Méthodologie appliquée
Dispositif expérimental
Le dispositif expérimental mis au point se base sur la configuration d'une palette réelle (Figure 1). Il est composé de quatre colis de dimensions identiques de 30 × 40 × 11 cm qui correspondent à la moitié d'un niveau d'une palette. Compte tenu du plan de symétrie, les résultats obtenus sont également applicables à l'autre moitié de niveau de la palette. Ce dispositif expérimental représente tous les niveaux intermédiaires d'une palette sauf les niveaux inférieur et supérieur. Pour simuler la condition de répétabilité des niveaux, deux plaques isolantes en polystyrène d'une épaisseur de 4 cm chacune sont placées en haut et en bas du dispositif au cours de l'expérimentation. Deux ventilateurs à débit variable sont installés à une des extrémités du dispositif expérimental. Ils aspirent un écoulement d'air homogénéisé qui est stabilisé par l'effet d'un nid d'abeille fixé en amont de la veine d'air, facilitant ainsi l'interprétation des résultats. La figure 2 présente le dispositif sans sa plaque isolante afin de visualiser la disposition des colis de tomates Cauralina. La figure 3 présente les dimensions d'un colis.
Ce dispositif expérimental est placé dans une cellule d'essai dans laquelle la température ambiante est contrôlée. Deux types de produits sont utilisés : des tomates Cauralina, une des variétés de tomates les plus vendues en France (diamètre moyen 88 mm, 12 tomates par colis, figure 2, parmi le segment des « allongées coeur ») et un produit dit produit modèle qui est une sphère en polyéthylène (diamètre externe 75 mm) remplie de gel de Carraghénane (Figure 3). Les produits modèles sont mieux adaptés que le produit réel pour certains types d'expérimentation, notamment la mesure de vitesses d'air par LDV (Laser Doppler Velocimetry) qui est délicate à mettre au point et longue à réaliser. Ce sont les mêmes produits modèles qui sont utilisés tout au long du suivi.
Le dispositif est testé selon les modalités décrites dans le tableau de la figure 4.
Mesure de température
Des thermocouples étalonnés (précision ± 0,2 °C) sont placés à coeur ou en surface des tomates Cauralina ou du produit modèle mais aussi dans l'air près du produit, à différentes positions dans le dispositif. Les températures sont enregistrées toutes les deux minutes.
Mesure de la vitesse d'air
La vitesse d'air à l'entrée et à la sortie du dispositif est mesurée par un anémomètre à fil chaud (TESTO 435-4, plage de vitesse 0-20 m/s, précision ± 0,03 m/s) et par une sonde LDV (Laser Doppler Velocimetry, Dantec FlowExplorer-2D, Figure 5) placés à l'intérieur des colis.
Résultats et analyses
La température est présentée soit par une valeur absolue, exprimée en °C, soit par une valeur transformée sans dimension, appelée Tc* et qui varie entre la valeur 0, la température à atteindre, et la valeur 1, la température initiale.
La figure 6 présente les résultats expérimentaux de l'évolution de la température à coeur de la tomate Cauralina la plus chaude lors du refroidissement. La température initiale est de 19,5 °C. La tomate se situe dans le colis 4 et est soumise à de l'air réfrigéré à 4,5 °C circulant à la vitesse de 2,2 m/s. La température à coeur de la tomate diminue progressivement pour atteindre environ 6,5 °C au bout de 6 h. Cette température correspond à la température minimale que l'on atteint dans un temps raisonnable qui est appelé par convention 7/8e. Cela signifie donc qu'il faut 6 h pour que la tomate perde 13 °C. Mais cette diminution n'est pas linéaire : il faut 1,9 h pour que la tomate atteigne 12 °C (température moyenne entre 4,5 °C et 19,5 °C) soit une perte de 7,5 °C, puis il lui faut 4,1 h de plus pour la perte des 5,5 °C suivants. On dit alors que 1,9 h est le temps de mi-refroidissement des tomates et 6 heures, le temps raisonnable de refroidissement.
Distribution de températures
La figure 7 présente les températures à coeur et en surface des tomates Cauralina ainsi que celles de l'air dans différentes positions des quatre colis. Les échanges convectifs entre l'air entrant à 4,5 °C et les produits initialement à 19,5 °C expliquent l'échauffement progressif du colis 1 au colis 4.
