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La mesure de densité
La densité d’une substance quelconque (liquide, solide ou gazeuse) mesure le rapport entre le poids d’un volume donné de cette substance et le poids du même volume d’eau pure.
Sachant que 1 litre d’eau pure pèse 1 kg soit 1000 g, la formule donnant la densité des substances liquides (les seules qui nous intéressent ici) est :
Densité du liquide = Poids de 1 litre du liquide mesuré en grammes ∕ 1000
Si par exemple 1 l de sirop pèse 1124 g, sa densité sera de 1,124 (la densité étant le rapport de deux mesures de même unité n’a elle-même pas d’unité, c’est juste un chiffre). On appelle également cette valeur le degré densimétrique.
On a su mettre au point depuis très longtemps des instruments pour mesurer par simple lecture la densité des substances liquides.
L’appareil de mesure le plus simple est le densimètre flotteur. Il ressemble à un thermomètre dont le bulbe inférieur est lesté de plomb. On le trempe directement dans le liquide en le laissant flotter, et la lecture se fait sur l’échelle graduée à fleur du liquide. Plus le liquide est dense moins le densimètre plonge profond (conséquence du principe d'Archimède). On le trouve couramment distribué, à prix dérisoire, et il en existe différentes versions suivant la nature de la préparation liquide dont on veut mesurer la densité (bière, alcool, sirop, moût de raison, saumure, huile, etc.), comme il existe différentes versions de thermomètres (médical, d’ambiance, à sucre, de congélation, etc.).
Le densimètre adapté aux préparations liquides dont la densité dépend de la quantité de sucre qu’ils contiennent, c’est-à-dire des sirops, s’appelle simplement un pèse-sirop. Celui-ci a une échelle graduée allant généralement de la densité 1,10 (peu dense) à 1,40 (très dense). La marque Le Parfait bien connue pour ses bocaux en propose un à moins de 10 €.
La question est de savoir à quoi peut servir de connaître la densité d'un sirop et comment cette mesure peut nous renseigner sur la quantité de sucre qu’il contient. Faire la conversion de tête ou par simple déduction n'est pas possible directement. Mais heureusement il existe des tables de correspondance, établies depuis très longtemps à partir de nombreuses mesures, entre composition des sirops et leur densité, comme celle ci-dessous (issue d'un manuel pédagogique de pâtisserie de M. Vitalis). On les trouve facilement dans la littérature de cuisine, en particulier les livres dédiés à la formation et aux apprentissages.
Sur la ligne (en rouge) correspondant à la densité 1,124 de notre sirop précédent on peut lire que le pourcentage en poids de sucre est de 36,6% et qu’il s’obtient avec un litre d’eau porté à ébullition auquel on ajoute 576 g de sucre (et non pas 124 comme on pourrait être tenté de le croire).
Cet appareil est-il fiable et pratique ? Fiable, sans aucun doute, mais c’est moins évident côté pratique. En effet, s’utilisant par immersion dans le sirop, il lui faut une hauteur de liquide suffisante pour qu’il puisse flotter librement sans toucher ni le fond ni les parois du récipient, et dans le cas d’un sirop de confiture où les mesures s’établissent en moyenne entre 1,15 et 1,27 (correspondant respectivement à 42 et 65% de sucre) il faut compter une hauteur minimale de 9 à 11 cm pour le pèse-sirop à confiture de l’illustration. Comme il n’est pas concevable de le tremper directement dans la bassine en pleine ébullition il faut prélever la quantité de sirop nécessaire pour la mesure qui ne peut se faire que dans un récipient adapté, haut et étroit pour ne pas avoir retirer tout le sirop de la bassine, par exemple une éprouvette. Il faut ajouter à cela d'une part le fait que la manipulation se fait nécessairement avec un sirop bouillant et peut donc se révéler délicate voire risquée, et d'autre part que les graduations du pèse-sirop correspondent à des valeurs de mesure faites à température ambiante et qu’il faut donc attendre le refroidissement de l’échantillon pour effectuer la mesure.
