1 Rates

Oxygène dans les boissons

Introduction

Dans le monde de la production de boissons, les fabricants partagent un objectif commun : assurer une qualité optimale à leurs produits finis. Le contrôle qualité joue un rôle crucial dans les activités des producteurs de boissons, en mettant l'accent sur la conformité, la réputation de la marque, la réduction des coûts et l'amélioration continue.

Pour la production de boissons, La concentration en oxygènela connaissance de à plusieurs étapes de production est cruciale pour le contrôle de la qualité. Qu'il s'agisse de bière, de boissons non alcoolisées, d'eau minérale ou de vin mousseux, la teneur en dioxyde de carbone doit être contrôlée afin de produire et de maintenir la meilleure qualité possible et d'assurer la satisfaction client.

Surveiller l'oxygène signifie mesurer la concentration de O₂dans une certaine unité, comme les parties par milliard, au fil du temps afin d'observer en continu les changements. En mesurant des paramètres clés tout au long du processus de production, il est possible de détecter des écarts par rapport aux valeurs cibles, de réagir à un stade précoce et de prendre des mesures correctives. (Rana, et al. 2019)

Il est essentiel d'identifier la source de l'entrée d'oxygène, afin de pouvoir attribuer la déviation à une étape spécifique de la chaîne de processus. Puisque O₂ peut être trouvé soit sous forme de "oxygène dissous" dans le liquide, soit sous forme de gaz dans l'espace de tête du produit final, la cause profonde de l'intrusion peut être identifiée en mesurant les deux. Oxygène dissous et oxygène de l'espace de tête les concentrations constituent le “total d'oxygène dans l'emballage” comme illustré dans la Figure 1. (Janßen et Dr. Biebernik 2019)

Figure 1 : Schéma d'une bouteille indiquant l'oxygène dans l'espace de tête, l'oxygène dissous et l'oxygène total dans l'emballage.

Oxygène dans les liquides et les boissons

Quel est le rôle de l'oxygène ?

L'oxygène est un paramètre clé de contrôle de la qualité car il peut affecter négativement le produit final de plusieurs manières. Par conséquent, il doit être étroitement surveillé. L'oxygène peut entraîner une réduction de la durée de conservation, une détérioration de la saveur, une altération de la couleur et une dégradation de certains ingrédients.

L'impact physique et chimique de l'oxygène a différentes causes profondes, selon le type de produit et d'emballage. Dans le cas de la bière, la présence de levure entraîne une consommation d'oxygène, et donc une réduction de la concentration en oxygène. Dans les boissons gazeuses, en revanche, la diminution de la teneur en oxygène au fil du temps est causée par le processus d'oxydation des ingrédients tels que les jus de fruits, les vitamines et les arômes. Les producteurs de boissons gazeuses visent souvent la quantité dite "d'air dans la canette", qui est définie comme la teneur en air présente dans l'ensemble de l'emballage, y compris les gaz d'azote et d'oxygène.

Pour les produits emballés dans des boîtes métalliques, l'oxygène dissous est la principale cause de corrosion, ce qui en fait un paramètre clé encore plus important dans le contrôle de la qualité. Le processus de corrosion est accéléré avec des concentrations d'oxygène plus élevées, affectant significativement la qualité du produit final. Surveiller et contrôler la teneur en oxygène lors de l'étape d'emballage est crucial pour prévenir la corrosion. (Davis 1999)

Mesurer l'oxygène

Méthodes de mesure

Les concentrations d'oxygène peuvent être mesurées en utilisant différentes techniques. Les plus pertinentes sont les suivantes :

Analyse chimique (titrage Winkler)
Méthode électrochimique (électrode)
Méthode optochimique (Optode)

Bien que les instruments basés sur des analyses chimiques ne soient plus à la pointe de la technologie, les méthodes électrochimiques et optiques sont des techniques de mesure précises et exactes utilisées dans de nombreux instruments différents.

Cependant, les conditions qui contribuent à la précision doivent être prises en compte, notamment une procédure standard d'opération appropriée, la géométrie et la conception du capteur, l'environnement et l'étalonnage/réglage.

