2.6.2.10. Système CMS (Centrifugal Membrane Separation)

Dans ce système, la membrane est localisée à la périphérie d’un rotor centrifuge. Il s’agit d’une filtration frontale, créée par la force centrifuge. La pression transmembranaire est générée par la rotation du rotor. La solution d’alimentation entre dans le rotor centrifuge par l’axe et s’écoule vers l’extérieur jusqu’à la périphérie. Le perméat est recueilli à la périphérie, tandis que le rétentat s’écoule par l’arbre creux. La rotation du rotor modifie la circulation du fluide dans l’élément contenant la membrane du fait de l’accélération centripète et des forces de Coriolis

(Bergena et al., 2003). Il en résulte donc des mouvements de fluide secondaires permettant de contrarier la concentration de polarisation et ainsi de réduire le colmatage de la membrane.

La Figure I.7 montre un module de laboratoire du CMS.

Figure I.7. Module CMS utilisée par Pharoah et al., (2000).

I.3.Le lait et ses protéines.

Le lait est constitué d’eau, de lipides, de glucides, de protéines, de sels, et d’une longue liste de constituants divers (Jennes, 1999).

D’un point de vue physicochimique, le lait est un fluide très complexe. Quantitativement, la majorité de la masse du lait est une solution aqueuse de lactose, sels organiques et inorganiques, vitamines et autres petites molécules. Dans cette solution aqueuse, on trouve également des protéines dispersées de deux types : des protéines (du lactosérum) solubles et des agrégats colloïdaux (micelles de caséines), de diamètre compris entre 50 à 600 nm. Les lipides (dont les globules ont un diamètre compris entre 0,1 et 20 µm) existent dans un état émulsifié dans cette

solution aqueuse (Fox & McSweeney, 1998).

La composition typique du lait est décrite dans le Tableau I.1.

Le lait et ses sous-produits sont des composants importants de l’alimentation humaine. Ils pourvoient environ 30% des protéines et lipides alimentaires et environ 80% du calcium

nécessaire dans l’alimentation (Fox, 2003).

L’industrie laitière a une grande importance dans l’Union Européenne (UE) car le lait est produit dans tous les pays membres de l’UE sans exception. Le lait est le premier secteur productif en terme de valeur, représentant environ 14% de la production agricole. En 2004, la production de lait a rapporté environ 43 milliards d’euros aux producteurs. Le chiffre d’affaire du secteur de l’industrie laitière est de 117 milliards d’euros. L’industrie laitière dans l’UE est célèbre pour la qualité de ses produits laitiers, et pas seulement pour ses fameux fromages mais aussi pour sa grande variété de yaourts, crèmes, glaces, et d’autres produits à forte valeur ajoutée. L’UE est un acteur important dans le marché mondial et l’exportateur numéro un de plusieurs produits laitiers.

Tableau I.1. Composition moyenne du lait bovin : concentration et distribution de taille. (Source : Walstra et al., 1999 cité par Brans et al., (2004)). 1 kDa = 1 kg mol^-1

CONCENTRATION DANS LE LAIT ENTIER (%) DISTRIBUTION DE TAILLE (OU POIDS MOLECULAIRES) Eau 87,1

Matière grasse 4,0 0,1-1,5µm, moyen 3,4 µm

Caséine (en micelles) 2,6 20-300 nm, moyen 110 nm

Protéines du lactosérum 0,7 3-6 nm

α-Lactalbumine 0,12 14 kDa

β-Lactoglobuline 0,32 18 kDa (monomère)

BSA 0,04 66 kDa Proteose-peptone 0,08 4-40 kDa Immunoglobulines 0,08 150-900 kDa Lactoferrine 0,01 86 kDa Transferrine 0,01 76 kDa Autres 0,04 Lactose 4,6 0,35 kDa Substances minérales 0,7 Acides organiques 0,17 Autres 0,15

Les applications des produits laitiers se développent constamment. La recherche et l’innovation apportent de nouvelles technologies, des formulations pour de nouveaux aliments,

l’amélioration de la composition des « aliments fonctionnels » (EC, 2006). La Figure I.8 montre le

pourcentage de lait utilisé dans les différentes catégories de produits laitiers dans l’UE.

Les diverses utilisations du lait comme matière première découlent des propriétés chimiques et physicochimiques de ses composants. Les composants principaux du lait peuvent être modifiés par des méthodes enzymatiques, chimiques et (ou) physiques, ce qui permet la production des nouveaux produits.