La mesure de concentration
La chimie de cuisine a la particularité de ne pas être très rigoureuse quand elle emprunte des notions scientifiques pour son propre usage. C’est excusable dans la mesure où la précision exigée en cuisine n’est pas du tout celle exigée en laboratoire. C’est ainsi qu’on assimile souvent les termes de densité, concentration et taux à la même variable, alors qu’en toute rigueur il s’agit de notions différentes aux définitions très précises.
La concentration mesure la quantité d’une substance présente dans un milieu liquide, et se définit strictement comme étant le rapport entre le poids de cette substance sur le volume du liquide qui la contient. On peut l’exprimer en grammes par litre (g/l), en kilo par mètre cube (kg/m3), en gramme par centilitre (g/cl), etc. suivant la quantité de substance présente dans le liquide. Par exemple on parle d'une concentration de sel dans l’eau de mer de 35 g/l, ou bien sur l’étiquette d’une bouteille d’eau minérale on peut lire sa minéralisation, c’est-à-dire la concentration des sels minéraux qu’elle contient (calcium, magnésium, etc.), exprimés en milligrammes par litre (mg/l).
On remarquera en tout cas que concentration et densité ne sont absolument pas identiques.
Pour évaluer la densité des liquides les chimistes et les pharmaciens ont depuis longtemps adopté des systèmes d’unités particuliers, plus facilement manipulables et très répandus, qui ont été assimilés par analogie (et abusivement) à la mesure de concentration. La plus connue de ces unités est le degré Baumé (noté °B), du nom du pharmacien et chimiste natif de Senlis qui l’a élaborée au XVIIIe siècle, et dont le père était pâtissier. Or cette unité de mesure résulte tout simplement d’une conversion à partir de la valeur de la densité. C'est donc ni plus ni moins qu'une mesure de densité au moyen d'une autre unité et pas de concentration au sens strict comme exposé plus haut. Et ainsi pour mesurer la concentration selon cette terminologie un peu désuète on utilise évidemment le même instrument que pour la densité, c’est-à-dire un densimètre !
La formule de conversion entre densité et concentration pour les liquides plus denses (lourds) que l’eau (elle est un peu différente pour les liquides plus légers mais elle ne nous intéresse pas ici) est la suivante :
Concentration en °B = 145 – (145 ∕ densité)
L'intérêt de cette unité de mesure est d’avoir une échelle de valeurs exprimées en nombres entiers allant de 0°B pour la densité 1 (l’eau pure, donc de concentration 0) à quelques dizaines pour les liquides très denses et concentrés (40°B pour une densité de 1,38) plutôt qu'en une série de décimales.
La concentration en °B de notre sirop précédent de densité 1,124 vaut donc :
145 – (145 ∕ 1,124) = 16°B
Tous les corps liquides, quels qu’ils soient, et pas seulement les sirops de sucre, peuvent avoir leur concentration mesurée sur l’échelle de Baumé, et c’est une variante très proche qui est encore actuellement utilisée en pétrochimie pour évaluer la qualité du pétrole (l’échelle API).
A noter qu’un pèse-sirop présente généralement une double échelle de lecture, densité et °B, et que ce sont toujours les tables de correspondance entre composition des sirops, densité et concentration en °B qui vont nous renseigner. La table précédente dispose d’une colonne en °B, sur laquelle on peut lire à la ligne 16°B que cela équivaut à la densité de 1,124 pour un sirop pesé bouillant contenant 576 g de sucre pour 1 litre d’eau.
En résumé, on peut mesurer la densité ou la concentration Baumé directement avec un pèse-sirop, et l’équivalence en poids de sucre est donnée par des tables de correspondances utilisées depuis des décennies par tous les confiseurs, confituriers, pâtissiers, etc. La méthode a fait ses preuves, mais elle exige ce recours contraignant et systématique aux tables de correspondance (sauf à savoir par cœur les plus couramment utilisées).