Les avantages de la méthode optochimique sont :

Aucune consommation d'oxygène pendant la mesure
Aucun mélange nécessaire
Pas d'utilisation de produits chimiques

Méthode de mesure optochimique – extinction de luminescence

Les capteurs basés sur des méthodes optochimiques consistent en un colorant luminescent sur un matériau porteur. Le capteur est en contact direct avec les échantillons, soit dans la phase liquide, soit dans la phase gazeuse.

Un capteur d'oxygène optochimique fonctionne en utilisant un colorant spécial qui devient fluorescent lorsqu'il est exposé à la lumière. Lorsqu'il y a de l'oxygène autour, il interagit avec le colorant et réduit la fluorescence par un processus appelé extinction dynamique. Plus le niveau d'oxygène est élevé, moins le colorant devient fluorescent. En mesurant l'intensité de la fluorescence, il est possible de déterminer combien d'oxygène se trouve dans l'environnement.

La corrélation entre la concentration de O₂et l'intensité d'émission est résumée dans le tableau 1.

	Concentration en oxygène	Émission	Conclusion
1	Élevée	Faible	Plus il y a de molécules O₂, plus l'énergie sera transférée et absorbée. C'est-à-dire, plus il y a de molécules O₂, moins la lumière sera émise.
2	Faible	Élevée

Plus d'informations peuvent être trouvées ici : Capteur d'oxygène optochimique

Points de contrôle de l'oxygène dans le processus de production

Les étapes clés de production pour la surveillance de l'oxygène dépendent de l'industrie. Le tableau 2 résume les étapes où la surveillance de l'oxygène est nécessaire dans la production de bière:

Table 2 : Étapes clés incluant la surveillance de l'oxygène tout au long de la production de bière.

Industrie	Étape de production	Description	Impact
Bière	Production de moût	Surveillance de l'oxygène après ébullition et refroidissement.	Un excès d'oxygène dissous à ce stade entraîne l'oxydation des composants du moût, des saveurs indésirables et une stabilité réduite.
	Fermentation	Le moût refroidi est transféré dans des cuves de fermentation où la levure est ajoutée.	Un excès d'oxygène peut entraîner une réduction de la performance de la levure.
	Cuve de stockage	Les réservoirs sont purgés avec un gaz inerte et désinfectés. La bière est ensuite transférée du réservoir de fermentation au réservoir de stockage.	Des niveaux excessifs d'oxygène peuvent affecter les niveaux de carbonatation et également entraîner des processus d'oxydation.
	Emballage	Le mélange de boissons gazeuses est prêt à être conditionné en bouteilles, en canettes et en fûts. Après le remplissage, l'emballage est scellé et étiqueté.	Un excès d'oxygène peut entraîner une dégradation des saveurs et réduire la durée de conservation.
	Stockage – Après emballage	Les produits emballés sont stockés dans des entrepôts avant d'être distribués, période durant laquelle il faut éviter les pertes de CO2.

Le tableau 3 et le tableau 4 résument les étapes où la surveillance de l'oxygène est nécessaire dans la production de boissons gazeuses et de vin, respectivement.

Table 3 : Étapes clés incluant la surveillance de l'oxygène tout au long de la production de bière.

Industrie	Étape de production	Description	Impact
Boissons non alcoolisées	Procédé d'ajustement à l'eau	L'eau en tant qu'ingrédient doit être contrôlée et vérifiée pour les normes de qualité.	Un excès d'oxygène peut affecter la saveur et la stabilité du produit final.
	Mélange et carbonatation	Différents ingrédients sont mélangés dans des proportions précises. Le gaz de dioxyde de carbone est dissous dans un liquide.	Un excès d'oxygène peut affecter l'efficacité du processus de carbonatation.
	Emballage et conditionnement	Le mélange de boissons gazeuses est prêt à être conditionné en bouteilles, en canettes et en fûts. Après le remplissage, l'emballage est scellé et étiqueté.	Un excès d'oxygène peut entraîner une dégradation des saveurs et réduire la durée de conservation.
	Stockage	Les produits emballés sont stockés dans des entrepôts avant d'être distribués, période durant laquelle il faut éviter les pertes de CO2.

