Lorsqu’on élabore une boisson sucrée à base d’alcool — comme une liqueur, un cocktail ou une crème, il est tentant de calculer son taux d’alcool simplement à partir des volumes d’ingrédients et du taux d’alcool de ces ingrédients.
Mais l’ajout de sucre complique tout : une fois dissous, il occupe une partie du volume total du mélange, ce qui fausse les calculs.
Une fois les ingrédients mélangés, il reste donc une incertitude :

❓ le taux d’alcool final sera-t-il celui que j’avais prévu ?

Autrement dit :

❓ Peut-on prévoir le TAV final d’une préparation alcoolisée sucrée à partir des seules données de composition initiale (eau, alcool, sucre), alors même que le sucre vient perturber ces équilibres ?

Ou encore :

❓ Pourquoi la présence de sucre complique-t-elle le calcul du taux d’alcool ?

Pour répondre à ces questions, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de dissolution du sucre dans un mélange eau-éthanol et de savoir en simuler les effets.

Que savons-nous du mécanisme de la solubilité du sucre ?

Une fois dissous, le sucre occupe un volume propre, qui vient modifier le volume total de la solution.
Cela fausse les calculs basés uniquement sur les volumes d’alcool et d’eau utilisés.

Le sucre utilisé dans ces recettes est généralement du saccharose, soit sous forme de sirop (canne ou betterave), soit cristallisé. De nombreuses études ont permis de comprendre les mécanismes de solubilité du saccharose dans l’eau pure à 20 °C et de déterminer son volume massique dans l’eau, — c’est-à-dire le volume occupé par une masse donnée de sucre dissous dans un liquide.

Mais qu’en est-il dans un mélange eau + éthanol ?

Ces questions sont cruciales pour les professionnels des spiritueux ou les passionnés de cocktails : elles permettent d’ajuster finement les recettes sans surdoser, ni se tromper sur le taux final d’alcool.

Or, la bibliographie scientifique ne fournit pas suffisamment de données concrètes pour prédire ces phénomènes.

Des expérimentations pour combler le manque de données scientifiques

Pour pallier ce manque de données pratiques, des expérimentations ont été menées avec Labox Applications.

Les objectifs sont les suivants :

– Mesurer précisément le volume réellement occupé par le saccharose selon :

• de sucre et le taux d’éthanol,
• la présence de certains composés spécifiques aux alcools utilisés (tanins, esters, arômes, etc.),

– Comprendre le phénomène de dissolution

– Valider expérimentalement la possibilité de calculer le TAV final à partir des proportions de sucre, d’eau et d’alcool utilisées.

Le détail de la recherche bibliographique, des expérimentations et des conclusions de ces recherches sont présentés, en détail, dans la deuxième partie de cet article.

Conclusions et Application pratique de ces expérimentations

En apportant une meilleure compréhension des mécanismes de dissolution du saccharose dans les solutions eau-éthanol, ces travaux nous ont permis de connaître le volume occupé par le saccharose dissous et ainsi de pouvoir en tenir compte dans le calcul du taux d’alcool final.
Ils ont rendu possible le développement d’une application simple d’utilisation, destinée à concevoir ou ajuster des recettes de boissons sucrées alcoolisées : 

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Cette Boxette calcule précisément les quantités des différents ingrédients dont les alcools, l’eau et le sucre, y compris sucre cristallisé, pour obtenir :
• le bon volume,
• le bon taux d’alcool,
• le bon taux de sucre,
… en tenant compte des ingrédients disponibles et de certaines contraintes de ces ingrédients.

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Présentation des Recherches bibliographiques et des Expérimentations menées avec Labox applications

1. Mécanisme de dissolution du sucre dans l’eau

C’est un sujet qui semble anodin, mais encore aujourd’hui, les recherches se poursuivent pour comprendre ce phénomène.

Il est résumé ici, ce que nous savons sur le mécanisme de dissolution du saccharose dans l’eau pour tenter de comprendre celui de sa dissolution dans un mélange eau-alcool.