Pour la petite histoire, il est curieux et amusant à la fois de noter que l’unité de mesure du °B a été supprimée et même interdite d’usage sur les instruments de mesure par un décret datant de 1961, donc depuis plus d’un demi-siècle, mais que l’on relève toujours aujourd’hui la graduation en °B sur nombre d’instruments et qu’elle est encore souvent citée comme référence dans beaucoup d'ouvrages !
Relation entre température et densité
Plusieurs remarques importantes sont à faire avant de poursuivre :
D’abord il est impératif de comprendre et de toujours garder à l’esprit le fait que les mesures dont on vient de parler dépendent de la température de ce que l’on mesure ; en d’autres termes la température influence la mesure.
On sait en effet que la chaleur provoque la dilatation des corps, qu’ils soient solides, liquides ou gazeux, c’est-à-dire une augmentation de leur volume. En revanche elle ne modifie pas leur poids. Ce qui signifie qu’elle modifie toutes les mesures liées d’une façon ou d’une autre au volume. En particulier la densité et la concentration. Plus précisément, une élévation de température provoquant une augmentation de volume a pour effet de diminuer la densité et la concentration.
Dans un sirop, composé d’eau et de sucre, ce n’est pas vraiment la dilatation du sucre qui est en cause. Cette dilatation existe mais elle est insignifiante. En revanche, l’eau est une substance qui se dilate sensiblement : 1 litre d’eau froide occupe un volume de 1,043 litres quand elle est portée à 100°C, soit une augmentation de volume de plus de 4%. Aussi le sirop froid et le même sirop bouillant n’ont-ils pas la même densité ni la même concentration, le froid étant moins volumineux que le chaud, alors que le poids de sucre est pourtant le même.
C'est pourquoi les tables de correspondance dont il a été question sont toujours établies pour une température donnée qui doit impérativement être précisée (la table précédente en illustration précise qu'il s'agit de mesure à température d'ébullition).
On peut mesurer par exemple qu’entre un sirop froid et un sirop bouillant l’écart de densité peut aller de ± 0,030 à ± 0,060, et celui de la concentration de ± 4°B à ± 5°B, l’écart n’étant pas constant et variant sensiblement avec la concentration.
Pour reprendre notre exemple précédent, le sirop pesé bouillant avec une densité de 1,124 et une concentration de 16°B, aura les valeurs approximatives de 1,160 et 20°B quand il aura refroidi.
La seconde remarque découle de la première et pointe la nécessité d’être extrêmement attentif dans la recherche et la lecture des tables de correspondances, d’autant que de recopie en recopie des informations essentielles se perdent, comme la température à laquelle s’applique les valeurs, et les chiffres subissent parfois des arrondis abusifs, quand ce ne sont pas les deux à la fois !
S’il a été dit plus haut que la quantité de sucre dans un sirop ne peut pas être déduite directement de la simple lecture de sa densité, c’est parce qu’il est nécessaire pour cela de procéder à un calcul mathématique qu'il est intéressant d'expliciter.
On connaît la masse volumique du sucre, c’est-à-dire son poids par unité de volume. Celle du sucre à confiture (saccharose) est de 1,59 g/cm3 et celle du sucre de fruit (fructose) de 1,69 g/cm3. Si l'on retient une moyenne de 1,60 g/cm3, sachant que dans un sirop de confiture la grosse proportion de sucre est celle du sucre ajouté, on peut calculer le poids de sucre dans un litre de sirop avec la formule suivante :
Poids de sucre en grammes = 1000 x (Densité – 1) x 1,60 ∕ (1,60 – 1)
Cette formule n’est valable qu’à la température de 20°C, et ne permet donc pas de retrouver les bonnes valeurs pour des sirops bouillants.
