La congélation abaisse la température d’un aliment sous son point de congélation commençante et transforme en glace la majeure partie de son eau. Elle ne détruit presque rien et ne corrige aucun défaut : elle immobilise. En retirant l’eau liquide du jeu, elle prive micro-organismes et enzymes du solvant sans lequel ils ne font rien, et divise par cent à mille la vitesse des réactions d’altération. C’est le seul procédé de conservation longue qui laisse à un petit pois le goût, la couleur et la fermeté d’un petit pois.
Le prix à payer se joue en quelques minutes. L’eau qui gèle change de volume, de forme et de place, et forme des cristaux dont la taille dépend presque entièrement de la vitesse à laquelle le produit traverse la plage comprise entre −1 et −5 °C, celle où cristallise environ 80 % de l’eau congelable. Franchie en dix minutes, elle laisse des cristaux de 5 à 20 micromètres, sans conséquence visible ; franchie en six heures, elle en laisse de 100 à 200 micromètres, qui ont perforé des parois et vidé des cellules. Rien de ce qui se perd là ne se rattrape : ni un stockage à −30 °C, ni une décongélation lente, ni un emballage parfait ne reconstruisent une paroi crevée.
Cette page traite la cristallisation de l’eau dans un milieu concentré, l’abaissement cryoscopique, l’équation de Plank et ses limites, les matériels, la dérive lente de l’entrepôt et la décongélation. Elle traite enfin le cas où le froid et le sucre se rencontrent frontalement : le sorbet. Là, le sucrant n’est pas un ingrédient de goût qu’on remplace à l’identique, c’est un antigel dont la masse molaire fixe la température de congélation, donc la fraction de glace à la température de service, donc la dureté du produit dans la cuillère. Un sorbet au xylitol est plus mou qu’un sorbet au saccharose à masse égale, et la raison tient en deux nombres : 152 contre 342 grammes par mole.
Congélation ou surgélation ? La congélation est l’opération physique : abaisser la température sous le point de congélation commençante et solidifier l’eau. Elle ne dit rien de la vitesse. La surgélation est une catégorie réglementaire : une congélation assez rapide pour franchir vite la zone de cristallisation maximale, suivie d’une stabilisation à −18 °C ou moins en tous points, maintenue jusqu’au consommateur. Un steak passé douze heures en chambre à −25 °C est congelé ; passé quarante minutes dans un tunnel à −35 °C, il est surgelé — même température finale, structure interne sans rapport, et c’est la directive 89/108/CEE qui réserve la mention « surgelé » au second cas. À ne pas confondre non plus avec la réfrigération, qui maintient entre 0 et +8 °C sans jamais former de glace : elle ralentit les micro-organismes, la congélation les arrête.
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À quoi sert l’opération
Conserver longtemps sans additif ni traitement thermique. À −18 °C, la vitesse des réactions chimiques est divisée par 50 à 500 par rapport à +5 °C. Les durées de conservation pratiques admises par l’Institut international du froid en donnent l’ordre : 18 à 24 mois pour les petits pois, 12 à 18 mois pour un muscle de bœuf, 10 à 12 mois pour une fraise, 4 à 6 mois seulement pour un poisson gras dont l’huile s’oxyde même dans la glace. Descendre le stockage à −30 °C double à peu près chacune de ces durées.
Découpler la production de la consommation. Une récolte de petits pois dure trois semaines, sa consommation douze mois. La congélation est la seule opération qui autorise un stock annuel sur un produit à haute teneur en eau sans en changer la nature : elle rend possible l’usine à campagne courte et à débit énorme, 20 à 60 tonnes par heure, moins de deux heures entre la récolte et le tunnel.
Détruire les parasites. C’est la seule action assainissante réelle du froid négatif : le règlement (CE) n° 853/2004 impose, pour les produits de la pêche consommés crus ou peu cuits, −20 °C pendant au moins 24 heures en tous points, ou −35 °C pendant 15 heures, contre les larves d’anisakis. Sur les bactéries en revanche, la congélation n’est pas un traitement : la population baisse d’un facteur 10 à 100 les premières semaines, puis les survivants se stabilisent — Listeria monocytogenes, les salmonelles et les norovirus traversent des années à −18 °C sans dommage.
Les filières l’emploient différemment. En fruits et légumes, elle vient après un blanchiment obligatoire : sans lui, peroxydase et lipoxygénase, encore actives à −18 °C, produisent en deux à trois mois des notes de foin et décolorent les verts. En viande, congeler un muscle avant installation de la rigidité cadavérique provoque à la décongélation la contraction dite thaw rigor, avec plus de 15 % d’exsudat, d’où la règle des 24 à 48 heures de maturation en froid positif. En produits de la mer, la congélation est souvent embarquée, et le glaçage — film de glace de 2 à 8 % de la masse — protège de la sublimation, sa masse devant être exclue du poids net déclaré. En panification enfin, les pâtes crues surgelées reposent sur un compromis entre vitesse de congélation, qui protège le gluten, et survie de la levure, que les cristaux intracellulaires tuent.
Le phénomène physique
Un aliment n’est pas de l’eau. C’est une solution aqueuse concentrée, enfermée dans des compartiments cellulaires et parcourue de membranes. Sa congélation s’étale sur trente degrés, sépare l’eau des solutés, et se termine par une phase visqueuse qui ne gèlera jamais.
Point de congélation commençante et abaissement cryoscopique
Tout soluté dissous abaisse le potentiel chimique de l’eau, donc la température à laquelle glace et eau liquide coexistent. Cet abaissement ne dépend que du nombre de particules dissoutes, jamais de leur nature : une mole de saccharose et une mole de glycérol abaissent le point de congélation du même nombre de degrés. Cette propriété colligative est la clé de toute la section sur les sorbets.