1 Le saccharose est une molécule polaire avec 8 groupes hydrolyles -OH, ainsi représenté dans la figure 1

Figure 1 : Formule du saccharose et représentation dans l’espace

Boules noires = Carbone ( C ) – Boules rouges = Oxygène (O) – Boules blanches = Hydrogène (H)

2 Les groupes hydroxyles (-OH) établissent des liaisons entre les molécules de saccharose, assurant la cohésion du cristal.

Figure 2 : Association de 2 molécules de saccharose pour construire un cristal

Cette structure est maintenue par des interactions entre les atomes d’hydrogène et les atomes d’oxygène dites « liaisons hydrogènes ».

3 Ces liaisons peuvent être de type intramoléculaire, comme représentées par les traits en pointillé dans la Figure 3, ou intermoléculaire, entre 2 molécules de saccharose, représentées par les traits en pointillés dans la Figure 4.

4 L’eau – très polaire – peut briser ces liaisons et dissoudre le sucre.

Lorsqu’on introduit du saccharose dans de l’eau, les molécules d’eau interagissent avec les 8 groupes –OH et les 3 les atomes d’oxygène des liaisons glycosidiques (C-O-C) du sucre, brisant progressivement le réseau cristallin du sucre solide.
La dispersion des molécules de saccharose dans l’eau correspond à la dissolution.

Figure 5 : Interaction de l’eau avec le saccharose

Conséquence :
En théorie et en modèle simplifié eau / saccharose, 11 molécules d’eau sont susceptibles d’interagir avec une molécule de saccharose pour permettre la dissolution du saccharose et remplacer les interactions sucre-sucre (dans le cristal) par des interactions eau-sucre (1).

En pratique, il est constaté que pour un volume d’eau donné, lorsqu’il y est ajouté progressivement du saccharose, le nombre de molécule d’eau qui peuvent se lier au saccharose va fortement diminuer du fait des interactions sucre-sucre qui vont être de plus en plus difficiles à briser (2).

De ce fait, des études ont montré que le rapport nombre de molécule d’eau lié au saccharose diminue avec la concentration en saccharose et ne dépasse pas 6 à 20°C (3).

2. Volume occupé par le saccharose dans l’eau

Le volume occupé par une certaine masse de solide dissous est appelé « Volume massique ». Il dépend de nombreux facteurs. Des études de thermodynamiques ont montré que le volume massique apparent du saccharose dissous dans de l’eau serait entre 0,61 et 0.63 cm³/g (2)(4).

Pour vérifier cette hypothèse, il est possible de calculer ce volume massique dans les sirops utilisés par les professionnels des spiritueux, à partir des données des fiches techniques de ces sirops.

Exemple 1 : Calcul du volume massique du saccharose du sirop PECNER

1 Calcul de la masse d’eau à partir des données de la fiche technique

– Masse volumique du Sirop PECNER : 1320 g/l
– Concentration en saccharose : 860 g/l

Dans 1l de sirop, Poids total – Poids de sucre introduit =  1320 – 860 = 460 g de Masse d’eau 

2 Calcul du volume d’eau 

– Masse volumique de l’eau : 998 g /l,

Dans 1l de sirop, Masse d’eau / Masse volumique de l’eau = 460 / 998 = 0.461 l de Volume d’eau

3 Calcul du volume occupé par le saccharose

Volume de départ de 1 litre de sirop – Volume d’eau = Volume occupé par le saccharose dans 1 litre de ce sirop soit :
1 l – 0.461 l = 0.539 l occupé par de saccharose

4 Calcul du volume massique du saccharose

Volume occupé par le saccharose / masse de saccharose = 0.539 / 860 = 0.000627 l/g ou encore 0.627 cm³/g

Exemple 2 : Calcul du volume massique du saccharose du sirop MENEAU 

Données de la fiche technique du sirop Meneau :
– Masse volumique  : 1375.1 g/l
– Concentration en saccharose : 890 g/l

Le même calcul que précédemment conduit à un Volume massique de 0.631 cm³/g.

Ces calculs confirment que l’ordre de grandeur du volume massique apparent du saccharose, dans de l’eau à 20°C, se situerait bien entre à 0.61 et 0.63 cm³/g, comme annoncé dans la littérature  (2) (4)

❓ Qu’en est-il du volume occupé par le saccharose dans les recettes à base d’eau et d’éthanol ?