Les choses n’étant décidément pas simples, et c’est peu dire (!) on a cherché depuis longtemps à établir par approximation des correspondances entre température et densité et/ou concentration afin de faciliter le travail des praticiens de la confiserie et de la pâtisserie qui travaillent généralement à chaud. C'est ainsi que par tâtonnements on a pu repérer à quelle température on obtient approximativement telle densité et telle concentration d'un sirop de sucre dont on connait ces mêmes valeurs à froid. D’où des tableaux comme celui-ci, énumérant par étapes les différentes textures du sirop, désignées par des noms classiques et traditionnels, selon sa température, ainsi que la densité correspondante. Ce type de tableau est également très répandu dans la littérature de cuisine.
Ce n'est hélas pas d'un très grand secours pour la réalisation des confitures car cela concerne des températures très élevées, bien au-dessus des celles enregistrées dans la bassine à confiture, températures auxquelles l'eau finit par n'être plus que résiduelle, et l'on parle alors de cuisson du sucre plutôt que de cuisson du sirop.
Le domaine propre aux confitures ne concerne au mieux que les deux premières lignes du tableau. Et d’autre part, s’y fier revient en fin de compte à se satisfaire de l’empirisme de la cuisson évoqué au chapitre précédent, d'autant que d'une documentation à l'autre ces tableaux ne coïncident jamais avec exactitude et affichent des valeurs dont les écarts sont loin d'être négligeables !
La mesure du taux de sucre
On serait tenté de dire « A quoi bon toutes ces précisions si c’est pour en arriver là ? ! »
Et en effet, si une connaissance détaillée de ce qui se passe dans la bassine ne permet guère mieux de le maîtriser, si la manipulation des formules mathématiques aboutit à des grandeurs qui ne sont pas simples à mesurer, s’il faut recourir finalement au simple thermomètre et à des tables de correspondance aléatoires, est-ce tellement mieux que d’avancer au jugé et s’en remettre au hasard ?
Il existe pourtant une grandeur évidente mais qui n’a jamais été abordée directement, c’est le taux de sucre, ou sa teneur, c’est-à-dire le pourcentage de son poids dans le sirop. Alors que la concentration (la vraie, pas la concentration en degré Baumé qui n'est qu'une unité de densité) est définie comme le poids de sucre par unité de volume de sirop, le taux ou teneur est le poids de sucre par unité de poids de sirop. Autrement dit c’est le poids de sucre dans 100 g de sirop ; par exemple une confiture ayant un taux de 55% en sucre contient 55 g de sucre pour 100 g. C'est aussi simple que cela.
La différence ne saute pas aux yeux et fait très souvent l'objet de confusions, et pourtant l’avantage de cette mesure est important. D’une part c’est une mesure qui n’est en principe pas dépendante de la température. La chaleur modifiant les volumes et non les poids, le taux de sucre ne peut pas être affecté comme la densité ou la concentration par une variation de température. Sous réserve bien sûr qu’entre la mesure à froid et la mesure à chaud il n’y ait pas eu d’évaporation d’eau et concentration du sucre.
D’autre part et surtout on peut mesurer directement et très facilement, sans calcul ni table de correspondance, le taux de sucre de la confiture en cours de cuisson depuis qu’existe un appareil simple et bon marché pour le faire : le réfractomètre.
Pour être exact, il faudrait dire teneur en matières sèches plutôt que teneur en sucre car tout ce qui n’est pas eau est matière sèche, et même si dans une confiture les sucres en constituent l’essentiel ils ne sont pas tout à fait les seuls (pulpe, sels minéraux, etc.) comme il a été vu dans un chapitre précédent.
Il faut savoir que c’est sur ce taux de matières sèches que se base la législation française pour réglementer la fabrication des confitures et non pas sur la température de fabrication, la densité ou la concentration !