Les résultats obtenus représentent la configuration d'une palette complète orientée dans un flux d'air où les tomates les plus chaudes se situent à l'arrière de la palette soit dans le colis 4. En effet, au bout d'1,9 h, la température à coeur de la tomate la plus chaude atteint 12 °C tandis que celle des autres tomates est légèrement plus basse. Cette figure montre une hétérogénéité de températures avec une moyenne à coeur des tomates de 11,3 °C. Compte tenu des résistances thermiques à l'intérieur d'une tomate (par conduction) et à l'extérieur (par convection), la température à coeur est supérieure à celle en surface qui est elle aussi supérieure à la température de l'air. Les écarts constatés entre les températures à coeur des produits et celles de l'air à proximité sont de 1,8 à 5,0 °C, alors qu'entre la température de surface et celle de l'air à proximité ces écarts sont de 1,0 à 2,6 °C.
La température de l'air au centre d'un colis est en général plus faible de 1 à 2 °C que celle à proximité des parois. Ceci peut être expliqué par le passage préférentiel de l'air au centre du colis, en face de l'encoche latérale du colis classique, comme montré par les résultats de simulation (Figure 8). Cependant, il arrive que dans le premier colis, le produit au centre n'est pas plus froid que celui près des parois, ce qui peut être expliqué par la complexité du circuit du flux d'air entrant (plus de turbulences).
L'hétérogénéité des températures diminue au fur et à mesure de l'avancement dans le temps. Les températures ont tendance à s'homogénéiser et se rapprocher de la température de l'air ambiant réfrigéré (4,5 °C). Pour aboutir à un état proche de l'équilibre thermique et une quasi-stabilité des températures, il faudrait attendre 6 h : la température moyenne des tomates serait alors de 5,4 °C et celle de la tomate la plus chaude de 6,5 °C.
Influence de la vitesse d'air
L'évolution de la température moyenne à coeur dans le colis 1 est présentée dans la figure 9 pour une vitesse d'air variant de 0,15 m/s à 3,1 m/s, vitesse mesurée à l'entrée du dispositif. La vitesse de descente en température est très rapide au début, puis ralentit au fur et à mesure du temps pour devenir très lente : ce phénomène n'est pas linéaire, mais suit plutôt une évolution dite asymptotique. La température de la palette tend à se rapprocher de la température finale, mais n'y parvient pas.
L'influence importante de la vitesse de l'air sur la cinétique de refroidissement du produit s'explique par un meilleur échange entre l'air et le produit à des vitesses élevées. Cependant, l'augmentation de la vitesse au-delà de 2,0 m/s ne permet plus d'améliorer de manière significative la cinétique de refroidissement. En effet, pour atteindre la température de mi-refroidissement dans notre cas d'étude c'est-à-dire atteindre 12 °C pour une température initiale de 20 °C et une finale de 4,1 °C, à la vitesse de 0,15 m/s il faudrait environ 4 h, à la vitesse de 2 m/s environ 2 h et à la vitesse de 3 m/s environ 1,8 h. Pour atteindre la température raisonnable de refroidissement soit 6 °C il faudrait environ 11,5 h à la vitesse de 0,15 m/s ; 5,5 h à la vitesse de 2 m/s ou encore 4 h à la vitesse de 3 m/s.
Influence du taux d'ajourage
Des mesures de température de produits modèles sont réalisées dans deux configurations de colis (Figure 10). Le colis « classique » couramment utilisé en pratique est muni d'une encoche simple sur le long côté, c'est la configuration 1. Ce même colis est percé de deux orifices circulaires supplémentaires de 4 cm diamètre dans la partie inférieure des deux longs côtés, c'est la configuration 2.
La figure 10 présente l'évolution de la température à coeur des tomates dans les deux configurations et montre une légère différence. Le temps pour atteindre la température de mi-refroidissement est de 1,6 h pour la configuration 1 et de 1,5 h pour la configuration 2. Cette amélioration très modérée de la vitesse de refroidissement peut s'expliquer par la position des orifices circulaires supplémentaires qui n'est pas très optimisée car les flux d'air issus de ces orifices peuvent être entrecoupés par les tomates situées en aval, même si ces orifices sont placés à 1 cm des bords extérieurs du colis.
