Maîtrise de l'utilisation des systèmes laitiers concentrés
en fromagerie
Thèse
Agathe Lauzin
Doctorat en sciences et technologie des aliments
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Maîtrise de l'utilisation des systèmes laitiers concentrés
en fromagerie
Thèse
Agathe Lauzin
Sous la direction de :
Yves Pouliot, directeur de recherche
Michel Britten, codirecteur de recherche
Résumé :
L’utilisation de l’ultrafiltration (UF) pour la concentration du lait de fromagerie est une pratique courante en industrie laitière. Dépendamment de l’usage de ce type de concentré, plusieurs avantages y ont été associé, tels que des gains de rendements et de productivité. D’autres procédés baromembranaires, tels que l’osmose inverse (RO) et la nanofiltration (NF), actuellement utilisés pour la gestion des effluents de l’industrie laitière, semblent prometteurs pour réaliser cette étape de concentration du lait de fromagerie. En effet, les gains de rendements attendus avec ces deux procédés sont plus élevés qu’avec l’ultrafiltration car tous les composés du lait sont concentrés et peuvent potentiellement être retenus dans le fromage. De plus, le perméat généré ne contient essentiellement que de l’eau et peut être réutilisé au sein de l’usine. Cependant, ces types de concentrés laitiers (NF et RO) ne sont que peu connus et leur utilisation en fromagerie ne peut être envisagée actuellement. Le but de ce projet était donc de caractériser les concentrés laitiers provenant de l’osmose inverse ou de la nanofiltration du lait et de comprendre les facteurs influençant leurs propriétés fromagères.
Une première étude a permis de mettre en évidence l’impact des procédés de concentration du lait sur les propriétés physico-chimiques des concentrés. Il a été montré que les équilibres entre les phases soluble et colloïdale n’étaient pas impactés de façon notable par la concentration du lait, que ce soit par UF, NF ou RO. Ces deux derniers procédés ont, en revanche, mené à une diminution du pH et une augmentation de la force ionique et de la viscosité des concentrés. A pH constant et teneur en protéines similaires, les propriétés de coagulation par la présure ont été impactées par le type de concentrés utilisé et globalement un concentré UF avait de meilleures propriétés de coagulation qu’un concentré NF ou RO. Ces différences ont été attribuées à la force ionique élevée et/ou à la viscosité élevée. Cette première partie a donc permis de déterminer l’impact du procédé de concentration sur les caractéristiques des concentrés et de mettre en évidence les différences de propriétés entre plusieurs types de concentrés laitiers.
Dans une seconde étude, l’impact du type de concentré et de l’ajustement de pH sur les propriétés de coagulation par la présure a été déterminé. Les résultats obtenus dans la première partie du projet ont montré des différences de temps de coagulation des concentrés UF et RO. Pour mieux comprendre quel paramètre était responsable, les cinétiques d’hydrolyse de la caséine κ par la présure ont été étudiées. Deux résultats majeurs ont pu être mis en évidence. Premièrement, de faibles variations de pH ont permis d’obtenir des cinétiques de coagulation par la présure similaires entre un concentré RO et un concentré UF, malgré les différences importantes de composition. Deuxièmement, à même pH, les cinétiques d’hydrolyse étaient similaires entre ces deux concentrés et ainsi, les temps de coagulation dépendaient du degré d’hydrolyse au point de coagulation.
Finalement, la troisième étude réalisée a permis de déterminer la contribution du lactose et des minéraux aux propriétés fromagères des concentrés RO et d’évaluer l’impact d’une modification des équilibres salins (déminéralisation de la micelle de caséines) des concentrés sur leurs propriétés fromagères. Les teneurs importantes en lactose et en minéraux ont été, conjointement, responsables des principales différences observées au niveau des propriétés de coagulation par la présure entre un concentré RO et UF. En revanche, seul le lactose était à l’origine de l’augmentation des rendements fromagers observée avec l’utilisation de concentrés RO. La déminéralisation de la micelle de caséine, via ajout de NaCl, a un impact négatif sur les propriétés fromagères des concentrés avec une perte de matière grasse marquée et une baisse des rendements fromagers, et n’est donc pas un moyen intéressant pour améliorer les propriétés fromagères des concentrés. Ce projet a permis d’apporter de nouvelles connaissances sur les concentrés laitiers produits par osmose inverse, et dans une moindre mesure par nanofiltration, et de mettre en évidence l’impact de ces procédés de concentration sur les propriétés fromagères des concentrés. La meilleure compréhension de ces systèmes laitiers et des facteurs affectant leurs caractéristiques permet de fournir des pistes à envisager pour optimiser leur utilisation en fromagerie.
Abstract:
The use of pressure-driven membrane processes is a common practice in the dairy industry, and ultrafiltration (UF) is widely used for the concentration of cheesemilk. Depending on how the UF concentrate is used, several advantages have been claimed, such as yield and productivity gains. Other membrane processes, such as reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF), are currently used for the management of effluents in the dairy industry and could be promising for cheesemilk concentration. Indeed, they are expected to lead to higher yield gains than UF concentrates, due to the concentration of all milk compounds and the retention of some of them in the cheese. In addition, the permeates generated contain essentially water and can be reused within the plant. However, only little information can be found about these types of milk concentrates and more knowledge is needed to consider their use for cheesemaking. The purpose of this project was therefore to characterize the milk concentrates from reverse osmosis and nanofiltration and to study their cheesemaking properties.
A first study highlighted the impact of the milk concentration process on the physicochemical properties of the concentrates. It has been shown that the equilibria between the soluble and colloidal phases were not significantly affected by the concentration of milk, using UF, NF or RO. The latter two processes, on the other hand, have led to a decrease in pH and an increase in ionic strength and viscosity of the concentrates. At constant pH and similar protein content, rennet coagulation properties were affected by the type of concentrates used and, overall the UF concentrate had better coagulation properties than NF or RO concentrates. These differences were attributed to their high ionic strength and/or high viscosity. This first part, therefore, allowed us to have an overview of the impact of the concentration process on the concentrates characteristics and to highlight the differences in properties between various types of milk concentrates.
A second study investigated the impact of the type of concentrate and pH adjustment on the rennet coagulation properties. The results obtained in the first part of the project showed the differences in coagulation times of UF and RO concentrates. To understand which parameter was responsible for those differences, the kinetics of κ-casein hydrolysis by rennet were studied. Two major results were highlighted. First, small pH variations allowed to obtain similar rennet coagulation kinetics between RO and UF concentrates, despite the significant differences in composition. Secondly, at the same pH, the hydrolysis kinetics were similar between these two concentrates and the differences in coagulation time were due to variation in the degree of hydrolysis at the coagulation point. Finally, the third study carried out highlighted the contribution of the high lactose and salts contents on the impaired cheesemaking properties of RO concentrates. Furthermore, the impact of a change in salt equilibrium (reduced micellar salt content) on the cheesemaking properties of milk concentrates was also studied. The high contents of lactose and salts were both responsible for the impaired rennet gelation properties of RO
concentrates. However, the high lactose content alone was accountable for the increased cheese yields with the use of RO concentrates. Reducing the mineral charge of the micelles, via addition of NaCl, had a negative impact on the cheesemaking properties of concentrates with marked fat losses and decreased cheese yields. This approach is then not suitable to improve the cheesemaking properties of milk concentrates.