Table 4 : Étapes clés incluant la surveillance de l'oxygène tout au long de la production de vin.

Industrie	Étape de production	Description	Impact
Vin	Fermentation	Le moût, qui contient des acides, des sucres et d'autres composés, subit une fermentation. La levure convertit le sucre en alcool et CO₂.	Un excès d'oxygène affecte l'activité de la levure, peut provoquer la formation de sous-produits indésirables et entraîne l'oxydation des ingrédients.
	Filtration et stabilisation	Élimination des solides restants, des bactéries et des levures.	Un excès d'oxygène impacte la stabilité du vin et entraîne une oxydation supplémentaire.
	Maturation et vieillissement	Développement de la complexité et du caractère du vin dans les fûts de vieillissement. Le vin interagit avec l'oxygène.	L'oxygène dans la cuve de vieillissement influence la saveur, la texture et l'arôme. Contrôler le contenu en O₂assure le développement des caractéristiques souhaitées.
	Mise en bouteille	Le vin mousseux est prêt à être rempli dans des bouteilles à bouchons ou capsules et étiquetées.	Un excès d'oxygène dans le produit final entraîne une oxydation (indésirable) accrue du vin.

Oxygène dissous et oxygène de l'espace de tête – oxygène total du paquet (TPO)

Comme montré dans la Figure 1, l'oxygène total du paquet est la somme de l'oxygène dans l'espace de tête et de l'oxygène dissous. Soit les molécules de gaz sont dissoutes dans le liquide, soit elles sont présentes comme partie de la constitution globale du gaz dans l'espace de tête, par exemple en plus du gaz azote.

La solubilité de l'oxygène dans les phases liquides dépend fortement de la température, de la pression et de la composition du liquide. Il est exprimé comme le coefficient d'absorption de gaz ξ en [g/L*bar], une quantité spécifique à la substance qui diminue avec des températures plus élevées. (Biebernik 2018)

Le coefficient d'absorption de l'oxygène dans l'eau à 20 °C et une pression de 1 bar est de 0,0433 g/L*bar, tandis qu'à
5 °C, il est de 0,0603 g/L*mol. (Biebernik 2018)

La distribution de l'oxygène entre l'oxygène dissous et l'oxygène dans l'espace de tête peut varier en fonction de l'échantillon (par exemple, la bière ou les boissons non alcoolisées), des types de conteneurs (par exemple, des canettes en métal ou des bouteilles en verre) et de la taille.

La Figure 2 et la Figure 3 illustrent des exemples de distribution typique de l'oxygène dans des échantillons de bière conditionnés dans divers types et tailles de contenants. Pour les canettes en métal, la majorité de l'oxygène se trouve dans l'espace de tête, avec 76 % et 82 %, respectivement (Figure 2). De même, pour les bouteilles en verre, 75 % et 68 % de l'oxygène se trouvent dans l'espace de tête. (Schéma 3). Cela donne un rapport moyen d'oxygène dans l'espace libre à oxygène dissous de 3:1 pour les échantillons de bière.

Figure 2 : Distribution de l'oxygène des échantillons de bière remplis dans des canettes en métal. Colonne de gauche montrant la taille du paquet 12 fl. oz. et colonne à droite montrant 19.2 fl. oz.

Figure 3 : La distribution de l'oxygène des échantillons de bière remplis dans des canettes en métal. Colonne de gauche indiquant un format d'emballage de 12 fl. oz. et colonne de droite montrant des échantillons remplis dans des bouteilles en aluminium de 16 fl. oz.

Une description schématique exemplaire de l'entrée d'oxygène tout au long du processus de production de boissons gazeuses est illustrée dans la Figure 4 et la Figure 5 et divisée en oxygène dissous (O₂) et oxygène dans l'espace de tête (HSO). Les chiffres montrent à quelle étape du processus de fabrication (axe des x) le contenu en oxygène accru sera mesuré (axe des y).