❓Quelles sont les informations données dans la littérature scientifique ?

3. Volume occupé par le saccharose dissous dans un mélange eau/éthanol

3.1. Données de la littérature

Il n’existe pas de tables publiques listant le volume massique du saccharose dans un mélange eau–éthanol à 20 °C.

Par manque de données expérimentales, une étude assez récente de 2018 (5) a été conduite par des chercheurs de l’industrie pharmaceutique. Cette étude porte sur le volume massique apparent du saccharose en solution à 25°C, dans différents mélanges eau-co solvent, dont l’éthanol. Ces travaux permettent aux auteurs de conclure qu’une valeur moyenne de 0,632 cm³/g +/-0 .008 peut être utilisée comme estimation pratique du volume massique apparent du saccharose dans les mélanges étudiés et plus précisément 0.625 cm³/g +/-0 .008 dans les mélanges eau-éthanol.

A 25°C, le volume occupé par le saccharose dans un mélange eau-alcool serait de 0.625 cm³/g +/-0 .008.

❓ Qu’en est-il à 20°C ?

3.2. Etudes pratiques pour le calcul du volume massique du saccharose à 20°C dans un mélange eau/éthanol

En l’absence de données scientifiques à 20 °C — température de référence en métrologie légale internationale — nous avons mené, avec l’équipe de Labox Applications, une série de 20 tests à 20 °C (±1 °C), couvrant des mélanges eau/éthanol de 0 à 90 % vol..
Les données des sirops de Pecner et Meneau ont été prises en compte dans ces calculs.
Certains essais, réalisés à des concentrations d’alcool et de sucre bien au-delà des usages courants, visaient à explorer les limites de solubilité du saccharose dans un mélange eau/éthanol.

Le taux d’alcool final de certaines solutions a été mesuré afin de valider les calculs.

Résumé du protocole de test

1 A partir d’Alcool neutre 96,4 % vol., préparation de solutions eau-alcool

– À 20 °C ± 1 °C
– Mesure du taux d’alcool final des différentes solutions synthétiques (TAVss) et Masse volumique (MVss), après contraction, à l’aide d’un densimètre électronique portable

2  Introduction du sucre cristallisé

– Dans fiole jaugée 100 ml
– Masse ajustée selon les concentrations ciblées

3  Ajout de la solution eau-alcool

– Jusqu’au trait de jauge
– Mesure de la masse ajoutée

🧮 Calculs
– Volume de solution eau-alcool ajoutée = masse / masse volumique (MVss)
– Volume occupé par le sucre = 100 ml – volume de solution eau-alcool ajouté
– Volume massique du sucre = masse sucre / volume occupé par le sucre
– TAV en % vol. d’alcool final de la solution = Volume de solution eau-alcool * TAVss / 100

Résultats des tests

La figure 6 présente les couples taux d’alcool / concentration en sucre testés.
Les points bleus indiquent les cas où le saccharose ne s’est pas totalement dissous.

Comme attendu, la solubilité du saccharose diminue avec l’augmentation de la concentration en éthanol. A partir de 15% vol., cette solubilité semble décroître assez linéairement .

Le calcul du volume massique apparent effectué pour chaque essai (dans les cas de solubilité totale ou limite) donne des résultats systématiquement compris entre 0,618 et 0,630 cm³/g, soit une valeur moyenne de 0,624 cm³/g ± 0,006 à 20 °C dans des mélanges eau-éthanol.

Ces valeurs sont cohérentes avec :

• celles mesurées dans l’eau pure à 20 °C (0,61 à 0,63 cm³/g) (2) (4)
• et celles publiées en 2018 pour des mélanges eau-éthanol à 25 °C (0,625 cm³/g ± 0,008) (5).

Aucune tendance de variation significative du volume massique n’a été observée ni en fonction du taux d’alcool, ni en fonction du taux de saccharose (figures 7 et 8).