This project provided new knowledge on milk concentrates produced by reverse osmosis, and to a lesser extent by nanofiltration, as well as on the impact of these concentration processes on the cheesemaking properties of the concentrates. The better understanding of these concentrates is necessary to optimize their use in cheesemaking.
Table des matières :
Résumé : ... iii
Abstract: ... v
Liste des figures : ... x
Liste des tableaux : ... xi
Liste des abréviations : ... xii
Remerciements : ... xiii
Avant-propos : ... xv
Chapitre 1. Introduction : ... 1
Chapitre 2. Revue de littérature : ... 4
2.1 Eco-efficience en transformation du lait : ... 4
2.2 Généralités sur le lait : ... 5
2.2.1 Composition : ... 5
2.2.2 Les protéines : ... 6
2.2.3 La micelle de caséine :... 7
2.2.4 Les minéraux du lait : ... 10
2.2.5 Équilibre soluble-colloïdal des minéraux et protéines : ... 11
2.3 Fabrication fromagère : ... 14
2.3.1 Préparation du lait de fromagerie : ... 15
2.3.2 Coagulation du lait par la présure : ... 16
2.3.3 Synérèse : ... 19
2.3.4 Rendements fromagers : ... 20
2.4 Caractérisation des propriétés des gels présures : ... 21
2.4.1 Généralités : ... 21
2.4.2 Formation et propriétés des gels présure : ... 23
2.4.3 Propriétés rhéologiques des fromages – balayage de température : ... 24
2.5 Procédés baromembranaires : ... 25
2.5.1 Principes : ... 25
2.5.2 Ultrafiltration : ... 26
2.5.3 Nanofiltration : ... 26
2.5.4 Osmose inverse : ... 27
2.6 Utilisation des laits concentrés en fromagerie : ... 28
2.6.1 Les différentes utilisations : ... 29
2.6.2 Propriétés fromagères des laits concentrés – cas de l’ultrafiltration : ... 30
2.6.3 Concentration du lait de fromagerie par nanofiltration : ... 32
2.6.4 Concentration du lait de fromagerie par osmose inverse : ... 32
Chapitre 3. But, hypothèse et objectifs ... 34
3.1.1 Principaux enseignements de la littérature : ... 34
3.1.2 Hypothèse : ... 34
3.1.3 Objectifs : ... 34
Chapitre 4. Impact de la sélectivité membranaire sur les caractéristiques compositionnelles et les propriétés fromagères de lait concentré par UF, NF et RO. ... 36
4.1 Avant-propos : ... 36
4.2 Résumé ... 36
4.3 Abstract ... 37
4.4 Introduction ... 37
4.5 Materials and Methods ... 39
4.5.1 Skim milk supply ... 39
4.5.2 Preparation of concentrates from skim milk ... 39
4.5.4 Characterization of concentrates ... 40
4.5.5 Statistical analyses:... 43
4.6 Results and Discussion: ... 43
4.6.1 Retentate composition and properties: ... 43
4.6.2 Cheesemaking properties: ... 49
4.6.3 Impact of cold storage: ... 52
4.7 Conclusion ... 53
Chapitre 5. Impact de l’ajustement de pH sur la composition et les propriétés de coagulation par la présure de lait concentré par ultrafiltration et osmose inverse. ... 55
5.1 Avant-propos : ... 55
5.2 Résumé : ... 55
5.3 Abstract: ... 56
5.4 Introduction: ... 56
5.5 Materials & Methods: ... 57
5.5.1 Skim milk supply & concentration: ... 57
5.5.2 Sample preparation: ... 58
5.5.3 Compositional analyses: ... 58
5.5.4 Rennet-induced coagulation: ... 59
5.5.5 Kinetics of k-casein hydrolysis: ... 59
5.5.6 Statistics: ... 60
5.6 Results & discussion: ... 60
5.6.1 Sample composition: ... 60
5.6.2 Rennet gelation properties and CMP release: ... 63
5.7 Conclusion: ... 66
Chapitre 6. Effets distincts du lactose et des minéraux sur les propriétés fromagères des concentrés RO et impact de la déminéralisation micellaire partielle des laits concentrés sur leurs propriétés fromagères. ... 68
6.1 Avant-propos : ... 68
6.2 Résumé : ... 68
6.3 Abstract: ... 69
6.4 Introduction: ... 69
6.5 Materials & methods: ... 71
6.5.1 Skim milk supply and concentration: ... 71
6.5.2 Supplementation: ... 71
6.5.3 pH adjustment: ... 72
6.5.4 Composition of skim milk and concentrates: ... 72
6.5.5 Cheesemaking properties: ... 72
6.5.6 Rennet coagulation kinetics: ... 73
6.5.7 Model cheese: ... 73
6.5.8 Microstructure: ... 73
6.5.9 Statistical analyses:... 74
6.6 Results & discussion: ... 75
6.6.1 Milk/concentrates composition: ... 75
6.6.2 Rennet coagulation properties: ... 79
6.6.3 Model cheeses: ... 81 6.6.4 Cheese composition:... 83 6.6.5 Cheese microstructure: ... 85 6.7 Conclusion: ... 87 Chapitre 7. Conclusion : ... 89 7.1 Principaux résultats : ... 89
7.1.1 Impact du procédé de concentration du lait sur les propriétés des concentrés obtenus : ... 89
7.1.3 Effets distincts du lactose et des minéraux sur les propriétés fromagères d’un concentré RO et
impact d’une modification des équilibres salins sur les propriétés fromagères : ... 91
7.2 Importance et contributions originales de ces travaux :... 93
7.3 Perspectives ... 94
Liste des figures :
Figure 2-1: Vue schématique de la structure des micelles de caséine. ... 9 Figure 2-2: Équilibres salins entre la phase soluble et la phase micellaire et impact des conditions environnementales, d’après (34); avec ↑ = augmentation, ↓= diminution (ex : température : ↑ = impact de l’augmentation de la température). ... 12 Figure 2-3 : Schéma conventionnel des différentes étapes de la fabrication fromagère, d'après (52). ... 15 Figure 2-4 : Schéma descriptif des différentes étapes de la coagulation du lait par la présure. (A) : micelles de caséines et présure; (B) hydrolyse des caséines κ; (C) agrégation des micelles emprésurées en petits clusters (ou agrégats); (D) incorporation de micelles et formation de brins de caséines et atteinte du point de coagulation, d’après (60). ... 17 Figure 2-5 : Schéma représentant les brins de paracaséines formant de nouvelles jonctions, ce qui aboutit à la destruction de certains liens et à la contraction locale du réseau protéique, d’après (25). ... 19 Figure 2-6 : Exemple du suivi de la coagulation d'un gel par la présure par rhéologie dynamique, d’après (60). ... 23 Figure 2-7: Schéma du principe des différents procédés baromembranaires et leurs sélectivités, d’après (75). ... 25 Figure 2-8: Principe de l'osmose inverse, d’après (75). ... 27 Figure 4-1: Apparent viscosity (Pa.s) as a function of shear rate (s-1) for SM (full line); UF concentrate (dashed
line); NF concentrate (dotted line) and RO concentrate (dashed-dotted line). ... 48 Figure 4-2: Typical curves of rennet-coagulation kinetics followed by rheology (a) and close-up of the evolution of storage modulus as a function of time (b); for SM (full line); UF concentrate (dashed line); NF concentrate (dotted line) and RO concentrate (dashed-dotted line). ... 49 Figure 4-3: Impact of cold storage on the rennet coagulation time (min) of SM (black bars); UF concentrate (diagonally hatched bars); NF concentrate (hatched bars) and RO concentrate (white bars). ... 53 Figure 5-1: Kinetics of k-casein hydrolysis by rennet ... 60 Figure 1 : SEM images of cheeses made from (a) UF concentrate, (b) UF + lactose concentrate, (c) RO concentrate. ... 86 Figure 2 : SEM images of cheeses made from (a) SM, (b) UF concentrate, (c) RO concentrate, (d) SM + NaCl, (e) UF + NaCl concentrate, (f) RO + NaCl concentrate. ... 86