Le réfractomètre a été inventé à la fin du XIXe siècle par l’entreprise allemande Zeiss, mondialement connue pour ses objectifs de qualité. Cet appareil se présente comme une lunette monoculaire à travers laquelle on observe la lumière traversant une goutte du liquide à mesurer. Utilisant les propriétés de la lumière (réfraction), son utilisation est aussi simple que celle d’un thermomètre : on dépose un peu de confiture sur l’appareil et on voit s’afficher directement dans le viseur la valeur du taux de matières sèches sur une échelle graduée. D’ailleurs, le réfractomètre est tellement simple et fiable qu’il a été adopté par beaucoup de professions pour une multitude d’activités : mesure de l’eau de mer, des aquariums, des liquides de batterie, de l’antigel, du miel, du vin, etc. Il existe évidemment des modèles adaptés à chacun des usages spécifiques et il est utilisé unanimement par tous les confituriers, qu’ils soient artisans ou industriels.
Le taux de matières sèches (désignées souvent par l’abréviation MS) dans un liquide est appelé degré Brix, du nom d’un ingénieur-mathématicien allemand qui l’a « inventé » et il est noté par le symbole « °B », en l’occurrence très mal choisi puisqu’il est identique à la notation de la concentration en degré Baumé ! Aussi cette notation est-elle peu utilisée au profit de la notation en pourcentage, ou « % Brix » ou abrégée « %Bx ».
Pour compléter l’information sur l’ensemble de ces mesures, il faut savoir qu’il existe une relation entre la concentration en degré Baumé et le taux de MS en degré Brix, rigoureusement fixe à la température de 20°C (mais elle n’est plus valable à haute température) qui se traduit comme suit :
°B (Baumé) = 0,544 x % Brix
Ainsi, entre densité, concentration en degré Baumé et taux il existe une parfaite correspondance et en combinant la formule précédente avec celle donnée plus haut entre densité et concentration on pourrait parfaitement déduire le taux de matières sèches en % Brix d’après la densité mesurée avec un pèse-sirop :
Taux MS % Brix = (145 – (145 / densité)) / 0,544
Finalement on retombe sur nos pieds et le pèse-sirop retrouve ici de l'intérêt en s'exonérant des tables de correspondance pour peu qu'on ne rechigne pas à utiliser cette formule un peu barbare !
On préfèrera toutefois le réfractomètre, d’un usage plus simple et d’une acquisition également facile (sur Internet) sans être ruineuse, à des tarifs allant de moins de 20 € jusqu’à une centaine d’euros.
Le choix d’un bon modèle adapté peut toutefois s’avérer délicat. En général il est précisé pour quel type de mesure les modèles sont destinés (apiculture, vinification, jus de fruit, sirops, etc.). Mais sachant qu’une confiture devra titrer en fin de cuisson entre 50 et 65% de MS (la législation fixe le taux minimum à 55% MS pour avoir droit à l’appellation confiture mais on peut préférer des taux de sucre plus légers), il faudra que le réfractomètre ait une échelle qui corresponde à cette plage de valeurs. Il est souvent conseillé d’en choisir un dont la plage de lecture couvre le spectre maximum de 0 à 90%. Un tel modèle aura évidemment l’avantage de tout pouvoir mesurer, du faible taux de sucre dans le fruit cru (il suffira de mesurer une goutte de jus) jusqu’au taux très élevé de la pâte de fruit, mais une large plage de lecture sera au détriment de la précision surtout si le prix du modèle est bas. On peut choisir sinon un modèle dont la gamme de lecture est 28-62% (que je recommande) qui ne pourra pas lire les fortes densités de sucre, ou bien 58-90% qui lui ne lira pas les faibles densités. L’idéal est évidemment d’avoir plusieurs modèles afin de couvrir toute la gamme (ce qui est les cas des artisans).