Les ordres de grandeur sont modestes et pourtant décisifs. Le lait gèle à −0,52 °C, valeur si stable que la cryoscopie du lait l’utilise depuis un siècle pour détecter un mouillage à l’eau ; un muscle de bœuf vers −1,0 à −1,7 °C, un petit pois vers −1,1 °C. Un jus d’orange à 11 °Brix gèle vers −1,2 °C, le même concentré à 45 °Brix vers −8 à −10 °C. Un mix de crème glacée à 38 % de matière sèche gèle vers −2,3 à −2,8 °C, un sorbet à 30 % de sucres vers −3 à −4 °C.
Surfusion et germination
Atteindre le point de congélation commençante ne suffit pas à faire de la glace : il faut qu’un germe dépasse la taille critique au-delà de laquelle son grossissement fait baisser l’énergie libre. En dessous, l’énergie de création d’interface l’emporte et l’amas se défait ; le système reste liquide sous sa température d’équilibre, c’est la surfusion. Dans l’eau pure, la germination homogène n’intervient que vers −38 à −40 °C ; dans un aliment, parois, particules et bulles offrent partout des surfaces hétérogènes et la surfusion se limite à 1 à 4 °C.
Elle n’en est pas moins déterminante. Quand elle se rompt, la cristallisation est brutale, la chaleur latente libérée d’un coup fait remonter la température jusqu’au point de congélation commençante, et le nombre de germes formés à cet instant fixe le nombre final de cristaux. Un refroidissement rapide en engendre beaucoup, un refroidissement lent très peu : le nombre de germes se décide à la seconde du déclenchement, la taille des cristaux n’en est que la conséquence arithmétique.
Le palier, la zone critique et la fraction de glace
La cristallisation amorcée, la température chute très lentement : la chaleur extraite change l’état de l’eau au lieu de refroidir. Ce palier n’est pas horizontal, et c’est là toute la spécificité des aliments. Chaque gramme d’eau devenu glace quitte la solution en y laissant les solutés : la phase résiduelle se concentre, son point de congélation descend encore, et il faut refroidir davantage pour geler la fraction suivante. Le produit se cryoconcentre lui-même en gelant.
La courbe de fraction de glace est donc très raide au début et quasi plate à la fin. Pour un point de congélation commençante à −2 °C, la moitié de l’eau congelable a gelé à −4 °C, 80 % à −10 °C, 90 % à −20 °C, et il en reste 5 à 8 % de liquide à −30 °C. La zone entre −1 et −5 °C, dite de cristallisation maximale, concentre à elle seule les trois quarts à quatre cinquièmes du travail de cristallisation : c’est pour cette raison, et pour aucune autre, que la vitesse de traversée de cette plage décide de la qualité.
L’eau non congelable et la phase vitreuse
Une fraction de l’eau ne gèle jamais. Une part est liée, adsorbée sur protéines et polysaccharides : 0,25 à 0,40 gramme par gramme de matière sèche, soit 5 à 10 % de l’eau d’une viande. L’autre est retenue dans une phase devenue trop visqueuse pour cristalliser, la cryoconcentration portant la solution résiduelle à 70-80 % de matière sèche ; elle passe alors à l’état vitreux, à une température notée Tg′ qui vaut environ −32 à −34 °C pour un système au saccharose, −43 °C au glucose, −28 °C au lactose, −8 à −20 °C pour une maltodextrine, et de l’ordre de −40 à −50 °C pour les polyols de faible masse molaire. Elle croît avec la masse molaire des solutés.
Pourquoi Tg′ explique la stabilité du stockage. En dessous de Tg′, la phase non congelée est un verre : diffusion quasi nulle, cristaux qui ne grossissent plus. Au-dessus, c’est un liquide surfondu dont la viscosité chute d’un facteur dix tous les trois à cinq degrés, et tout redevient possible : recristallisation, migration d’eau, cristallisation du lactose. Le stockage réglementaire à −18 °C se situe au-dessus du Tg′ de la plupart des produits sucrés : une crème glacée conservée à −18 °C n’est pas dans un état stable, elle vieillit lentement. C’est la justification physique des entrepôts glaciers tenus à −25 ou −30 °C.
Congélation lente contre congélation rapide
En congélation lente, la germination se produit d’abord dans les espaces extracellulaires, moins concentrés et riches en nucléants. Un cristal formé au-dehors devient un puits d’eau : le potentiel chimique de l’eau y étant plus bas que dans le cytoplasme, l’eau sort de la cellule et s’ajoute au cristal extérieur. La cellule se déshydrate et son contenu se concentre — force ionique dépassant 2 mol/L, dérive du pH, dénaturation des protéines myofibrillaires — pendant que les cristaux extracellulaires atteignent 100 à 200 micromètres. À la décongélation, l’eau ne rentre pas : les membranes ne sont plus sélectives, et le liquide s’écoule. C’est l’exsudat.
En congélation rapide, le front de froid devance la sortie de l’eau : la germination se produit simultanément dedans et dehors, aucun cristal ne dépasse 5 à 20 micromètres, la cellule ne se déshydrate pas. Les mesures d’exsudat le traduisent : 6 à 10 % sur un bœuf congelé lentement contre 2 à 4 % rapidement, 4 à 8 % sur un filet de poisson contre 1 à 3 %, 15 à 25 % sur une fraise contre 8 à 12 %. La fraise reste mauvaise dans tous les cas : aucune vitesse ne rachète des cellules grandes, des parois minces et plus de 90 % d’eau.