Liste des tableaux :
Tableau 2-1 : Composition du lait et variabilité, d’après (25). ... 5
Tableau 2-2: Caractéristiques physico-chimiques des différentes caséines retrouvées dans le lait, d’après (27). ... 7
Tableau 2-3: Composition minérale du lait (en mg par litre de lait), et répartition entre les phases soluble et micellaire, d’après (23)(26). ... 10
Tableau 2-4 : Impact de plusieurs facteurs sur la coagulation du lait par la présure, d’après (61) avec modifications. ... 18
Tableau 7-1: Tableau récapitulatif des propriétés des concentrés UF et RO (à même teneur en caséines et à pH constant), par rapport aux propriétés d’un lait témoin. ... 92
Table 4-1: Overall composition and properties of SM and concentrates... 44
Table 4-2: Salt content (mM) of SM and concentrates: distribution between serum and colloidal phases. ... 45
Table 4-3: Milk and concentrates salts repartition between soluble and colloidal phases. ... 46
Table 4-4: Ratio of colloidal salts to colloidal casein for SM and concentrates. ... 46
Table 4-5: Activity coefficient and activity of the salts of SM and concentrates. ... 47
Table 4-6: Cheesemaking properties of SM and concentrates - Rennet coagulation kinetics and model cheeses. ... 50
Table 5-1: Overall composition of skim milk and concentrates. ... 61
Table 5-2: Composition of supernatants of SM and concentrates at initial and adjusted pH. ... 62
Table 5-3: Distribution of the main salts and salts activities at initial pH and adjusted pH. ... 63
Table 5-4: Rennet coagulation parameters of SM and concentrates at initial and adjusted pH. ... 64
Table 1 :Overall composition of SM and concentrates. ... 75
Table 2: Composition of the soluble phase of SM and concentrates: non-sedimentable casein, salts partition (ratio soluble to total) and calcium activity. ... 77
Table 3 : Rennet coagulation parameters: rennet-coagulation time (tlag); maximal firming rate (Vmax); firmness 60min after renneting (G’60min). ... 79
Table 4: Model cheeses parameters.: components retention within the cheese and cheese yield. ... 81
Liste des abréviations :
ANOVA Analyse de la variance (analysis of variance)
C Concentration d’une espèce
CCP Phosphate de calcium colloïdal (colloidal calcium phosphate) CMP Caséinomacropeptide (caseinomacropeptide)
DBO Demande biologique en oxygène
F Fromage
FCV Facteur de concentration volumique (volume concentration factor) G’ Module de stockage ou module d’élasticité (elastic or storage modulus) G’’ Module de perte ou module visqueux (viscous or loss modulus) G’60min Fermeté après 60 minutes (firmness after 60 minutes)
HPLC Chromatographie en phase liquide à haute performance (High-performance liquid chromatohraphy)
i Ion
IA Activité ionique (ion activity)
ICP Plasma à couplage inductif (Inductively coupled plasma)
LS Lactosérum
MFR Vitesse de raffermissement maximale (maximal firming rate)
MG Matière grasse
MMV Maubois-Mocquot-Vassal
NCN Azote non caséique (non casein nitrogen)
NF Nanofiltration
NPN Azote non protéique (non protein nitrogen)
OES Spectrométrie d’émission optique (Optical emission spectrometer) Phe-Met Liaison Phénylalanine - Méthionine
RCT Temps de coagulation par la présure (rennet coagulation time) RetL Rétention lipidique
RetP Rétention protéique
RO Osmose inverse (reverse osmosis)
RP-HPLC Chromatographie liquide à haute performance – phase inverse (Reverse phase high performance liquid chromatohraphy)
SM Lait écrémé (skim milk) Tan δ Tangente delta (tangent delta)
tlag Temps de coagulation (coagulation time) TN Azote total (total nitrogen)
TS Solides totaux (total solids)
UF Ultrafiltration
Vmax Vitesse de raffermissement maximale (maximal firming rate)
W Lactosérum (whey)
Z Charge d’une espèce
γ Coefficient d’activité (activity coefficient) γD Amplitude de déformation
μ Force ionique (ionic strength)
σ Contrainte
Remerciements :
Cette thèse est l’aboutissement de quatre années de travail et de nombreuses personnes y ont contribué. Je tenais à remercier toutes ces personnes pour leur aide, quelle qu’elle soit.
Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse, Yves Pouliot, de m’avoir offert la possibilité de réaliser ces travaux au sein de son équipe. Ta disponibilité et ton soutien pendant ces quatre ans ont été grandement appréciés, de même que ta bonne humeur et ton positivisme toujours présents. Merci de m’avoir rassuré pendant mes moments de doute et de m’avoir, bien souvent, rappelé combien il est important de prendre du recul pour ne pas se perdre dans les petits détails. Enfin, je te remercie simplement de m’avoir épaulée pendant ces quatre années, de tous ces conseils que tu m’as donnés et de toutes les choses que j’ai pu apprendre en travaillant avec toi. Je ressors grandie de cette expérience.
Mes remerciements les plus sincères vont aussi à mon co-directeur, Michel Britten, dont l’aide pour ce travail a été très précieuse. Tout d’abord, merci pour toutes les brillantes idées que tu as eues, tout au long de ce projet, notamment lorsqu’on t’appelait pour avoir ton avis sur un sujet qui nous laissait plus que perplexe. Ta rigueur scientifique, tes conseils avisés et tes critiques pertinentes ont été une réelle source d’inspiration à mes yeux. Mais aussi, un grand merci pour m’avoir permis de réaliser une partie de mes travaux au sein de ton équipe, au CRDA, où j’ai pu découvrir une vision de la recherche différente de la recherche universitaire. Finalement, je tenais à te remercier pour tous tes encouragements et pour ton soutien pendant ces quatre années.
Je tiens à remercier les membres du jury, Guillaume Brisson, Alain Doyen et Pierre Morin, pour avoir accepté, et pris le temps, d’évaluer cette thèse.
J’adresse mes remerciements au conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada ainsi qu’à Novalait pour leur soutien financier, sans lequel ce projet n’aurait pas pu voir le jour.
Je souhaite aussi remercier les partenaires industriels et chercheurs-collaborateurs de la chaire de recherche CRSNG-Novalait en efficience des procédés de transformation du lait, pour avoir partagé leurs commentaires et conseils, tout au long du projet.