Figure 4 : Graphique simplifié visualisant les sources d'augmentation de l'oxygène dissous (O₂) en raison, par exemple, de l'eau de fabrication, des matières premières (sirop) et des joints toriques de remplissage défectueux et leurs impacts sur la valeur totale d'oxygène de l'emballage.

Figure 5 : Graphique simplifié montrant les sources d'augmentation de l'oxygène dans l'espace de tête (HSO) et son influence sur les valeurs totales d'oxygène dans l'emballage.

Par exemple, s'il y a des problèmes avec le mélange du sirop, cela entraînera une augmentation des lectures d'oxygène dissous, tandis que des problèmes de sertissage des emballages entraînent une augmentation des valeurs d'oxygène dans l'espace libre.
De plus, les problèmes liés au matériel peuvent également contribuer à des niveaux d'oxygène élevés, tels que :

Systèmes de dé-aération
Purge insuffisante des réservoirs et des tuyaux lors du stockage
Pompes, vannes et tuyaux qui fuient
Problèmes avec les systèmes de dosage d'agent de filtration
Systèmes de séparateurs obsolètes

Influences sur les mesures d'oxygène

Les instruments basés sur des capteurs d'oxygène optiques peuvent afficher différents facteurs d'influence par rapport à d'autres techniques. Certains facteurs contribuant à la précision et à la reproductibilité sont résumés dans le tableau 5

Tableau 5 : Facteurs influençant la mesure du dioxyde de carbone et leurs origines.

	Facteur	Quelle est la cause de l'erreur ?	Pourquoi ?
1.	Calibration/Ajustement	Ajustement incorrect	Des capteurs mal réglés donnent de fausses lectures de la pression absolue partielle d'oxygène.
2.	Interférence	Gaz vecteur	Si le gaz porteur utilisé pour faire fonctionner l'instrument contient O2, les résultats seront inexactement élevés.
3.	Humidité	Humidité élevée	Des niveaux élevés d'humidité, dus à un séchage insuffisant, peuvent entraîner des résultats compromis et augmenter les incertitudes dans les données.
4.	Préparation d'échantillon	Distribution de l'oxygène	Certaines techniques nécessitent une préparation de l'échantillon afin d'effectuer des mesures précises. Par exemple, pour mesurer l'oxygène dissous, il peut être nécessaire de secouer le conteneur pendant 3 minutes afin d'équilibrer l'échantillon
5.	Nettoyage	résidus	Les techniques de mesure optique nécessitent des procédures de nettoyage afin de maintenir la précision de la mesure élevée.

Facteur d'influence : Préparation de l'échantillon

Le total global d'oxygène dans un paquet reste toujours constant. En fonction de la manière dont le colis a été manipulé et de la manière dont il a été préparé, on peut s'attendre à des niveaux différents de dioxyde de carbone. Donc, pour conclure, il peut y avoir un transfert d'oxygène entre l'oxygène dissous (O₂) et l'oxygène de l'espace de tête (HSO). Cependant, la valeur totale d'oxygène emballé (TPO) reste toujours la même.

Une fois que le paquet est rempli de produit (par exemple, bière, boisson gazeuse, etc... ) la phase gazeuse et la phase liquide commencent à s'équilibrer. (Biebernik 2018) La distribution entre la phase gazeuse et la phase liquide peut changer de manière significative. Cela change avec le temps et est influencé par, par exemple, l'agitation.

La Figure 6 et la Figure 7 montrent la distribution d'un échantillon de boisson gazeuse avant et après avoir agité l'échantillon pendant 3 minutes et 1 minute respectivement.

Figure 6 : Distribution de l'oxygène entre la phase gazeuse (espace de tête) et dissoute (liquide). Colonne de gauche montrant la distribution immédiatement après le remplissage dans des canettes métalliques de 33 cl. La colonne de droite montre la distribution après avoir secoué les échantillons pendant 3 min.

Figure 7 : Distribution de l'oxygène entre la phase gazeuse (espace de tête) et dissoute (liquide). Colonne de gauche montrant la distribution immédiatement après le remplissage dans des canettes métalliques de 33 cl. La colonne de droite montre la distribution après avoir secoué les échantillons pendant 1 min.