Une vitesse ne vaut pas pour tous les produits. Sur un bloc épais et rigide, un refroidissement de surface trop brutal crée un gradient tel que la couche externe, déjà congelée et dilatée de 9 %, se fissure : on croûte alors 60 à 120 secondes en cryogénie, puis on ralentit en tunnel mécanique. Sur les levures d’une pâte crue surgelée, l’ultra-rapide est également néfaste : les cristaux intracellulaires tuent la cellule qu’une déshydratation modérée aurait laissée survivre.
Les grandeurs et les équations
L’abaissement cryoscopique
Kf = 1,86 K·kg·mol−1 est la constante cryoscopique de l’eau, propriété du solvant et de rien d’autre ; le facteur de van ‘t Hoff i vaut 1 pour un soluté non dissocié — tous les sucres, tous les polyols —, 2 pour le chlorure de sodium. Exacte en milieu dilué, la relation sous-estime l’abaissement réel de 20 à 50 % au-delà de 30 % de matière sèche, mais elle reste l’outil de classement de l’ingénierie des glaces : à masse égale, un soluté de masse molaire deux fois plus faible abaisse le point de congélation deux fois plus. La forme rigoureuse, ln aw = −(ΔHf/R) · (1/T0 − 1/Tf), relie le point de congélation à l’activité de l’eau.
La fraction d’eau congelée
Xg est la fraction de l’eau congelable gelée, Tic le point de congélation commençante et T la température, en degrés Celsius sous zéro : la phase liquide résiduelle étant en équilibre avec la glace, sa concentration est celle qui donne exactement cette température comme point de congélation. Pour Tic = −2 °C, la moitié de l’eau congelable est gelée à −4 °C, 80 % à −10 °C, 89 % à −18 °C, 95 % à −40 °C ; pour un sorbet dont Tic vaut −4 °C, 71 % seulement à −14 °C.
Le temps de congélation : l’équation de Plank
Plank a traité l’avancée du front de glace en supposant le front infiniment mince et le régime quasi permanent. Les constantes géométriques P et R valent 1/2 et 1/8 pour une plaque infinie d’épaisseur a, 1/4 et 1/16 pour un cylindre infini de diamètre a, 1/6 et 1/24 pour une sphère. Le premier terme entre parenthèses est la résistance de surface, le second la résistance de conduction dans la couche congelée : toute la conduite d’atelier tient dans la comparaison de ces deux termes.
Un calcul complet, pour fixer les idées. Un steak de 30 mm assimilé à une plaque, dans un tunnel à air pulsé à −35 °C : ρ = 1 050 kg·m−3, Lf = 230 kJ·kg−1, Tic = −1,7 °C, h = 30 W·m−2·K−1, λc = 1,4 W·m−1·K−1. Résistance de surface 5,0 × 10−4, résistance de conduction 0,80 × 10−4 ; leur somme, multipliée par 1 050 × 230 000 / 33,3, donne 4 200 secondes, soit 70 minutes. Le même steak en tunnel cryogénique, avec h = 400 W·m−2·K−1 et une ambiance à −80 °C, tombe à 6 minutes — mais la conduction interne y pèse 68 % de la résistance totale : souffler plus fort ne servirait plus à rien, seule une réduction d’épaisseur gagnerait du temps.
Les hypothèses de Plank sont toutes fausses à des degrés divers : produit supposé déjà à Tic au départ et congelé dès que le front atteint le centre, donc sans chaleur sensible ni avant ni après le palier ; congélation supposée se faire à une température unique ; conductivité, coefficient d’échange et température ambiante supposés constants. Le résultat sous-estime le temps réel de 10 à 40 %. La méthode de Cleland et Earle corrige en introduisant le nombre de Plank et le nombre de Stefan, qui pèsent les chaleurs sensibles initiale et finale ; la méthode de Pham, la plus employée en conception, découpe le refroidissement en trois étapes — préréfrigération, changement d’état à une température moyenne de congélation, abaissement final — traitées avec un écart moteur logarithmique, un facteur de forme E valant 1, 2 ou 3 pour plaque, cylindre et sphère, et une correction (1 + Bi/2).
Le nombre de Biot dit où investir. Bi = h·a/λc compare la résistance interne à la résistance de surface. Sous Bi = 1, la surface commande : ventiler mieux, dégivrer, dégager les grilles, alléger les chariots paie immédiatement. Au-dessus, l’intérieur commande : seule une réduction d’épaisseur change quelque chose, et augmenter le soufflage ne fait plus que consommer. Un pois de 8 mm en lit fluidisé est à Bi ≈ 0,3, un bloc de 60 mm en plaques à Bi ≈ 4.
La charge frigorifique
Chaleur sensible avant le palier, chaleur latente, chaleur sensible après. L0 = 334 kJ·kg−1 est l’enthalpie de fusion de la glace, xe la fraction massique d’eau et Xg la fraction de cette eau gelée à la sortie. Pour des petits pois à 80 % d’eau, de +20 à −18 °C : 74, puis 238, puis 30 kJ·kg−1 — total 342 kJ·kg−1, soit 95 kWh thermiques par tonne, dont 70 % de chaleur latente. Pré-refroidir le produit ne réduit donc la charge que de 20 %, alors qu’abaisser la sortie de −18 à −25 °C ne l’augmente que de 4 % : c’est la teneur en eau, pas la température, qui fixe le dimensionnement.
La vitesse de congélation
e est la distance minimale entre la surface et le centre thermique, t le temps écoulé entre le moment où la surface atteint 0 °C et celui où le centre atteint 10 °C sous le point de congélation commençante. Moins de 0,5 cm·h−1 en chambre statique, 0,5 à 3 en tunnel à air pulsé, 3 à 10 en lit fluidisé ou en plaques, jusqu’à 100 en cryogénie. Une définition concurrente, plus parlante en atelier, mesure le temps de traversée de la plage −1 à −5 °C au centre : moins de 20 minutes pour un produit de qualité, plus de deux heures pour un produit qui exsudera.