J’adresse mes remerciements les plus sincères à l’équipe dans laquelle j’ai pu travailler, autant aux étudiants qu’à Alain Doyen, pour leurs idées et leurs conseils, mais aussi pour la bonne humeur et la bonne ambiance dans laquelle j’ai pu évoluer. Je remercie aussi l’équipe de Michel Britten au CRDA, avec laquelle j’ai eu la chance de travailler, qui m’a très chaleureusement accueillie et beaucoup aidée. Plus globalement, je tenais à
remercier les professionnels de recherche de l’université Laval pour leur aide. Une mention spéciale pour Diane Gagnon pour sa motivation sans faille, sa bonne humeur et pour son aide constante pendant ces quatre ans. Ce projet n’aurait pas été complet sans l’aide d’Iris Dussault-Chouinard et d’Amélie Bérubé, qui m’ont épaulée pour réaliser plusieurs expériences et sans qui je n’aurais pu avoir tous les résultats présentés dans ce document.
Je tenais aussi à remercier les différent(e)s étudiant(e)s avec qui j’ai noué des liens d’amitié pendant ces quatre ans et qui m’ont soutenu, d’une façon ou d’une autre. Ces quatre années ont filé à une vitesse folle grâce à vous et à tous les bons moments que l’on a pu partager et pour ça, je vous en suis reconnaissante.
Enfin, j’adresse mes plus sincères remerciements à toute ma famille, qui même si quelques milliers de kilomètres nous ont séparés, a toujours été présente et m’a soutenue pendant tout ce temps. Une dédicace spéciale à ma mère sans laquelle j’aurais probablement abandonné rapidement, à mon père pour ses petits messages quotidiens qui ont le don de toujours me faire sourire (ainsi que pour la relecture de ce document qui, apparemment, à changer sa vision du fromage), et à Marion dont je me suis grandement rapprochée malgré la distance. Mais aussi, mes amies proches, notamment Agathe pour ces longues conversations sur nos remises en question respectives, Cécile pour ton écoute infaillible, et Marie pour ta capacité à me faire rire peu importe la situation. Je finirai par remercier la personne qui a partagé ma vie pendant ces quatre années et qui m’a toujours supportée et soutenue, sans broncher, à travers les bons et les mauvais moments.
Avant-propos :
Cette thèse est divisée en sept chapitres. Le premier chapitre présente le contexte global dans lequel le projet se positionne et l’introduit brièvement. Le deuxième chapitre fait un état des lieux de la littérature pertinente en lien avec le sujet et aborde des notions qui ont été utilisées dans l’analyse des résultats. Il permet aussi d’introduire le troisième chapitre qui présente l’hypothèse du projet et les différents objectifs mis en œuvre pour y répondre. Les chapitres 4, 5 et 6 représentent chacun un article qui répond à un des objectifs proposés. Finalement, le dernier chapitre présente une conclusion générale du projet et propose des perspectives qu’il serait intéressant d’étudier. Ces travaux ont été présentés sous forme de séminaires organisés par l’université Laval en novembre 2016 et en mars 2018, mais aussi lors des comités scientifiques semestriels avec les partenaires industriels de la chaire CRSNG-Novalait en efficience des procédés de transformation du lait. Le chapitre 4 porte sur l’impact de la concentration du lait par différents procédés membranaires (ultrafiltration, nanofiltration et osmose inverse) sur les propriétés physicochimiques des concentrés, leurs propriétés de coagulation par la présure ainsi que leurs comportements en fromage modèle. Ces résultats ont permis de dresser un premier portrait des caractéristiques des concentrés d’osmose inverse et de nanofiltration qui ne sont que peu connues actuellement, et de pouvoir les comparer avec un concentré déjà bien caractérisé, celui d’ultrafiltration. Ces résultats ont été publiés sous une forme similaire dans International Dairy Journal en Août 2018 (doi.org/10.1016/j.idairyj.2018.03.010). L’auteure de cette thèse a rédigé l’article en question (première auteure), de même qu’elle a planifié et réalisé les expériences et analysé les données obtenues. Une stagiaire, Iris Chouinard, a réalisé une partie des expériences présentées. Le Dr Yves Pouliot et le Dr Michel Britten, directeur et co-directeur de cette thèse, ont participé aux différentes étapes et ont aussi révisé le manuscrit. Toutes ces personnes sont mentionnées comme co-auteurs dans l’article publié. Ces travaux ont été présentés sous forme de posters scientifiques à l’American Dairy Science Association en juin 2017 et sous forme de présentation orale en tandem avec Yves Pouliot au colloque STELA en mai 2017.
Le chapitre 5 traite de l’impact de l’ajustement de pH sur les propriétés de coagulation des concentrés (ultrafiltration et osmose inverse). Certaines différences de comportement de coagulation par la présure entre les concentrés ont été notées, et ce chapitre vise à mieux comprendre l’origine de ces différences. La concentration par nanofiltration a été laissée de côté à la suite des expériences précédentes, car les observations étaient similaires à l’osmose inverse. Ces résultats ont fait l’objet d’un article scientifique qui a été soumis à Journal of food engineering en octobre 2018. Il est présenté dans ce chapitre sous une forme similaire à celle qui a été soumise. L’auteure de cette thèse est l’auteure principale de cet article, comme elle a planifié, réalisé les expériences et analysé les données obtenues. Une stagiaire, Amélie Bérubé, a participé aux travaux expérimentaux. Le Dr Yves Pouliot et le Dr Michel Britten, directeur et co-directeur de cette thèse, ont participé
aux différentes étapes et ont aussi révisé le manuscrit. Toutes ces personnes sont mentionnées comme co-auteurs dans l’article soumis. Ces travaux ont été présentés sous forme de poster scientifique au forum Novalait en mai 2018 ainsi qu’à Green Food Tech en octobre 2018.
Le chapitre 6 vise à mieux comprendre les effets distincts du lactose et des minéraux sur les propriétés fromagères des concentré RO. Il s’intéresse aussi à l’impact d’une modification des équilibres salins sur les propriétés fromagères du lait et des concentrés. Cette partie a ainsi étudiée les effets de la supplémentation en NaCl de concentrés UF et RO sur leurs propriétés fromagères mais aussi de la supplémentation en lactose d’un concentré UF sur ses propriétés. Ce chapitre est présenté sous une forme préliminaire de l’article qui devrait être soumis d’ici la fin de l’année 2018 dans Journal of dairy science. L’auteure de cette thèse sera l’auteure principale de cet article, comme elle a planifié, réalisé les expériences et analysé les données obtenues. Le Dr Yves Pouliot et le Dr Michel Britten, directeur et co-directeur de cette thèse, ont participé aux différentes étapes. Ces personnes seront mentionnées comme co-auteurs dans l’article à venir.
Chapitre 1. Introduction :
Depuis quelques années, la protection de l'environnement est devenue une préoccupation mondiale de plus en plus pressante. La notion d'éco-efficience, qui représente le rapport de la valeur d'un produit sur les impacts environnementaux résultant de toutes les étapes de la vie du produit, est ainsi devenue un indicateur d'importance pour les industries.
Le secteur laitier a une place majeure dans le monde et le lait est considéré comme un des aliments de base les plus produits et les plus bénéfiques (1). Ce domaine est en essor rapide, et il est attendu que la production de lait augmente d’environ 1,8% par an pendant les dix prochaines années (1). Cependant, ce secteur s’accompagne d’une forte empreinte carbone et la contribution du secteur laitier (production de lait, transformation et transport) aux émissions anthropiques totales est estimée à 2,7% (2). Dans le contexte international actuel, la réduction de l’empreinte carbone du secteur laitier est une nécessité; d’autant plus si l’on prend en compte la croissance attendue. Même si la production du lait à la ferme présente la plus haute contribution aux émissions de gaz à effet de serre, la transformation du lait en produits laitiers est la seconde étape ayant le plus d’impact et, en Amérique du nord et en Europe, environ 50% du lait transformé est destiné à la fabrication de fromage (2). Ainsi, il semble important de s’intéresser à la transformation du lait en fromage et aux potentielles techniques permettant d’améliorer l‘éco-efficience de ce procédé.