Figure I.8. Répartition en pourcentage des produits laitiers utilisés dans l’UE (prévision 2006). Source : European Commission (2006). Ces pourcentages sont basés sur la masse totale de protéines et de lipides.

L’industrialisation et la fonctionnalisation du lait et de ses sous-produits sont déterminées par les propriétés et les concentrations de ses composants principaux : protéines, lipides, lactose et sels (Fox, 2003).

Les propriétés fonctionnelles des protéines dans les aliments sont liées à leurs caractéristiques structurelles et physicochimiques. Une compréhension fondamentale des propriétés physiques, chimiques et fonctionnelles des protéines et des changements que les protéines endurent pendant leur traitement est essentielle si le rôle des protéines dans les aliments veut être amélioré et/ou si l’on souhaite accroître l’utilisation, dans les produits alimentaires traditionnels, de celles qui ne sont que très peu utilisées, à l’heure actuelle, comme les protéines de lactosérum ou celles des plantes (d’origine végétale).

La stabilité des protéines est très importante dans la détermination de leur fonctionnalité dans les aliments. En effet, une propriété fonctionnelle particulière est souvent gouvernée par une conformation spécifique et la moindre altération de cet état affecte sa fonctionnalité. La connaissance de l’état de dénaturation des protéines est une condition nécessaire pour exprimer leur propriété fonctionnelle. Les changements de conformation des protéines, entraînées par la dénaturation affectent la qualité fonctionnelle et nutritionnelle des aliments lors de ce traitement. Il est donc important que l’interrelation entre la dénaturation des protéines et leur fonctionnalité soit établie (Damodaran & Paraf, 1997).

I.3.1.Propriétés fonctionnelles des protéines du lait. I.3.1.1.Caséines.

Les caséines sont très bien adaptées à la nourriture des nouveaux nés. Leurs structures

moléculaires ne leur confèrent pas d’activité enzymatique (Damodaran & Paraf, 1997). Elles

constituent aussi la matière première des fromages.

Environ 95% des caséines dans le lait existent sous forme colloïdale, appelés micelles. En base sèche, les micelles de caséines contiennent 94% de protéines, et 6% d’espèces de faible poids moléculaire, et qui consistent en calcium, magnésium, phosphate et citrate. Les micelles sont

hautement hydratées, elles contiennent environ 2,0 g d’H₂O par g de protéine.

La microscopie électronique montre que les micelles de caséines ont une forme généralement sphérique, avec des diamètres entre 50 à 500 nm (la moyenne étant de 200 nm) et des masses comprises entre 10⁶ à 10⁹ Da (avec une moyenne de 10⁸ Da). Il y a de 10¹⁴ à 10¹⁶ micelles par ml du lait.

Ces micelles sont très stables à haute température, elles ne coagulent qu’après un chauffage à 140°C pendant 15 à 20 min au pH normal du lait. De telles coagulations sont dues aux changements principaux qui se présentent quand le lait est exposé à un tel traitement thermique (diminution du pH à cause de la pyrolyse du lactose en divers acides, déphosphorylation de la caséine, clivage de la κ-caséine, dénaturation des protéines du lactosérum, etc). Les caséines sont stables à la compaction, c'est-à-dire qu’elles peuvent sédimenter par ultracentrifugation mais sont rapidement dispersées par agitation. Elles sont stables à l’homogénéisation industrielle, mais elles changent légèrement aux pressions très hautes

(500 MPa). Elles sont stables à hautes concentrations de Ca2+, jusqu’à 200 mM à une température

de 50°C. Par contre, les caséines s’agrègent et précipitent quand le pH est ajusté à son point isoélectrique (pH 4,6 à 20°C). La précipitation à cette valeur de pH est dépendante de la température. Elle n’intervient pas à des températures inférieures à 5-8°C et se présente sur une large gamme de pH, comprise entre 3,0 et 5,5, à hautes températures (environ 70°C). Les micelles sont déstabilisées par l’action de l’éthanol (40%) à pH 6,7 et à concentration plus faible si le pH est réduit. Elles peuvent l’être également par congélation (cryodéstabilisation) à cause d’une diminution de pH et à une augmentation de la concentration de calcium dans la phase non-congelée du lait (Fox & McSweeney, 1998).