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur |
|---|---|---|---|
| ΔTf | Abaissement cryoscopique | K | 0,5 à 4 |
| Kf | Constante cryoscopique de l’eau | K·kg·mol−1 | 1,86 |
| b | Molalité en particules dissoutes | mol·kg−1 | 0,3 à 2,5 |
| Ms | Masse molaire du soluté | g·mol−1 | 92 à 1 800 |
| Tic | Point de congélation commençante | °C | −0,5 à −4 |
| Xg | Fraction de l’eau congelable gelée | — | 0,5 à 0,95 |
| L0 / Lf | Enthalpie de fusion de la glace / du produit | kJ·kg−1 | 334 / 180 à 300 |
| cp,nc / cp,c | Chaleur massique, non congelé / congelé | kJ·kg−1·K−1 | 3,2-3,9 / 1,7-2,1 |
| λc / λnc | Conductivité, congelé / non congelé | W·m−1·K−1 | 1,1-1,8 / 0,42-0,58 |
| h | Coefficient d’échange de surface | W·m−2·K−1 | 6 à 1 000 |
| Bi | Nombre de Biot, h·a/λc | — | 0,1 à 10 |
| Tg′ | Transition vitreuse de la phase cryoconcentrée | °C | −8 à −50 |
| v | Vitesse de congélation | cm·h−1 | 0,2 à 100 |
Les matériels
Les appareils à air dominent. La chambre statique ne congèle pas, elle finit de congeler. Le tunnel à air pulsé accepte tout, produits nus ou emballés, de forme quelconque ; ses faiblesses sont la sublimation et l’hétérogénéité du champ de vitesse d’air, qui fait qu’un chariot mal chargé congèle deux fois plus lentement sur une face. La ceinture spiralée loge 30 à 90 minutes de séjour sur 30 à 60 m² au sol, sans aucun transfert entre l’entrée et la sortie : c’est le matériel des produits formés et fragiles. Le lit fluidisé met le lit de grains en suspension, si bien que chacun est entouré d’air sur toute sa surface et qu’aucun ne colle à son voisin pendant la prise en glace — l’IQF au sens strict, au prix d’une contrainte de calibre et d’une sensibilité extrême à l’humidité de surface.
Les appareils à contact suppriment l’air. Le congélateur à plaques presse le produit entre deux plaques creuses en détente directe, sous 0,3 à 1 bar : ni ventilateurs ni sublimation, des blocs parfaitement parallélépipédiques, et le meilleur rendement énergétique de la panoplie. L’échangeur à surface raclée traite les liquides ; c’est le cœur de la fabrication des crèmes glacées, dont le produit sort à −5/−6 °C avec 45 à 55 % de son eau déjà cristallisée en cristaux de 10 à 20 micromètres. L’immersion en saumure reste cantonnée aux produits protégés par une peau ou un emballage étanche, la pénétration de sel étant inévitable.
La congélation cryogénique, enfin, pulvérise de l’azote liquide à −196 °C ou de la neige carbonique à −78,5 °C. Investissement faible et démarrage instantané en font la solution des petites séries, des pointes saisonnières et des produits à très haute valeur ; mais son coût variable est celui d’un consommable, 0,9 à 1,8 kg d’azote par kilogramme de produit, soit 0,10 à 0,25 € du kilogramme contre 0,01 à 0,03 € en mécanique. On ne congèle pas des petits pois à l’azote.
Asphyxie et ammoniac : les deux risques réels du froid. Un litre d’azote liquide donne 690 litres de gaz. Une fuite en local fermé abaisse la teneur en oxygène sans aucun signe perceptible — l’azote est inodore, incolore, non irritant, et la perte de conscience précède toute sensation d’étouffement. D’où la détection d’oxygène asservie à une alarme et à une extraction, l’interdiction d’accès en point bas et l’interdiction absolue d’intervenir seul. Le dioxyde de carbone est plus dangereux encore, toxique avant d’être asphyxiant : 4 % dans l’air provoquent déjà des troubles. Les installations à ammoniac relèvent quant à elles de la réglementation des installations classées et de la directive 2014/68/UE sur les équipements sous pression. Le contact direct avec un fluide cryogénique provoque des brûlures froides profondes en une seconde.