L'utilisation des procédés baromembranaires en industrie laitière peut s'inscrire dans une démarche d'éco-efficience (3). Ces derniers ont divers usages, dont la production de produits à haute valeur ajoutée, le traitement de certains effluents ou encore la valorisation de sous-produits, et pourraient permettre, dans certains cas, de réduire les impacts environnementaux (4, 5). La pré-concentration du lait de fromagerie est une étape qui peut permettre d'améliorer l'utilisation des divers constituants du lait, via une séparation sélective des composés d’intérêt. Actuellement, le procédé d'ultrafiltration (UF) est couramment appliqué en industries laitières pour diverses étapes (5, 6). Notamment, en fromagerie, il est utilisé pour standardiser la teneur en protéines du lait de fromagerie ou encore pour concentrer le lait à différents facteurs, afin d'utiliser le rétentat comme base pour la fabrication fromagère (7, 8). L'utilisation de ce procédé permet l'augmentation des rendements ainsi qu’une diminution de la quantité de lactosérum produite, avec à la place, la génération d’un fluide (le perméat) ayant une charge polluante plus faible (7) mais non négligeable. En effet, ce perméat contient quand même une quantité importante de matière organique, dont le lactose qui a une DBO importante (9). D'autres procédés membranaires pourraient être utilisés pour cette étape de concentration et pourraient, éventuellement, permettre d’améliorer l’éco-efficience du procédé de transformation fromagère.
L'osmose inverse (RO) et la nanofiltration (NF) sont deux procédés baromenbranaires utilisés en industrie laitière principalement pour le traitement des effluents et la valorisation de sous-produits (6, 10), mais ayant un certain potentiel pour la concentration du lait de fromagerie. En effet, contrairement à l'ultrafiltration, ces membranes retiennent des espèces de taille largement inférieure, et ainsi le lactose et la plupart des sels minéraux sont retenus par ces membranes, ce qui permet d'avoir un perméat ayant une très faible charge polluante qui peut être réutilisé au sein même de l’usine, après traitement, comme eaux de lavage par exemple (3). De plus, le transport de lait concentré pourrait permettre de limiter les impacts environnementaux liés à l’acheminement du lait de la ferme à l’usine de transformation (11). D’un autre côté, tous les composés du lait étant concentrés, une augmentation des rendements fromagers est aussi attendue, grâce à la rétention de certaines espèces dans le caillé. Ainsi, ces deux procédés semblent avoir un certain potentiel dans une optique d’amélioration de l’éco-efficience de la transformation fromagère. Cependant, l’utilisation de lait concentré par NF et/ou RO pour la fabrication fromagère n’a fait l’objet que de très peu d’études.
Il a été montré qu'il était possible de fabriquer du fromage de qualité appréciable à partir d'un lait faiblement (<2x) concentré par osmose inverse (12–14). La concentration du lait par nanofiltration est un sujet encore moins documenté, mais les résultats trouvés dans la littérature semblent prometteurs (15). Ainsi, il serait possible d'utiliser les systèmes concentrés issus de ces procédés membranaires pour la fabrication fromagère. Cependant, l'impact de ces méthodes de concentration sur les propriétés fromagère des systèmes concentrés et ainsi les modifications à apporter au procédé de fabrication, pour obtenir un fromage de qualité, sont peu connus. En effet, le lait est un système complexe qui est soumis à un équilibre fragile entre les phases soluble et colloïdale. Une modification de cet équilibre est connue pour avoir des impacts plus ou moins importants, réversibles ou non, sur les propriétés du lait. La concentration du lait par des procédés baromembranaires peut avoir un impact sur ces équilibres et, même si en ultrafiltration la composition de la phase soluble est similaire à celle du lait non concentré et les équilibres que peu modifiés, on peut s’attendre à avoir une situation différente en osmose inverse ou en nanofiltration où la phase soluble sera modifiée. Des changements importants dans les propriétés fromagères pourraient en résulter.
L'utilisation de ces systèmes concentrés pourrait permettre d'améliorer l'éco-efficience du procédé fromager. Cependant, pour comparer les impacts environnementaux de différents procédés de transformation fromagère, il est nécessaire d’avoir une base de comparaison commune ; dans ce cas-ci, un fromage de qualité similaire. Les connaissances actuelles sur l’utilisation des concentrés osmosés et nanofiltrés en fromagerie ne garantissent pas l’obtention d’un fromage de qualité similaire à un fromage traditionnel (ou de lait ultrafiltré). De plus, le peu de littérature existant sur le sujet ne présente pas de caractérisation complète des propriétés de ces systèmes concentrés. Une meilleure caractérisation et compréhension générale de ces deniers est ainsi
primordiale et constitue la première étape avant d’envisager l’optimisation et l’utilisation de ces concentrés en fromagerie.
Dans un contexte global d’éco-efficience en transformation laitière, cette thèse de doctorat s’intéresse donc à la question suivante : quel est l’impact du procédé de concentration (osmose inverse et/ou nanofiltration) sur les propriétés fromagères des concentrés et comment une meilleure compréhension de ces propriétés peut permettre d’optimiser leur utilisation en fromagerie ?
Chapitre 2. Revue de littérature :
2.1 Eco-efficience en transformation du lait :
La prise de conscience des gouvernements et industriels concernant la nécessité de préserver notre environnement a fait apparaître un "nouveau" concept : l'éco-efficience. Selon le World Business Council for Sustainable Development, cette notion peut être définie comme : «la production de produits et services à des prix concurrentiels qui satisfont les besoins humains et procurent une qualité de vie, tout en réduisant progressivement les conséquences écologiques et le recours à de nombreuses ressources pendant le cycle de vie, à un niveau équivalent au moins à celui de la capacité estimée de la planète ». L'éco-efficience peut plus simplement être expliquée comme le ratio : 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑢 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑒⁄
𝑖𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑠 𝑒𝑛𝑣𝑖𝑟𝑜𝑛𝑛𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑥 (16). Ainsi, dans une démarche d’amélioration de l’éco-efficience, d'un procédé par exemple, il faut envisager l'augmentation de la valeur du produit et/ou la diminution des impacts environnementaux liés à la toutes les étapes inhérentes à la vie du produit.
Dans cette optique, et afin d’accroître sa compétitivité dans un contexte de développement durable, le concept d’éco-efficience s’est rapidement imposé comme un indicateur d’importance pour le secteur laitier, qui constitue un pilier de l’économie canadienne et québécoise. En effet, le secteur des produits laitiers au Canada se retrouve au deuxième rang des secteurs agricoles, et totalise un revenu de 17 milliards de dollars en 2015 (17). Le Québec comptabilise à lui seul plus d’un tiers de ces revenus et il est le plus important producteur de lait au Canada, avec 40% de la quantité totale du lait canadien produit au Québec. Au niveau de la transformation fromagère, 57% de la production canadienne de fromage provenait du Québec en 2013 soit plus de 225 500 tonnes (18). La transformation fromagère est donc une activité importante au Québec; activité qui s'accompagne d'un coût énergétique et d'une consommation d'eau notable (19) ainsi que de la génération de co-produits, tels que le lactosérum. Ce dernier est produit en quantité importante (environ 9L pour 1kg de fromage) (20) et contient encore une quantité non négligeable de matière organique, notamment du lactose, ce qui impose une restriction quant à sa gestion (21). Ainsi, ce sous-produit nécessite des étapes de traitement ou de valorisation (21), qui pourraient être limitées si la quantité initiale de lactosérum produite pouvait être réduite.