Influence de l'épaisseur de la lame d'air au-dessus des produits
La « lame d'air » correspond à l'espace entre le haut des produits et le haut du colis. Des essais sont réalisés en faisant varier l'épaisseur de lame d'air entre 5, 15 et 25 mm : les produits modèles sont placés sur un faux fond plat plus ou moins rehaussé dans des colis classiques du type de la configuration 1. Ces colis sont exposés à une faible vitesse d'air en amont de 0,2 m/s qui permet de mieux observer les différences. L'évolution de la température moyenne à coeur de produit (moyenne de quatre colis) selon les différentes épaisseurs de lame d'air ne montre aucune influence de cette épaisseur sur la cinétique de refroidissement (Figure 11).
Influence de la présence de paille
Selon les pratiques commerciales, les tomates sont parfois déposées sur de la fausse paille pour les mettre en valeur. L'objectif de l'essai est d'évaluer si la présence de paille est un obstacle à l'écoulement d'air et si cela influence la température du produit. Les expériences menées sur des produits modèles avec et sans paille dans les colis présentent une légère augmentation du temps de refroidissement qui passe de 1,6 h sans paille à 1,7 h avec paille (Figure 12). Cette légère augmentation permet de conclure que la présence de paille est un obstacle à l'écoulement d'air et rend plus difficile le refroidissement de produit. De plus, la présence de la paille augmente l'hétérogénéité de ventilation [T* (max) – T* (min)] représentée par des barres sur la figure 12.
Influence du filmage
Des colis remplis de tomates Cauralina sont entièrement enveloppés de film étirable en polyéthylène. L'évolution de la température moyenne à coeur du colis 1, pour les modalités avec film et sans film, est présentée dans la figure 13. Les résultats montrent un ralentissement très significatif de la cinétique de refroidissement quand le dispositif est filmé : le temps de mi-refroidissement passe de 4 h sans film à 21 h avec film et le temps raisonnable de refroidissement passe de 11 h sans film à plus de 48 h avec film. En effet, le film bloque la circulation d'air dans les colis et les échanges convectifs entre le produit et l'air sont ainsi limités.
Profil de vitesse d'air dans les colis
Des mesures de la vitesse d'air au-dessus des produits modèles, à trois niveaux (R1, R2 et R3) pour chacun des quatre colis et sur toute la largeur de colis, sont réalisées par LDV. Dans les quatre colis, la vitesse est élevée au milieu du colis c'est-à-dire en face de l'encoche latérale et les vitesses sont faibles sur les deux côtés près des parois (Figure 14). Ces résultats sont en accord avec les températures mesurées présentées sur la figure 7, le produit est plus froid au milieu et plus chaud près des parois latérales de colis.
La vitesse de l'air en amont du colis influence significativement la vitesse maximale de l'air au-dessus des tomates. Une vitesse plus élevée en amont, par exemple à 0,2 m/s au lieu de 0,05 m/s, induit aussi une vitesse plus élevée au-dessus des tomates dans la zone centrale des colis dans le flux de l'encoche latérale, mais pas du tout sur les 7,5 premiers centimètres sur les côtés.
Influence de la présence d'une palette voisine sur le profil de vitesse le long des palettes
Deux palettes, de hauteur 175 cm, espacées de 30 cm et positionnées l'une derrière l'autre, sont placées dans une cellule d'essai. La mesure de vitesse d'air est effectuée devant les orifices d'entrée des colis à différents niveaux de hauteur avec un anémomètre à fil chaud (Figure 15). Au premier niveau, à 20 cm du sol, la vitesse est un peu inférieure à celle du deuxième niveau à 40 cm. Ensuite, une légère diminution de la vitesse est mesurée en remontant, entre 40 et 175 cm de haut. Au niveau le plus haut, la vitesse augmente sensiblement car l'air circule dans l'espace libre au-dessus des palettes. La vitesse est nettement plus faible dans la palette située derrière la première, dans le sens du flux d'air en entraînant ainsi une baisse plus lente de la température dans cette palette.
