pure est de 1, celle du miel est d’environ 0,60 et celle du lait en poudre d’environ 0,2.
L’importance de l’activité de l’eau peut être expliquée comme suit;
La plupart des bactéries nuisibles nécessitent un milieu présentant une activité de l’eau d’au moins 0,91 aw pour maintenir leurs fonctions vitales. Si l’activité de l’eau d’un aliment est inférieure à 0,91, ou si elle est réduite en dessous de cette valeur par un traitement (tel que le séchage ou la concentration), l’aliment n’est plus favorable au développement de la plupart des bactéries nuisibles. Par conséquent, ces bactéries ne peuvent plus altérer l’aliment (ce sujet sera examiné plus en détail dans la section de microbiologie alimentaire).
Du point de vue des réactions chimiques, la réaction de Maillard atteint sa vitesse maximale pour des valeurs d’aw comprises entre 0,65 et 0,70. Dans les aliments riches en acides aminés et en sucres réducteurs, la valeur de l’activité de l’eau est particulièrement importante. De même, la teneur en vitamine C d’un aliment est étroitement liée à son activité de l’eau. En effet, lorsque l’activité de l’eau augmente, la vitesse de dégradation de la vitamine C augmente également.
Il convient toutefois de noter que si le paramètre d’activité de l’eau est utilisé efficacement à des températures supérieures au point de congélation, il perd en grande partie sa validité à des températures inférieures au point de congélation. (Pour des informations plus détaillées sur l’activité de l’eau, voir Activité de l’eau; Définition et effet sur l’activité microbiologique)
Un autre concept important dans la relation entre les aliments et l’eau est celui d’”humidité d’équilibre.” Comme on le sait, les aliments absorbent l’humidité de leur environnement ou en libèrent.
Dans un même environnement, un biscuit peut absorber l’humidité et ramollir, tandis qu’une tomate perd de l’humidité et se dessèche. Après un certain temps, la teneur en humidité de l’aliment et celle de l’environnement atteignent un équilibre et se stabilisent.
Le point atteint est appelé “teneur en humidité à l’équilibre” et s’exprime en g d’humidité/g de matière sèche. Naturellement, cette teneur dépend de la température et de l’humidité relative de l’environnement.
Lorsque le processus par lequel un aliment atteint sa teneur en humidité d’équilibre à la suite d’un échange d’humidité avec l’environnement est représenté graphiquement, on obtient des “isothermes de sorption.” La représentation graphique de la phase durant laquelle un aliment complètement sec absorbe de l’humidité jusqu’à atteindre l’équilibre est appelée “isotherme d’adsorption.”
La représentation graphique de la phase durant laquelle un aliment humide perd de l’humidité jusqu’à atteindre l’équilibre avec l’humidité ambiante est appelée “isotherme de désorption.” Les données relatives aux isothermes de sorption sont obtenues expérimentalement. La teneur en humidité à l’équilibre et les isothermes de sorption sont extrêmement importantes pour le stockage et la conservation des aliments.
Pour des informations détaillées sur l’importance de l’eau en termes de nutrition et de santé, les fonctions de l’eau dans l’organisme et la quantité d’eau nécessaire quotidiennement, je vous recommande de lire mon article intitulé “Eau et Santé; Fonctions de l’eau et besoin quotidien en eau“
Références
Saldamlı, İ. (Ed.). (2021). Gıda Kimyası. Hacettepe Üniversitesi Yayınları.
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Halil İbrahim Akgül
Halil Ibrahim Akgul, Ph.D., is an Assistant Professor of Food Engineering at Bayburt University, where he works in the Division of Food Sciences within the Faculty of Engineering. He received his B.Sc. in Food Engineering from Akdeniz University in 2010, followed by an M.Sc. and a Ph.D. in Food Engineering from Atatürk University in 2015 and 2020, respectively. His formally recognised academic fields are Food Sciences and Engineering, Food Technologies, Dairy and Dairy Products Technology, and Food Microbiology.
Dr. Akgul has more than fifteen years of professional, research, and academic experience in food science. Between 2011 and 2013, he worked as the food engineer responsible for operations at the Pilot Dairy and Bread Factory of Atatürk University’s Directorate of Agricultural Enterprises. This industrial experience, combined with his subsequent academic research, gave him extensive practical and scientific knowledge of milk processing, dairy production, food quality, hygiene, and product development.
His research is primarily focused on milk and dairy products, dairy microbiology, starter cultures, lactic acid bacteria, exopolysaccharides, butter technology, and the physicochemical, microbiological, sensory, and nutritional properties of foods. His studies have examined the quality and fatty-acid composition of traditional butter, aroma formation in butter produced with different starter cultures, raw-milk quality, the characterisation and antioxidant activity of bacterial exopolysaccharides, traditional dairy products such as çökelek and karın kaymağı, colostrum powder, and the use of fruit-derived ingredients in ice cream production.
His academic record includes peer-reviewed research articles published in national and international journals, including Mljekarstvo, Acta Scientiarum Technology, the Journal of Food Safety and Food Quality, the International Journal of Food Engineering, the Atatürk University Journal of Agricultural Faculty, and ATA Food Journal. Four of the research articles currently listed in his university profile were published in SCI-Expanded-indexed journals. He has also contributed to twelve national and international conference papers and presentations covering dairy products, food microbiology, butter quality, fatty-acid composition, starter cultures, exopolysaccharide-producing bacteria, colostrum, traditional foods, and functional ice-cream formulations.
Dr. Akgul has participated as a researcher or adviser in eleven completed scientific and applied research projects. These projects have addressed the modernisation of pilot dairy-processing facilities; the production and quality characteristics of colostrum powder; the physicochemical and microbiological quality of butter and raw milk; the identification of exopolysaccharide-producing lactic acid bacteria; the development and production optimisation of starter cultures for mould-ripened cheese; the standardisation of traditional dairy products; and the use of sloe berry and persimmon fibre in ice-cream production.
His teaching experience spans undergraduate, associate-degree, and graduate education. The courses he has taught include Food Chemistry, Analytical Chemistry, General Chemistry, Organic Chemistry, Fermented Dairy Products Technology, Butter Production and Processing Technology, Healthy Living and Nutrition, Organic Agriculture and Food, Popular Science, Digital Literacy, and Information Technologies. Through these courses, he combines fundamental food chemistry and engineering principles with dairy technology, nutrition, scientific literacy, and the practical communication of scientific knowledge.
He is the founder and Editor-in-Chief of Gıda ve Sağlık, a multilingual digital publication devoted to food, nutrition, health, food chemistry, food microbiology, and culinary science. Through this platform, he draws upon his academic background, teaching experience, research activity, and practical knowledge of food production to present scientifically grounded information in a detailed and accessible form for an international readership.