Les procédés membranaires sont couramment utilisés en industries laitières (6) pour différentes tâches telles que le traitement des effluents (21), la séparation des différents constituants du lait ou encore la concentration du lait de fromagerie (6). Cette dernière est la plupart du temps réalisée via l’utilisation de membrane d’ultrafiltration, ce qui permet une concentration sélective des protéines du lait sans modification de la phase soluble (7). Cette méthode a été utilisée pour la production de plusieurs types de fromages et a apporté certains
avantages par rapport à la méthode traditionnelle, dont des gains de productivité et de rendements (7). Le perméat généré avec ce procédé a une composition similaire à la phase soluble du lait et donc contient une certaine quantité de matière organique et une charge polluante non négligeable (9). D’autres procédés baromembranaires existent, comme la nanofiltration ou l’osmose inverse, qui sont utilisés actuellement en industrie principalement pour le traitement des effluents. Ces deux procédés ont l’avantage de produire un perméat ayant une charge polluante très faible car contenant essentiellement de l’eau et de faibles quantités de minéraux et de lactose (22), et donc pourraient être avantageux d’un point de vue environnemental pour la concentration du lait de fromagerie. De plus, une augmentation de rendement est aussi attendue due à une rétention de certains composés solubles dans le caillé. Le fait de concentrer le lait à la ferme, notamment pas osmose inverse (11), pourrait aussi permettre de réduire les émissions dues au transport du lait de la ferme à l’usine de transformation, et ainsi de participer à la diminution de l’impact environnemental global du procédé de transformation fromagère.
2.2 Généralités sur le lait :
2.2.1 Composition :
Le lait bovin est un fluide complexe, composé d’eau (86-88%), de matière grasse (4.0%), de protéines (3,3%), de lactose (4,6%) et de minéraux (0,7%) et d’autres composants mineurs, tels que des vitamines (23). Cette composition montre une variabilité marquée (Tableau 2-1) résultant de plusieurs facteurs tels que la saison, l’alimentation, la race et la santé de l’animal ou encore le stade de lactation (24). Le lait est caractérisé par une force ionique d’environ 80mM et un pH moyen de 6,6 (23).
Tableau 2-1 : Composition du lait et variabilité, d’après (25).
Le lactose, retrouvé dans la phase soluble du lait, est un disaccharide réducteur spécifique du lait (26) composé de D-glucose et D-galactose (25). Grâce à sa fonction aldéhyde libre, il peut participer aux réactions de Maillard en présence d’un groupe amine (notamment de la lysine) lors d’un traitement de chaleur (25). Il est
Concentration moyenne dans le lait (% w/w) Valeurs extrêmes (% w/w)
Eau 87,1 85,3 – 88,7 Lactose 4,6 3,8 – 5,3 Matière grasse 4,0 2,5 – 5,5 Protéines (Caséines) 3,3 (2,6) 2,3 – 4,4 (1,7 – 3,5) Substances minérales 0,7 0,57 – 0,83
particulièrement important pour la fabrication de produits laitiers fermentés, comme il sert de source de carbone aux bactéries lactiques afin de produire de l’acide lactique (26), et de diminuer le pH. Dans le cas des fromages type présure, la majorité du lactose est retirée lors de la phase d’égouttage du caillé.
La matière grasse du lait est composée majoritairement de triglycérides (98%), mais aussi de phospholipides (1%) et d’une fraction insaponifiable (1%) (20). Elle se retrouve principalement sous forme de globules gras, dont la taille varie de 0,1 à 20 µm avec un diamètre moyen situé entre 3 et 4 µm (20) et qui font du lait une émulsion. La matière grasse représente, avec les protéines, la majeure partie de la matière sèche du fromage. La matière grasse dans le fromage est retrouvée sous forme de globules de gras piégés dans une matrice caséique, et elle participe à la texture et au goût du produit.
Les minéraux et les caséines, qui sont les composés d’intérêt de ce projet, sont répartis entre deux phases : la phase aqueuse (ou soluble) et la phase micellaire (ou colloïdale). La phase soluble contient les différents composés dissous tels que le lactose, certaines protéines et une partie des minéraux. La phase micellaire, quant à elle, contient majoritairement les caséines et l’autre partie des minéraux, associés sous forme de micelles. Il est important de noter que les équilibres entre ces deux phases sont gouvernés par les conditions environnementales du milieu, faisant du lait un système dynamique.
2.2.2 Les protéines :
Les protéines du lait peuvent être divisées en deux catégories en fonction de leur prédisposition à précipiter à pH 4.6 : les protéines sériques restent en solution (20%) et les caséines précipitent (80%) (27). D’autres différences entre ces deux groupes de protéines existent telles que : leur sensibilité à certaines protéases comme la présure, leur différence en termes de thermorésistance, leur composition en acides aminés et autres composants ou encore leur structure (23). Ces deux groupes de protéines sont hétérogènes comme ils englobent chacun plusieurs protéines. Les protéines sériques contiennent principalement de la β-lactoglobuline (50% des protéines solubles), de l’α-lactalbumine (20%) et de la sérum albumine (10%) (28). Ces protéines globulaires sont plus sensibles aux traitements thermiques que les caséines et, notamment, leur dénaturation par la chaleur mène à la formation de pont disulfure avec certaines caséines, ce qui entraine des modifications des propriétés du lait.
Les caséines sont des phosphoprotéines qui sont présentes dans le lait sous quatre formes : αs1, αs2, β et κ avec
un ratio massique d’environ 4:1:4:1, respectivement (27). Ces caséines possèdent certaines similarités entres elles, notamment elles contiennent toutes une teneur importante en acides aminés apolaires, en proline (qui est responsable de leur faible degré structural et leur thermorésistance) et en lysine (28). Leurs résidus polaires et apolaires sont distribués de façon aléatoire le long de leur chaîne d’acides aminés, ce qui leur confère des
régions hydrophobes et des régions hydrophiles (23). En ce qui concerne leur disparité, ces caséines peuvent être différenciées par :
• Leur degré de phosphorylation qui a un rôle majeur dans la stabilité et la structure des micelles de caséines (Tableau 2-2),
• Leur capacité à créer des ponts disulfures, qui est seulement observée dans les caséines αs2 et κ grâce
à leurs résidus cystéines (28),
• Leur degré de glycosylation, qui existe seulement chez la caséine κ et qui lui apporte une importante solubilité et hydrophilicité (23).
Tableau 2-2: Caractéristiques physico-chimiques des différentes caséines retrouvées dans le lait, d’après (27).