Après avoir rempli la boisson gazeuse dans l'emballage, le rapport entre l'oxygène de l'espace libre et l'oxygène dissous est d'environ 0,9:1. Après la préparation de l'échantillon, les molécules d'oxygène migreront du liquide vers l'espace libre. Cependant, la concentration totale en oxygène du paquet global restera constante.

Applications

En complément des applications typiques qui mesurent principalement la concentration de dioxyde de carbone dissous en ligne, sur le terrain ou en laboratoire dans l'industrie des boissons (par exemple, les producteurs de boisson gazeuse, bière et vin.) Il existe un besoin constant de mesurer le dioxyde de carbone dans diverses autres applications.

Les concentrations d'oxygène dans l'espace de tête et dans l'emballage total deviennent de plus en plus significatives. La surveillance de ces paramètres, en plus de l'oxygène dissous, fournit des informations et des indications sur le processus de fabrication qui doit être vérifié pour un bon fonctionnement.

La demande de surveillance de l'oxygène dans l'industrie alimentaire augmente, car la présence d'oxygène peut contribuer à la croissance microbienne et provoquer l'oxydation des e.g. graisses et protéines.
Des exemples d'applications possibles incluent :

Emballages Tetra-Pak
Boissons à base de plantes
Lait

D'autres industries où la mesure de l'oxygène dissous est pertinente sont :

Centrales électriques
Industrie pharmaceutique
Industrie de la recherche médicale

Conclusion

Dans le cadre du contrôle de la qualité, la mesure du dioxyde de carbone dissous dans les boissons est une exigence fondamentale. Ce paramètre critique revêt une grande importance en raison de son impact substantiel sur le produit final. Maintenir de faibles niveaux d'oxygène tout au long du processus de fabrication est l'objectif, ce qui signifie qu'une surveillance continue est nécessaire.
En contrôlant efficacement cette variable, les producteurs de boissons peuvent maintenir des normes de qualité supérieure, réduire les coûts et répondre de manière cohérente aux attentes des clients. Les processus de remplissage et d'emballage, en particulier, peuvent être optimisés et les erreurs peuvent être détectées immédiatement sur la ligne de production par une surveillance continue de l'oxygène dissous, de l'O₂ dans l'espace de tête et de l'oxygène total dans l'emballage.

Les fabricants investissent dans des instruments qui permettent d'effectuer des mesures exactes et précises pour répondre aux exigences et aux demandes. Des technologies de pointe comme l'extinction de luminescence dans les capteurs optochimiques sont indispensables pour atteindre la précision et l'exactitude nécessaires.

Ces capteurs peuvent être utilisés sur la ligne, sur le planché de production ou dans un environnement de laboratoire, ce qui permet d'obtenir une vue d'ensemble de toute la chaîne de production.

Pour plus d'informations sur l'oxygène dans les boissons, voir l'article correspondant du wiki Anton Paar : Oxygène dans les boissons.

Références

Biebernik, Karin "TPO : Obtenir l'ensemble du dessin." Brauwelt International, 2018 : 38-41.
Davis, J. R. Corrosion de l'aluminium et des alliages d'aluminium. ASM International, 1999.
Howard, G. A., et J. D. R Mawer. "La détermination de l'oxygène dissous dans la bière." J. Inst. Bew. , 4 octobre 1976 : 144-152.
Janßen, Georg, et Karin Dr. Biebernik. "Oxygène l'importance de la mesure dans les boissons gazeuses." Boissons Gazeuses International, Octobre/Novembre 2019 : 74-77.
Merima Cajlakovic, Alessandro Bizzarri, Christian Konrad, Hannes Voraberger. "Capteurs optochimiques basés sur la luminescence." (Éditeurs scientifiques américains) 7, 2006.
Rana, Muhammad Aadil, Muhammad Madni Ghulam, Roobab Ume, ur Rahman Ubaid, et Zeng Xin-An. Contrôle de la qualité dans l'industrie des boissons. Presses universitaires, 2019.

Rate this article

You have already rated this article

Vu fréquemment