| Matériel | Ambiance | h (W·m−2·K−1) | Vitesse (cm·h−1) | Temps typique | Perte de masse | Coût | Emploi |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Chambre statique | Air −25 °C, 0,2-0,5 m·s−1 | 6 à 10 | < 0,5 | 12 à 72 h | 1 à 3 % | Très faible | Palettes, produits emballés |
| Tunnel à air pulsé | Air −30 à −40 °C, 2-6 m·s−1 | 20 à 40 | 0,5 à 3 | 1 à 6 h | 1 à 4 % | Faible | Tous formats, cartons, chariots |
| Ceinture spiralée | Air −35 °C, 2-5 m·s−1 | 25 à 40 | 1 à 3 | 20 min à 3 h | 0,5 à 2 % | Faible | Produits formés, fragiles |
| Lit fluidisé IQF | Air −35 à −40 °C, 2-6 m·s−1 | 90 à 120 | 3 à 10 | 3 à 15 min | 0,5 à 1,5 % | Modéré | Grains calibrés 5 à 25 mm |
| Plaques | Contact, plaques −35 à −40 °C | 100 à 250 | 2 à 6 | 50 à 120 min | < 0,2 % | Très faible | Blocs 40 à 100 mm, poisson, purées |
| Surface raclée | Paroi −25 à −30 °C | 500 à 1 500 | — | 20 s à 3 min | 0 | Modéré | Crèmes glacées, sorbets, pâtes |
| Immersion en saumure | Saumure −18 à −25 °C | 300 à 600 | 5 à 15 | 20 à 90 min | 0 (gain de sel) | Faible | Poissons entiers, produits ensachés |
| Cryogénique azote | Gaz −70 à −120 °C | 300 à 1 000 | 10 à 100 | 2 à 20 min | 0,2 à 0,8 % | Élevé | Haute valeur, petites séries, pointes |
| Cryogénique CO2 | Neige et gaz −78,5 °C | 200 à 600 | 8 à 40 | 5 à 25 min | 0,2 à 0,8 % | Élevé | Croûtage, produits collants |
lavé, calibré, blanchi, égoutté — +10 à +20 °C
retire 20 % de la charge
−1 à −5 °C en moins de 20 min — cœur à −12 °C
cœur à −18 °C
film à faible perméabilité, vide d’air minimal
−20 à −25 °C, amplitude inférieure à 1 K
Les paramètres de conduite
| Paramètre | Plage usuelle | Effet d’une augmentation | Limite |
|---|---|---|---|
| Température d’ambiance | −25 à −40 °C (air), −70 à −120 °C (cryogénie) | Écart moteur accru, temps réduit à peu près en proportion inverse | Fissuration de surface ; COP en baisse de 2 à 3 % par kelvin |
| Vitesse de l’air | 2 à 6 m·s−1 | h croît environ en v0,7 ; sublimation accrue | Puissance de ventilation en v3 ; envol du produit léger |
| Épaisseur du produit | 5 à 100 mm | Temps croissant de linéairement à quadratiquement selon Bi | Au-delà de 60 mm, l’air pulsé n’est plus tenable |
| Température d’entrée | 0 à +25 °C | Charge sensible de 3,5 kJ·kg−1 par kelvin | Pré-refroidir à 0 °C retire 20 % de la charge |
| Température de sortie à cœur | −12 à −25 °C | Stabilité au stockage, marge sur la chaîne du froid | Coût faible sous −18 °C : 4 % pour 7 K |
| Fréquence de dégivrage | toutes les 6 à 24 h | Restaure le débit d’air et le coefficient d’échange | Chaque dégivrage réinjecte 2 à 5 % de la charge journalière |
Le stockage congelé
Le congélateur fait la structure, l’entrepôt la conserve ou la détruit — et le paramètre décisif n’y est pas la température moyenne mais son amplitude.
La recristallisation d’Ostwald est le phénomène de fond. Un ensemble de cristaux de tailles différentes n’est jamais à l’équilibre : la pression de vapeur d’un petit cristal, plus courbé, est supérieure à celle d’un gros, si bien que les petits se subliment, les gros grossissent, et le diamètre moyen augmente sans que la masse de glace change, selon une cinétique approximativement en racine cubique du temps. Dans une crème glacée, le diamètre moyen passe de 20-25 micromètres en sortie de durcissement à 40 ou 50 après quelques mois de stockage médiocre — or le seuil de perception des cristaux en bouche se situe précisément là.
Les fluctuations de température accélèrent brutalement ce mécanisme : chaque remontée fond en priorité les plus petits cristaux, chaque redescente regèle cette eau sur les plus gros. Une oscillation de ±3 °C autour de −15 °C endommage davantage un produit qu’un maintien stable à −12 °C — le résultat contre-intuitif le plus utile de la discipline, et celui qui justifie qu’on juge un entrepôt sur l’amplitude de son cycle de dégivrage plutôt que sur la consigne affichée. Les points noirs connus sont les quais de chargement, les meubles de vente dont la ligne de charge est dépassée, et le trajet du magasin au domicile.
La brûlure de congélation est le second mécanisme, purement hygrométrique. La pression de vapeur saturante de la glace vaut 260 Pa à −10 °C, 125 Pa à −18 °C, 103 Pa à −20 °C, 38 Pa à −30 °C : un produit à −18 °C dans un air à −20 °C voit un écart de 18 %. L’eau sublime à sa surface et se dépose en givre sur la paroi la plus froide, évaporateur ou face interne du film ; la zone appauvrie devient poreuse, blanchâtre, sèche, et s’oxyde d’autant plus vite que l’air y pénètre — la brûlure associe toujours déshydratation et rancissement. Les pertes vont de 0,05 à 0,2 % par mois pour un produit bien emballé à 0,3 à 1,5 % pour un produit nu.
Trois remèdes contre la sublimation, par ordre d’efficacité. Supprimer le vide d’air entre produit et film, qui sert de chambre de sublimation : un emballage moulant ou sous vide réduit la perte d’un facteur cinq à dix. Choisir un film à faible perméabilité à la vapeur d’eau : un polyéthylène de 25 µm laisse passer 5 à 10 g·m−2 par jour, un complexe polyamide-polyéthylène 3 à 5, une barrière EVOH moins de 2. Réduire enfin l’amplitude thermique de l’entrepôt, qui engendre l’écart de pression de vapeur.
La chaîne du froid
La température de référence est −18 °C, et ce nombre n’a rien d’arbitraire : il correspond, sur la plupart des produits, à environ 90 % d’eau gelée et à une durée de conservation d’une année. La directive 89/108/CEE l’impose en tous points du produit, avec une tolérance de brèves remontées à −15 °C en distribution ; le règlement (CE) n° 37/2005 impose l’enregistrement des températures en transport et en entrepôt. L’enjeu réel n’est pas sanitaire — un surgelé remonté à −8 °C pendant deux heures ne présente aucun danger — mais qualitatif : selon le concept temps-température-tolérance de l’Institut international du froid, les pertes sont cumulatives et indépendantes de l’ordre des épisodes. Un produit ayant passé trois jours à −10 °C en cours de route a consommé plusieurs mois de conservation, et rien ne le dira au consommateur.