Toutes les caséines possèdent un ou plusieurs résidus sérine phosphorylés qui ont une affinité particulière pour le calcium (Tableau 2-2). De ce fait, la teneur en phosphosérines d'une caséine contrôle sa capacité à lier le calcium et donc sa sensibilité (précipitation) au calcium (29). Les caséines αs1, αs2 et β sont ainsi dites sensibles
au calcium tandis que la caséine κ est insensible et aide à stabiliser les autres caséines. Le regroupement de plusieurs résidus phosphorylés (au moins 3 résidus) permet la fixation du phosphate de calcium qui a un rôle prédominant dans le maintien de la structure micellaire (30). Plus de 95% des caséines du lait se retrouvent sous forme micellaire (28).
2.2.3 La micelle de caséine :
Les micelles de caséine sont considérées comme des colloïdes de forme plus ou moins sphérique, dont la taille suit une distribution normale entre 40 et 300nm (25) avec une moyenne de 120 nm (28, 30). Elles sont constituées de 92% de protéines, le reste étant des minéraux généralement dénommé phosphate de calcium micellaire (CCP) (20). Malgré cette dénomination, il existe aussi une certaine quantité (bien inférieure au calcium et phosphate) d’autres minéraux tels que le magnésium, qui sont en interactions avec les protéines micellaires (30). Le rôle primordial du CCP dans la structure micellaire a été depuis longtemps accepté, tandis que sa nature fait encore l’objet de débats au sein de la communauté scientifique (26). Ces micelles sont très hydratées et
αs1 αs2 β κ
Résidus d'acides aminés 199 207 209 169
Poids moléculaire (kDa) 23,6 25,2 24 19
Résidus phosphoséryls 8 - 9 11 - 13 5 1- 3
contiennent 2 à 4g d’eau par g de protéines (selon la méthode utilisée) (28). Leur rôle biologique majeur serait de transporter le phosphate de calcium au nouveau-né en empêchant sa précipitation (26).
Plusieurs modèles ont été proposés pour expliquer la structure des micelles de caséines et il existe encore une importante controverse à ce sujet. Cet aspect a été revu en détails par plusieurs auteurs (31–33). Un modèle valide se doit de répondre aux diverses observations qui ont été effectuées sur la stabilité et la déstabilisation des micelles de caséines, notamment lors des modifications d’environnement (voir paragraphe 2.2.5) et lors des différents traitements auxquels le lait est soumis durant sa transformation en divers produits laitiers (hydrolyse enzymatique, acidification, etc.). Tous les modèles s’accordent sur le fait que la caséine κ est située à la surface de la micelle de caséine (33), notamment en raison de son rôle stabilisateur, mais aussi dû au fait qu’elle doit être facilement accessible et hydrolysable par la présure et doit permettre la formation de complexes avec les protéines sériques dénaturées (28). Il est généralement accepté que plusieurs interactions majeures entrent en jeu dans la structure micellaire dont l’interaction entre les résidus phosphosérines des molécules de caséines et la présence de « nanoclusters » de phosphate de calcium, et les interactions hydrophobes (29).
Des études récentes, notamment basées sur des images de microscopie ou des études de diffusion aux petits angles (small angle scattering), laissent penser que la structure interne des micelles de caséines est caractérisée par les éléments suivants :
• Une répartition aléatoire de nanoclusters de phosphate de calcium au sein de la matrice (30, 33) • Une répartition hétérogène des structures protéiques avec des zones incompressibles peu
hydratées comprenant des protéines et des « nanoclusters » de CCP (29, 30, 33)
• Des canaux d’eau contenant de faible quantité voire une absence de protéines (29, 30, 33) et qui confèrent à la structure micellaire, la porosité nécessaire pour répondre aux mouvements (entrée – sortie) de certaines molécules, en réponse à des changements d’environnement.
Pour répondre à ces caractéristiques, le modèle suivant a récemment été proposé (Figure 2-1) (33). Ce modèle est un des nombreux modèles proposés pour tenter d’expliquer la structure interne des micelles de caséine. Les micelles de caséines ont été décrites comme des colloïdes stabilisés du point de vue stérique, grâce à la présence d’une partie de la caséine κ à la surface des micelles. Cette région (C-terminale) de la caséine κ présente une charge négative importante et se retrouve dans la phase soluble du lait (environ 7nm) (25). Ainsi, la stabilité des micelles de caséines va dépendre de la densité mais aussi de la longueur de ces « cheveux » de caséine κ (30) et tous les paramètres affectant ces facteurs vont avoir un impact sur la stabilité des micelles. C’est le cas de plusieurs procédés utilisés habituellement en industries laitières, tels que les traitements
thermiques, l’utilisation d’enzyme protéolytique (fabrication fromagère) ou encore l’acidification du lait. L’impact de certaines conditions environnementales résultant de ces procédés (température, pH, etc.) sur les micelles de caséine et leur stabilité est présenté dans le paragraphe 2.2.5. En ce qui concerne, la stabilité au sein de la micelle (structure interne), qui impacte aussi la stabilité générale de la micelle, elle est gouvernée par les interactions caséines-caséines (hydrophobes, hydrogènes, électrostatiques) et caséines-minéraux (30). Tout paramètre influençant ces différentes interactions impactent la stabilité interne de la structure micellaire. Par exemple, il est connu que le refroidissement du lait s’accompagne d’une dissociation réversible de la caséine β, due à une réduction des interactions hydrophobes à basse température (30). Cette caséine est particulièrement touchée comme elle est la plus hydrophobe, et cette dissociation s’opère sur les caséines β liées aux autres caséines et non sur celles liées aux nanoclusters de CCP (30).
Figure 2-1: Vue schématique de la structure des micelles de caséine.
Les molécules de caséines (α et β en orange) interagissent entres elles via des nanoclusters de CCP représentés en gris mais aussi via des liaisons hydrophobes pour la caséines β (en bleu). Les pores représentent les canaux contenant l’eau et sont exagérées pour des raisons de clarté. Le caseinomacropeptide (noir) et la paracaséine κ (vert) sont situés à la surface de la micelle, d’après (33).
Les micelles de caséine représentent les « building blocks » de plusieurs produits laitiers et notamment du fromage. Ce dernier est produit via la déstabilisation des micelles de caséine grâce à soit l’acidification du lait au pI des caséines ou à l’utilisation de protéase sélective qui va hydrolyser la fraction petidique glycosylée de la caséine κ et permettre le rapprochement des micelles hydrolysées et la formation d’un gel, dans lequel la phase aqueuse est piégée.
2.2.4 Les minéraux du lait :
2.2.4.1 Distribution des minéraux dans le lait :
Les minéraux représentent environ 0,7% du lait et les principaux sont présentés dans le Tableau 2-3. En général, les ions monovalents sont quasiment entièrement présents dans la phase aqueuse du lait, tandis que les ions multivalents sont, en partie, dans la phase soluble et, en partie, en association avec les caséines (34). Il est communément dit qu’un tiers du calcium, la moitié du phosphore inorganique, les deux tiers du magnésium et 90% du citrate sont présents dans la phase aqueuse (35). Ces valeurs peuvent changer selon les techniques de séparation et les conditions environnementales utilisées (dépendance des équilibres à la température, pH, etc.). Les minéraux retrouvés dans la phase soluble peuvent être présents sous forme d’ions libres, mais aussi sous forme de complexes en association avec des ions de charge opposée, selon leur affinité et leur solubilité (35).
Tableau 2-3: Composition minérale du lait (en mg par litre de lait), et répartition entre les phases soluble et micellaire, d’après (23)(26).