A savoir également que la bonne mesure au réfractomètre se fait normalement à 20°C. Cela peut paraître contradictoire avec ce qui a été dit plus haut mais il n’en est rien, car dans ce cas ce n’est pas le sirop à mesurer qui voit son taux modifié en fonction de la température, mais le réfractomètre lui-même (les optiques qui le composent) qui fausse la mesure si la température s’écarte trop des 20°C. Heureusement, beaucoup de réfractomètres sont désormais à correction automatique de température (modèle ATC) et corrigent d'eux-mêmes la mesure quand la température se situe sur une plage allant de 10 à 30°C. Toutefois, la mesure n’exigeant qu’une à deux gouttes de sirop (contrairement au pèse-sirop qui en exige une quantité non négligeable), il est facile et rapide de poser sur un support quelconque une demi-cuillère à café du sirop bouillant pris dans la bassine et d’attendre la poignée de secondes nécessaires au refroidissement avant de prélever ce qu’il faut pour la mesure.
Enfin, pour terminer, il est fréquent que dans le viseur du réfractomètre soit indiqué l'équivalent de la mesure du taux Brix, en valeur de densité (comme dans l'illustration ci-dessus) ou même en valeur de concentration en degré Baumé.
On peut donc se permettre d’affirmer que la mesure du taux de matières sèches à l'aide d'un réfractomètre est le meilleur moyen, réellement simple, fiable et efficace d’obtenir une cuisson régulière et maitrisée des confitures.
Calibrage d'un réfractomètre
Il est nécessaire d'en dire un mot car à l'achat un réfractomètre est rarement calibré, et on doit procéder à son calibrage, ou étalonnage, si on ne veut pas obtenir des mesures fantaisistes.
Pour cela il suffit de régler une petite vis pour que la mesure d'un échantillon dont on connait à l'avance la valeur du taux Brix corresponde à celle qui s'affiche dans le réfractomètre. On lit à peu près partout y compris sur les notices qu'il suffit de prendre une goutte d'eau pure et de régler le zéro... Sauf que la plupart des appareils ne couvrent pas une échelle de valeurs incluant le zéro et qu'un réfractomètre de type 28-62% ou 58-90% par exemple ne le permettra pas !
Pour pallier à ce problème on peut préparer soi-même sa propre solution d'étalonnage avec de l'eau et du sucre. Cette opération est un peu délicate car les pesées doivent être faites avec une grande précision (au moins au demi-gramme près) et l'eau doit être très pure. Choisissons un taux de 60% par exemple qui sera vraisemblablement présent dans l'échelle de l'appareil qu'on veut étalonner :
Peser 60 g de sucre dans un récipient
Ajouter de l'eau pure (déminéralisée, et surtout pas de l'eau minérale) jusqu'à ce que le tout fasse 100 g, et délayer jusqu'à dissolution complète
On peut favoriser la dilution du sucre en chauffant le récipient au bain-marie (pas directement sur le feu car de l'eau va s'évaporer et modifiera le taux)
On a obtenu alors un sirop composé de 60 g de sucre pour 100 g, soit un taux exact de 60% Brix si les pesées ont été faites minutieusement
Il suffit alors de prendre la mesure d'une goutte de ce sirop à température ambiante et de faire jouer la petite vis de réglage pour que la lecture corresponde exactement à la valeur 60% Brix dans la lunette
Il sera pertinent de conserver au frais une peu de ce sirop dans une petit bocal fermé hermétiquement (pour éviter l'évaporation) afin de vérifier périodiquement que le réfractomètre est toujours bien calibré.
On peut également tenter d'acheter dans le commerce des solutions de référence certifiées, mais elles sont généralement assez coûteuses et pas très faciles à trouver. Une autre solution est d'utiliser une astuce que les apiculteurs connaissent bien et qui consiste tout simplement à mesurer le taux Brix d'une goutte d'huile d'olive qui se situe à 71%, parait-il avec n'importe quelle huile d'olive pourvu qu'elle soit de qualité vierge extra, mais encore faut-il que l'appareil couvre cette valeur.
Il est temps maintenant d’aborder vraiment les étapes techniques de fabrication d’une bonne confiture !