La décongélation
La décongélation est plus délicate que la congélation, pour deux raisons incontournables. La première est l’écart moteur : on congèle avec 30 à 100 kelvins d’écart, on décongèle avec 5 à 20, parce que réchauffer plus vite cuirait la surface et offrirait aux bactéries survivantes plusieurs heures entre 10 et 50 °C. La seconde est la conductivité : la couche déjà formée est de la glace pendant la congélation, à 1,1-1,8 W·m−1·K−1, mais du produit dégelé pendant la décongélation, à 0,42-0,58. La résistance interne y augmente trois à quatre fois plus vite : la décongélation s’auto-freine quand la congélation s’auto-accélère. En transposant l’équation de Plank, le steak de 30 mm congelé en 70 minutes demande 15 à 18 heures en chambre ventilée à +5 °C — un rapport de un à quinze, qui dépasse un à vingt sur un bloc de 60 mm.
Les voies industrielles sont peu nombreuses. La chambre d’air brassé à +4 à +10 °C est la référence : lente, 12 à 48 heures, mais sûre. L’immersion en eau courante à moins de 15 °C divise le temps par trois au prix d’un lessivage. La décongélation sous vide à la vapeur, où l’eau condense sur le produit à 15-25 °C sous pression réduite, offre un excellent échange sans point chaud. Les procédés diélectriques chauffent dans la masse et suppriment le problème de conductivité, mais la constante diélectrique de l’eau liquide dépassant largement celle de la glace, la première zone dégelée absorbe préférentiellement l’énergie et cuit pendant que le reste est encore pris : on les emploie en tempérage, pour remonter un bloc de −20 à −3 °C avant découpe, non pour décongeler.
Pourquoi on ne recongèle pas un produit décongelé. Trois effets se cumulent. Structural : un second cycle, forcément lent, produit de nouveaux cristaux dans un tissu dont les membranes sont déjà rompues, et le second exsudat s’ajoute au premier. Microbiologique : la décongélation a redonné de l’eau libre à une flore que la congélation n’a pas tuée et qui s’est multipliée entre 0 et 10 °C ; recongeler fige cette population plus élevée sans la réduire. Réglementaire : le règlement (UE) n° 1169/2011 impose la mention « décongelé » sur les denrées décongelées avant vente.
Ce qui se dérègle
Les défauts de congélation se constatent presque toujours plus tard que leur cause : à la décongélation pour l’exsudat, six mois plus tard pour la brûlure, à la dégustation pour la texture. Le diagnostic consiste à remonter le temps.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Exsudat abondant, produit spongieux | Traversée de la zone −1/−5 °C en plus de deux heures : cristaux extracellulaires, cellules vidées | Réduire l’épaisseur, augmenter la vitesse d’air, abaisser l’ambiance, alléger la charge de bande |
| Viande dure et exsudat supérieur à 12 % | Congélation avant installation de la rigidité cadavérique | Attendre 24 à 48 h de maturation en froid positif |
| Plaques blanches, sèches, cotonneuses | Brûlure de congélation : sublimation vers un vide d’air ou un film perméable | Supprimer le vide d’air, film à barrière vapeur, glaçage, réduire l’amplitude d’entrepôt |
| Fissures traversantes, produit éclaté | Choc thermique cryogénique sur produit épais, dilatation non absorbée | Croûter 60 à 120 s puis ralentir en mécanique ; vide de dilatation en contenant rigide |
| Sorbet ou glace sableux | Recristallisation d’Ostwald au stockage, ou durcissement trop lent après le freezer | Durcir à −35/−40 °C en moins de 2 h, stocker à −25 °C, augmenter les stabilisants |
| Crème glacée à texture de sable fin | Cristallisation du lactose, favorisée par un extrait sec laitier élevé et des cycles thermiques | Limiter la poudre de lait écrémé, substituer par des maltodextrines, stabiliser la température |
| Goût de foin sur légumes après 2 à 3 mois | Blanchiment insuffisant : peroxydase et lipoxygénase résiduelles | Contrôler l’inactivation de la peroxydase en sortie de blancheur |
| Rancissement de poisson gras | Oxydation des lipides, non arrêtée par le froid ; oxygène résiduel dans l’emballage | Stockage à −30 °C, glaçage, conditionnement sous vide ou sous atmosphère protectrice |
| Températures à cœur non atteintes | Surcharge de bande, sous-dimensionnement, entrée trop chaude, givrage | Mesurer la charge réelle, pré-refroidir, recalculer par la méthode de Pham |
Énergie, coût et environnement
La congélation est l’opération unitaire la plus coûteuse en énergie noble de l’industrie alimentaire, non parce qu’elle demande beaucoup de chaleur à extraire, mais parce qu’elle l’extrait à basse température, là où le rendement thermodynamique s’effondre. Le coefficient de performance d’un groupe industriel vaut 3,0 à 3,5 à 0 °C d’évaporation et 35 °C de condensation ; il tombe à 1,0 à 1,5 à −40 °C. D’où la règle de ne jamais descendre l’évaporation plus bas que nécessaire, et le recours aux installations en cascade : un étage au dioxyde de carbone entre −50 et −10 °C, condensé par un étage à l’ammoniac, ce qui gagne 15 à 25 % sur le COP global.