Interprétation des résultats du Volume massique apparent du saccharose en mélange eau-éthanol

Les résultats suggèrent que le volume occupé par le saccharose dans les mélanges eau-éthanol reste globalement constant, quel que soit le pourcentage d’éthanol.

En utilisant le nombre de molécules d’eau (Rm), nécessaire à la dissolution d’une molécule de saccharose dans l’eau, en théorie de 11, mais selon la littérature scientifique, en pratique maximum 6 (3), il est possible de calculer la concentration limite de dissolution du saccharose dans un mélange eau-éthanol avec ces deux hypothèses.

On obtient la représentation suivante (figure 9).

La représentation graphique obtenue montre que la limite de solubilité constatée dans nos essais, droite reliant les carrés bleus, est bien en dessous de celles calculées par la théorie.

Cela s’explique probablement par le fait que l’eau a plus d’affinité à se lier avec l’éthanol, qu’avec le saccharose. La partie de l’eau qui est liée à l’éthanol, ne peut donc pas participer à la dissolution du sucre.

Autrement dit, seule l’eau « libre » est disponible pour hydrater le saccharose.

Conséquence :
Dans les boissons alcoolisées sucrées, une partie de l’eau étant liée à l’éthanol, la dissolution du saccharose ne peut se faire qu’avec l’eau libre. La série de figures 11 illustre ce phénomène.

Cette étude montre également qu’à partir de 90% vol. d’éthanol, il n’y a pas assez de molécules d’eau disponibles pour hydrater complètement le saccharose. Nous avons pu calculer que le nombre de molécule d’eau libre n’était plus qu’à environ 30% du nombre nécessaire à la solubilisation du saccharose. De plus le réseau tridimensionnel de liaisons hydrogène du saccharose est fortement perturbé et ne permet plus d’association avec le saccharose.

Remarque : En pratique, pour la réalisation de recettes habituelles de crèmes, cocktails ou liqueurs, le champ d’application, encadré dans la figure 9, n’est pas concerné par cette limite de solubilité.

❓Qu’en est-il de l’influence des autres composés présents dans les spiritueux sur la solubilité du saccharose et son volume massique apparent ?

4. Effet des composés volatils des spiritueux sur le volume massique du saccharose

A notre connaissance, aucune étude publiée ne traite de l’influence des composés naturellement présents dans les spiritueux sur le volume massique apparent du saccharose.
Pour préparer des Liqueurs, Cocktails et autres boissons sucrées à base d’alcool, les alcools de base sont en général avec des profils analytiques, sans vieillissement sous bois ou peu chargés en tanins, très aromatiques, mais pauvre en certaines substances volatiles (type acides gras) qui pourraient générer des problèmes d’instabilité.

Pour évaluer si certains composés volatils naturellement présents dans les spiritueux — tels que les alcools supérieurs, les aldéhydes, les esters ou même quelques corps gras — pouvaient influencer la solubilité du saccharose et son volume massique, une expérience complémentaire a été menée.

Choix de l’alcool de départ
Un rhum ayant vieilli 3 ans en fût de chêne, initialement à 70 % vol., a été sélectionné pour sa composition en composés aromatiques représentatifs de nombreuses recettes de liqueurs.
Il a été réduit à 48 % vol. d’alcool, puis sucré pour atteindre environ 35 % vol. dans le mélange final.
Le taux de sucre incorporé était de 430 g/L, soit au seuil de solubilité pour ce taux d’alcool.

Ce rhum présente les caractéristiques suivantes :

• Aldéhydes totaux (éthanal/acétal exprimés en éthanal) : 7 g/hl AP
• Acétate d’éthyle : 66 g/hl AP
• Alcools supérieurs : 183 g/hl AP
• Acidité volatile : 9 g/hl AP
• Substances volatiles totales : 264 g/hl AP
• Tanins : 150 mg/L (teneur volontairement modérée pour éviter tout risque de précipitation ou d’altération de la couleur)

Cet essai est représenté dans la figure 10, à l’intersection 35 % vol. / 430 g/L de sucre.

Résultats de l’essai :
– La dissolution du sucre a été complète, malgré la richesse aromatique du rhum.
– Le calcul du volume massique du saccharose dans cette solution est de 0,624 cm³/g, soit une valeur en parfaite cohérence avec celles observées dans les autres essais en solutions hydroalcooliques pures.