Conclusion et suite de l'étude
Lors de changements des conditions d'ambiance au cours du circuit logistique, de nombreux paramètres influent sur la rapidité et l'homogénéité d'évolution des températures d'une palette Les travaux menés dans le cadre de la phase 2 du projet FreshQualiTom ont mis en évidence l'importante influence de la vitesse de l'air et du filmage de la palette et la faible influence du taux d'ajourage et de l'épaisseur de la lame d'air dans les colis. En effet, l'hétérogénéité de température est liée à l'hétérogénéité du flux d'air devant la palette car la vitesse de l'air varie avec la hauteur, et au flux à l'intérieur des colis avec un passage préférentiel de l'air au centre en face de l'encoche latérale.
Même si l'étude a été menée sur des colis de dimensions 30 × 40 cm avec encoches latérales, dans une configuration particulière de huit colis par niveau de palette soit deux rangées de quatre colis, ces approches et résultats peuvent en partie s'appliquer à une configuration de colis de 40 × 60 cm avec encoche latérale ce qui donne deux rangées de deux colis par niveau de palette.
Le développement d'un modèle d'évolution de qualité des tomates en fonction des scénarios temps/température dans une chaîne logistique est en projet. Le succès de ce développement dépendra des résultats de mesure de plusieurs critères de qualité des tomates réalisés au CTIFL. En 2021-2022, une campagne de mesures a été menée pour évaluer les qualités physico-chimiques et sensorielles de quatre variétés de tomates conservées dans différentes chambres d'essai pour simuler diverses conditions de circuit logistique (action 3 du projet). Ces résultats feront l'objet d'un prochain article.
Principaux résultats
Dans une palette, la température est hétérogène et le niveau d'hétérogénéité est influencé par les conditions (température, ventilation) du circuit logistique et les pratiques des opérateurs.
Les différents travaux expérimentaux menés dans la phase 2 du projet ont mis en évidence l'importance de la vitesse de l'air dans les échanges thermiques : augmenter la vitesse d'air en amont de colis permet de refroidir les produits plus vite et d'homogénéiser leur température. Cependant, au-delà d'une vitesse seuil (2,2 m/s), l'augmentation de vitesse ne permet plus d'améliorer d'une manière significative la cinétique de refroidissement. La vitesse de l'air n'est pas homogène sur la largeur d'un colis ; elle est nettement plus élevée au milieu, en face de l'encoche latérale, que sur les côtés où l'air est bloqué par les rebords du colis. Il se crée un « couloir » de passage préférentiel de l'air au centre, du fait de l'alignement de ces ajourages entre les quatre colis de la palette. L'air diffuse plus difficilement sur les côtés.
La vitesse de l'air est hétérogène suivant la hauteur de la palette : les colis du dessus non protégés sont ceux qui subissent les vitesses les plus importantes.
Concernant les dispositifs de colisage testés, il est ressorti que l'épaisseur de la lame d'air au-dessus des produits (de 0,5 à 2,5 cm) n'a pas d'influence sur la rapidité de refroidissement des produits. La présence de fausse paille et le filmage ont en revanche un effet négatif sur la descente en température. Le filmage bloque la circulation de l'air dans la palette. Pour atteindre 12 °C, les produits initialement à 20 °C placés dans une ambiance à 4,1 °C, mettent en moyenne 17 h de plus à se refroidir avec un film que ceux placés dans des colis non filmés.
Dans les conditions expérimentales testées, l'augmentation du taux d'ajourage et le film ne permettent pas d'améliorer l'homogénéité de la température des produits.
FreshQualiTom, un projet sur l'impact du froid
Le projet FreshQualiTom, financé par le CasDAR 2020-2023 (Compte d'affectation spécial développement agricole et rural) du ministère de l'Agriculture et de la Souveraineté alimentaire, a pour objectif d'évaluer l'impact des pratiques de refroidissement et de stockage en circuit logistique sur les qualités visuelles, organoleptiques et nutritionnelles des tomates commercialisées en point de vente. Cette étude permettra une meilleure compréhension des phénomènes en cause en évaluant conjointement plusieurs segments de tomates (ronde, côtelée, allongée, cerise), différents stades de récolte et les particularités du circuit logistique français.