Congeler une tonne de légumes de +20 à −18 °C demande environ 95 kWh thermiques, soit 65 à 90 kWh électriques au compresseur. S’y ajoutent les ventilateurs — dont toute la puissance se retrouve en charge thermique dans l’enceinte, donc payée deux fois —, les dégivrages et les infiltrations : le total réel va de 100 à 150 kWh par tonne congelée en air pulsé, 80 à 110 en plaques, et le stockage ajoute 25 à 50 kWh par mètre cube et par an. La cryogénie n’appelle presque pas d’électricité sur site, mais l’azote liquide a été produit ailleurs à 0,5 à 0,9 kWh par kilogramme : à 1,2 kilogramme par kilogramme de produit, 600 à 1 000 kWh par tonne, six à dix fois la voie mécanique. Elle ne se justifie jamais par l’énergie.
La perte de masse est un poste de coût, pas un détail. Sur un produit à 4 € du kilogramme, une perte de 2 % par sublimation dans le tunnel représente 0,08 € du kilogramme — davantage que la totalité du coût électrique de la congélation mécanique. Passer d’un tunnel à air nu à des plaques se rembourse alors sur la seule matière, et la faible perte de la cryogénie, 0,2 à 0,8 % contre 1 à 4 %, récupère un tiers à la moitié de son surcoût sur les produits chers.
Côté fluides, la congélation industrielle est largement passée à l’ammoniac R717, de potentiel de réchauffement global nul, et au dioxyde de carbone R744, dont il vaut 1. Le règlement (UE) 2024/573 sur les gaz à effet de serre fluorés, qui a remplacé le règlement (UE) n° 517/2014, programme la sortie des hydrofluorocarbures à fort potentiel, dont le R404A et ses 3 922 : avec un taux de fuite annuel de 5 à 15 % de la charge, ce poste peut peser autant que la consommation électrique. Deux gisements de récupération restent sous-exploités : la chaleur de condensation, 1,3 à 2 fois la puissance frigorifique disponible à 35-45 °C et jusqu’à 90 °C sur la désurchauffe, et le froid résiduel des gaz cryogéniques, encore à −40 ou −60 °C en sortie de tunnel.
L’opération dans la fabrication des sucrants
Il faut le dire nettement : la congélation n’intervient dans aucune des voies de fabrication des sucrants traités sur ce site. Le xylitol s’obtient par hydrolyse d’hémicelluloses, purification et hydrogénation catalytique, puis se sépare par cristallisation d’un sirop refroidi de 65 à 25 °C — un refroidissement qui n’atteint jamais le domaine négatif. L’érythritol se produit par fermentation puis cristallisation, la stévia par extraction à l’eau chaude et atomisation, les sirops de yacon et d’agave et le sucre de coco par concentration à chaud, le sucre de betterave par cristallisation sous vide. Aucun de ces procédés ne fait de glace.
Le froid négatif y apparaît pourtant à deux endroits périphériques. En cryoconcentration d’abord : on concentre un jus dilué en le refroidissant, en laissant croître des cristaux de glace pure et en les séparant par colonne de lavage. L’opération retire 334 kJ par kilogramme d’eau éliminée au lieu de 2 260 kJ pour une évaporation, mais avec une machine frigorifique de COP 1,5 à 2,5 : le coût électrique réel, 40 à 90 kWh par tonne d’eau retirée, ne bat pas un évaporateur à multiple effet. Sa justification est la conservation intégrale des arômes et l’absence de brunissement, et elle plafonne vers 45 à 55 % de matière sèche, au-delà desquels la viscosité empêche la séparation des cristaux. En préparation à la lyophilisation ensuite : tout produit lyophilisé est d’abord congelé, et cette congélation fixe la taille des cristaux, donc celle des pores que leur sublimation laissera, donc la résistance au transfert de vapeur pendant le séchage. Le paradoxe est complet par rapport à tout ce qui précède : une congélation lente, qui donne de gros cristaux et de gros pores, raccourcit le séchage de 20 à 40 %, tandis qu’une congélation rapide l’allonge d’autant.
Le sorbet : là où le sucrant devient un antigel
C’est dans les desserts glacés que la congélation et les sucrants se rencontrent de plein fouet, et le rôle du sucre y est d’abord physique. Une glace est une mousse dont la phase continue est un sirop très concentré, où sont dispersés des cristaux de glace et des bulles d’air ; sa consistance est gouvernée par la seule proportion de glace, et cette proportion ne dépend que du point de congélation commençante, par la relation Xg = 1 − Tic/T. Un sorbet servi à −12/−14 °C est agréable à la cuillère si 60 à 72 % de son eau est gelée ; au-delà de 80 %, il est dur comme un caillou ; en dessous de 55 %, il coule. Toute la formulation consiste donc à placer Tic entre −3 et −4,5 °C. Le métier appelle cela le pouvoir anticongélant, échelle où le saccharose vaut 100 et où chaque sucrant est coté proportionnellement à l’inverse de sa masse molaire : la loi cryoscopique écrite dans les unités de la profession.