Conclusion :
Cet essai montre que, pour les profils d’alcools généralement utilisés dans les liqueurs, cocktails ou boissons sucrées à base d’alcool, la présence de composés volatils ou de tanins à des concentrations raisonnables n’a pas d’effet mesurable sur :

• la solubilité du saccharose,
• ni sur son volume massique apparent une fois dissous.

5. Confirmation par la mesure du taux d’alcool des mélanges réalisés pour le test

Afin de vérifier que la prédiction du taux d’alcool final était possible, quatre des essais précédents ont été distillés, dont celui préparé avec le rhum. En effet dans un mélange eau-éthanol contenant du sucre, il est nécessaire de mesurer le taux d’alcool dans le distillat ne contenant plus que l’eau et l’éthanol.

Pour la distillation, il a été utilisé un appareil par distillation à la vapeur, semi-automatique (DE 2000 de chez DUJARDIN-SALLERON. Il permet une distillation précise, sans risque de perte d’alcool. Le taux d’alcool a été analysé avec un densimètre électronique portable portable (DMA 35 de chez Anton Paar) dont la précision est de 0.1% vol. lorsqu’il est correctement étalonné.
Pour certains des essais, dont le taux d’alcool final risquait de dépasser 25% vol., il a été nécessaire de procéder à une dilution par deux, se référer aux trois articles de ce blog dédiées aux méthodes d’analyse du taux d’alcool.

Les résultats sont regroupés dans le tableau suivant :

Constat :
Pour trois de ces essais, la différence entre le taux d’alcool attendu et le taux mesuré a été de 0.1% vol..
Pour un des essais, l’écart a été de 0.3% vol.
L’incertitude pour ces mesures étant de 0.2% vol. pour les solutions non diluées (essais 19 et 20) et de 0.3% vol. pour les essais qui ont dû être dilués (essais 17 et 18): Les différences constatées sont dans la marge des incertitudes de mesure.

Les calculs de prédiction du taux d’alcool final s’avèrent donc assez précis pour les préparations de recettes de boissons alcoolisées sucrées.

Les résultats obtenus confirment que les phénomènes de contraction ou dilatation qui seraient liés à l’ajout de sucre dans un mélange eau-éthanol, ne sont pas à prendre en compte pour la prédiction du taux d’alcool final.
Comme, l’eau associé à l’éthanol ne se rend pas disponible pour dissoudre le saccharose, on peut donc supposer que la masse volumique du mélange « eau associé à l’éthanol » reste constant ou tout au moins ne subira pas un changement perceptible sur la mesure du taux d’alcool final.

Par contre, lorsque l’on mélange de l’eau et un alcool ou à partir d’un mélange eau-alcool, auquel il serait ajouté un autre alcool ou de l’eau, il est nécessaire de commencer par calculer le pourcentage de contraction ou dilatation de cette solution, avant de calculer l’impact du sucre.
Pour ce calcul, utiliser La Boxette « Ajustement du taux d’alcool« .

6. Conclusion générale

Cette étude confirme qu’en prenant 0.625 cm³/g comme volume massique apparent du saccharose, il est possible de prédire le taux d’alcool final avec suffisamment de précision.

La dissolution du saccharose dans une solution eau-alcool dépend presque exclusivement de la quantité d’eau libre disponible.

Le sucre se dissout dans l’eau, non dans l’éthanol et le volume qu’il occupe reste constant (environ 0,625 cm³/g), quel que soit le pourcentage d’alcool.

En intégrant Le volume massique du saccharose et les phénomènes de contraction des mélanges eau-éthanol, il devient possible de prédire avec précision le taux d’alcool final d’une préparation sucrée, que l’on utilise du sucre cristallisé du commerce (saccharose) ou d’un sirop.

Inversement, si l’on fixe un objectif de taux d’alcool et de taux de sucre pour un volume final à 20°C, on peut calculer les proportions exactes d’eau, d’alcool pur, de sirop ou de saccharose à incorporer dans la recette.