Pour mener à bien ce projet, le CTIFL s'est associé à l'unité de Recherche FRISE (Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l'environnement) d'INRAE et au groupe Filpack - L'Univers de l'Emballage, leader de la distribution de produits et systèmes d'emballages sur le marché des fruits et légumes, pour mutualiser les compétences et les connaissances sur le sujet.
Action 2 - Caractérisation de la distribution des températures (colis, palettes)
La tomate, légume préféré des Français, est souvent source de déception gustative pour les consommateurs. Partant de l'hypothèse que des pratiques de refroidissement après récolte et des conditions de stockage inadaptées pourraient être à l'origine d'une baisse de la qualité des tomates distribuées aux consommateurs, le projet FreshQualiTom vise à mieux comprendre les effets des facteurs pouvant influer sur la qualité de la tomate lors du circuit logistique.
Ce projet se construit sur cinq actions complémentaires (Figure A) : l'identification des pratiques de stockage auxquelles les tomates sont soumises à travers une étude de terrain, comprenant des entretiens avec des opérateurs et des enregistrements de paramètres d'ambiance et de produits (Action 1) ; des études expérimentales en laboratoire en conditions maîtrisées pour mieux comprendre les échanges thermiques au sein de la palette en fonction des emballages et des conditions ambiantes (Action 2) et pour identifier les impacts de ces conditions sur les qualités physico-chimiques, organoleptiques et nutritionnelles des tomates (Action 3) ; des propositions de solutions techniques ou de pratiques particulières pour limiter les dégradations observées (Action 4) ; la valorisation des résultats auprès des professionnels de la filière (Action 5).
L'action 1 est présentée dans l'article Projet FreshQualiTom, présentation et caractérisation des circuits logistiques, INFOS CTIFL N° 388 janvier-février 2023. Cet article présente les résultats de l'action 2 « Caractérisation de la distribution des températures ».
Les objectifs de cette action sont d'étudier expérimentalement l'influence des vitesses de l'air réfrigéré et des pratiques des opérateurs de la filière sur la distribution de la température de tomates au sein d'une palette. Les différents effets des ajourages d'un colis, de l'épaisseur de la lame d'air au-dessus des tomates (espace libre dans un colis situé entre le haut des produits et le colis du dessus), de la présence de paille dans un colis et du filmage de la palette sont également évalués.
Les objectifs de cette action sont d'étudier expérimentalement l'influence des vitesses de l'air réfrigéré et des pratiques des opérateurs de la filière sur la distribution de la température de tomates au sein d'une palette. Les différents effets des ajourages d'un colis, de l'épaisseur de la lame d'air au-dessus des tomates (espace libre dans un colis situé entre le haut des produits et le colis du dessus), de la présence de paille dans un colis et du filmage de la palette sont également évalués.
Les données clés à retenir
Projet FreshQualiTom, influence des conditions du circuit logistique sur le refroidissement - Impact du froid sur la qualité des tomates
La deuxième action du projet FreshQualiTom vise à comprendre et déterminer l'influence des conditions de la chaîne logistique sur la température de la tomate : les pratiques de refroidissement et de stockage agissent-elles sur la baisse de qualité des tomates ? Les travaux expérimentaux menés ont montré que la température du produit, facteur déterminant pouvant impacter la qualité, varie selon sa position dans le colis et dans la palette. Un produit placé en périphérie de palette est plus sensible aux variations de température ambiante que celui placé au centre en raison des variations des échanges thermiques entre le produit et l'air. Comprendre ces échanges est donc nécessaire pour envisager des solutions techniques visant à minimiser l'effet potentiel du froid sur la qualité de produit.
Key points
The FreshQualiTom project, influence of supply chain conditions on cooling - Impact of low temperatures on tomato quality
The second action of the FreshQualiTom project aims to understand and determine the influence of the conditions of the supply chain on the temperature of tomatoes: do cooling and storage practices have a negative effect on tomato quality? The experimental work carried out showed that the temperature of the product, a determining factor that can impact quality, varies according to its position in the crate and on the pallet. Products placed on the periphery of a pallet are more susceptible to variations in ambient temperature than those placed in the centre because of variations in thermal exchanges between the product and the air. Understanding these exchanges is therefore necessary to consider technical solutions aimed at minimising the potential effect of low temperatures on product quality.