| Sucrant | Masse molaire (g·mol−1) | Pouvoir anticongélant | Abaissement pour 100 g par kg d’eau | Effet en sorbet |
|---|---|---|---|---|
| Saccharose | 342,3 | 100 | 0,54 °C | Référence de toutes les formules |
| Lactose | 342,3 | 100 | 0,54 °C | Idem, mais cristallise et rend sableux |
| Maltitol | 344,3 | 99 | 0,54 °C | Substitution proche du saccharose |
| Glucose, fructose | 180,2 | 190 | 1,03 °C | Assouplissent fortement |
| Sorbitol | 182,2 | 188 | 1,02 °C | Assouplit ; retient l’eau |
| Xylitol | 152,1 | 225 | 1,22 °C | Assouplit plus que tout sucre courant |
| Érythritol | 122,1 | 280 | 1,52 °C | Très assouplissant mais recristallise |
| Glycérol | 92,1 | 372 | 2,02 °C | Correcteur de texture à faible dose |
| Sirop de glucose DE 40 | ≈ 450 | ≈ 76 | 0,41 °C | Donne du corps sans ramollir |
| Maltodextrine DE 10 | ≈ 1 800 | ≈ 19 | 0,10 °C | Corps et Tg′ relevé |
| Fructo-oligosaccharides du yacon | 500 à 1 600 | 20 à 70 | 0,11 à 0,37 °C | Corps et fibres, peu d’effet cryoscopique |
| Glycosides de stéviol | 800 à 1 000, dosés à 0,03 % | négligeable | ≈ 0 °C | Aucun effet : le sorbet gèle en bloc |
Le xylitol pèse 152 grammes par mole, le saccharose 342 : à masse égale, il apporte 2,25 fois plus de particules dissoutes et abaisse le point de congélation 2,25 fois plus. Un sorbet à 250 grammes de saccharose pour 750 grammes d’eau contient 0,73 mole de soluté, molalité 0,97, soit un abaissement idéal de 1,8 °C ; le même à 250 grammes de xylitol contient 1,64 mole, molalité 2,19, soit 4,1 °C. La conséquence se lit directement sur la courbe de fraction de glace : à −14 °C, le sorbet au saccharose a gelé 87 % de son eau et se tient, celui au xylitol 71 % seulement et il coule. Le produit au xylitol n’est pas raté, il est formulé pour une autre température — il faudrait le servir vers −20 °C, ce qu’aucun congélateur domestique ne fait.
C’est de la cryoscopie, pas de la magie. Le xylitol n’a aucune action particulière sur la glace. Il obéit à une loi qui ne connaît que le nombre de moles de soluté par kilogramme d’eau et ignore totalement de quelle molécule il s’agit : deux moles de xylitol et deux moles de saccharose donnent rigoureusement le même abaissement cryoscopique — simplement, les premières pèsent 304 grammes et les secondes 685. La règle pratique qui en découle est arithmétique : pour retrouver la texture d’une recette au saccharose, il faut mettre environ deux fois moins de xylitol en masse, ce qui est exactement le dosage retenu par la recette de sorbet de fruits au xylitol du site. Le pouvoir sucrant du xylitol étant proche de celui du saccharose à masse égale, cette division par deux se paie en intensité sucrée, que la maturité des fruits doit compenser.
Les autres sucrants se placent sur la même échelle. L’érythritol abaisse encore davantage, mais sa solubilité s’effondre à froid — 20 à 25 grammes pour 100 grammes d’eau près de 0 °C — si bien qu’au-delà de quelques pour cent il recristallise dans la phase concentrée et donne un sorbet granuleux. La stévia pose le problème inverse et plus radical : dosée à 0,02 à 0,05 %, elle n’apporte aucune particule en quantité significative et laisse l’eau geler comme de l’eau. Un sorbet édulcoré à la stévia seule est un bloc de glace sans corps ni tenue ; il exige un agent de charge — sirop de glucose, maltodextrine, inuline — dont le rôle est de donner du corps sans trop ramollir. Le sirop de yacon, riche en fructo-oligosaccharides, se comporte comme un sirop de glucose de faible équivalent-dextrose : du corps, mais peu de pouvoir anticongélant. Le sirop d’agave, majoritairement fructosé, fait l’inverse et assouplit près de deux fois plus que le saccharose, d’où la texture molle des sorbets qui en sont formulés.
Deux remarques closent le sujet. Les polyols partagent tous cette forte activité cryoscopique parce qu’ils sont de petites molécules : c’est la même propriété qui les rend humectants dans une pâte, sujet traité sur la page xylitol et cuisson. Et le règlement (UE) n° 1169/2011 impose la mention « une consommation excessive peut avoir des effets laxatifs » sur les denrées contenant plus de 10 % de polyols ajoutés, ce qui est le cas de la plupart des sorbets ainsi formulés.
Pour aller plus loin
- Réfrigération — le froid positif, ses cycles et ses COP : c’est la machine qui alimente tout congélateur.
- Lyophilisation — la suite logique, où la glace formée devient le réseau de pores que la sublimation va vider.
- Cristallisation — germination, croissance et mûrissement d’Ostwald traités comme opération à part entière.
- Concentration — pour situer la cryoconcentration parmi les autres voies d’élimination de l’eau.
- Emballage sous atmosphère protectrice — la parade contre l’oxydation pendant douze mois de stockage.
- Blanchiment — l’étape sans laquelle un légume surgelé développe des notes de foin en deux mois.
- Échange de chaleur — coefficients de surface, nombre de Biot et tout ce qui gouverne un front thermique.
- Sorbet de fruits au xylitol — l’application directe de la loi cryoscopique à une formulation.
Sources
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Singh, R. P., Heldman, D. R., Introduction to Food Engineering, 5e éd., Academic Press, 2014.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2e éd., Springer, 2016.
- Directive 89/108/CEE relative aux aliments surgelés et règlement (CE) n° 37/2005 relatif au contrôle des températures dans les moyens de transport et les locaux d’entreposage.
- Règlement (CE) n° 852/2004 sur l’hygiène des denrées alimentaires, règlement (CE) n° 853/2004 et règlement (UE) n° 1169/2011 sur l’information des consommateurs.
- Règlement (UE) 2024/573 relatif aux gaz à effet de serre fluorés, abrogeant le règlement (UE) n° 517/2014.