Minéraux Répartition (%)
Teneur moyenne (mg.L-1) Micellaire (%) Soluble (%)
Calcium 1200 66,5 33,5 Chlorure 1000 6 94 Magnesium 130 33 67 Phosphore (total) 950 57 43 Phosphore (inorganique) 750 Potassium 1450 8 92 Sodium 500 8 92
2.2.4.2 Minéraux solubles et activité ionique :
Le lait contenant une quantité non négligeable d’espèces chargées, la concentration de ces espèces ne permet pas de quantifier de façon pertinente leur propension à intervenir dans d’éventuelles réactions. Ainsi, il est commun d’utiliser un autre système de quantification, dénommé « activité ionique », qui prend en compte la concentration effective (disponibilité réelle) des ions en solution (36). L’activité d’une espèce dépend de la concentration totale des espèces chargées en solution, qui peut être exprimée par la force ionique. Cette dernière va impacter la solubilité des espèces (37) et ainsi favoriser ou non les phénomènes d’association-dissociation et donc modifier les équilibres des minéraux entre les phases soluble et colloïdale (36). On comprend donc l’importance des notions de force ionique et d’activité ionique dans la caractérisation des équilibres, et plus généralement lors de l’étude des propriétés du lait.
Pour avoir une valeur calculée réaliste de la force ionique, il faut prendre en compte les ions sous leurs différentes formes (libres ou complexés) (38). Avec ces valeurs, la force ionique 𝜇 peut être calculée via la formule suivante (36) :
Équation 2-1 𝜇 = ∑ 𝐶 × 𝑍²
Avec C la concentration des espèces en solution et Z la charge de ces espèces. Dans le cas du lait, la notion d’activité d’une espèce, plutôt que sa concentration, est souvent utilisée notamment pour caractériser le calcium ionique. Le coefficient d’activité ionique γ, pour une solution dont la force ionique varie entre 0,02 et 0,2M, peut se calculer grâce à l’équation suivante (simplifiée) (36) :
Équation 2-2 𝑙𝑜𝑔 𝛾𝑖= 0.5𝑍𝑖²√𝜇
1+√𝜇
Une fois ce coefficient calculé, l’activité ionique IA est reliée à la concentration via la relation suivante (36) : Équation 2-3 𝐼𝐴𝑖 = 𝛾𝑖𝐶𝑖
Ainsi, le coefficient d’activité permet d’appliquer une « correction » à la concentration, qui prend en compte la totalité des espèces chargées du milieu et permet une meilleure représentation de la disponibilité d’une espèce en solution.
2.2.5 Équilibre soluble-colloïdal des minéraux et protéines :
Comme indiqué précédemment (paragraphe 2.2.4), les minéraux sont en constant équilibre entre les phases soluble et micellaire (Figure 2-2). La solubilité de ces minéraux joue sur leur propension à se retrouver dans une phase plutôt que dans l’autre. Ainsi, les minéraux ayant une solubilité très faible, comme le phosphate de calcium, se retrouvent en très faible concentration dans la phase aqueuse (35) et se présentent principalement sous forme de phosphate de calcium micellaire (CCP) (39). Ce dernier est donc sous forme insoluble en association avec les caséines, où il va faire partie intégrante de la structure des micelles de caséines. Ces équilibres (minéraux et protéiques) du lait sont gouvernés par les conditions environnementales (40) et dans cette partie, l’impact de certains changements sur la répartition des minéraux et des caséines entre les deux phases est détaillé.
2.2.5.1 pH :
L'acidification du lait induit une solubilisation des minéraux micellaires et notamment du phosphate de calcium micellaire (1b - Figure 2-2) (26). Ceci peut s’expliquer par l’ajout des ions H+ (résultant de la fermentation du lactose ou par ajout d’acide) qui va impacter les équilibres en protonant le citrate et la phosphate inorganique
(5a et 4a) et ainsi induire une ionisation des complexes calcium-citrate (3b) et calcium phosphate (2b), résultant donc en une augmentation du calcium ionique (34). La modification de ces équilibres va entraîner un transfert du phosphate de calcium micellaire (1b) mais aussi des autres cations associés à la micelle, vers la phase aqueuse (35). En parallèle, le pH a un effet sur l'état d'ionisation des caséines et en particulier sur les résidus phosphosérines et les acides aminés acides (acide glutamique et aspartique) qui sont les principaux sites d’interactions des cations avec les protéines (41). La modification de leur état d'ionisation va conditionner leurs interactions avec les différents ions et donc moduler leur transfert entre les deux phases. En général, il est admis que la totalité du phosphate inorganique est solubilisé à un pH de 5,2 tandis que seule une partie du calcium (environ 70%) est solubilisée à ce pH. Ce dernier, ainsi que le magnésium, atteignent leur solubilité maximale à pH 3,5 (41). La solubilisation minérale induite par une diminution du pH du lait provoque une augmentation de la force ionique qui, à son tour, impacte les équilibres entre les phases (34).
La dissociation des caséines, résultant d’une baisse de pH, va dépendre de la température du milieu. Une
acidification réalisée à des températures > 25°C ne va entrainer que peu de dissociation des caséines (42).
CaCit- [8 mM] CaHPO[0,6 mM] 4 Ca2+ [2 mM] Cit 3-[1,6 mM] HPO4 2-[3 mM] H+ HCit 2-[0,2 mM] H2PO4 -[10 mM]
PHASE SOLUBLE PHASE MICELLAIRE
Modification des conditions environnementales : Température : ↑ (<60°C) : 4b, 5b, 2a, 3a, 1a
↓ : 5a, 4a, 3b, 2b, 1b
pH : ↓ : 5a, 4a, 3b, 2b, 1b
↑ : 5b, 4b, 3a, 2a, 1a
Force ionique (NaCl) : ↑ : 4b, 5b, 2b, 3b, 1b
CaCl2: ↑: 3a, 2a, 1a
3b 3a 2b 2a 4a 4b 5b 5a 1b 1a
Figure 2-2: Équilibres salins entre la phase soluble et la phase micellaire et impact des conditions environnementales, d’après (34); avec ↑ = augmentation, ↓= diminution (ex : température : ↑ = impact de l’augmentation de la température).
Cela peut s’expliquer par le fait que, malgré la perte de CCP et l’exposition des résidus chargés des molécules de caséines, la baisse de pH va diminuer la charge négative des caséines, ce qui va limiter les répulsions électrostatiques et donc empêcher leur dissociation (33). En revanche à la surface des micelles de caséines, les « cheveux » de la caséine κ qui se retrouvent dans la phase aqueuse, vont collapser ce qui va permettre le rapprochement des micelles et à une certaine valeur de pH (proche de leur point isoélectrique), un gel va se former (33).
2.2.5.2 Température :
Une des particularités du phosphate de calcium est que c'est un sel inverse, ce qui signifie que sa solubilité décroit avec une augmentation de la température. Ainsi, le chauffage du lait à des températures relativement "douces" (<90°C) diminue la solubilité du phosphate de calcium et induit donc une minéralisation de la micelle (1a) (43, 44). De plus, en réponse à ces modifications, une augmentation de la température va aussi provoquer la dissociation de l'acide phosphorique H2PO4- qui va libérer des protons et ainsi acidifier le milieu (4b). Ces
modifications d'équilibre sont réversibles avec une baisse de température. Cependant, un traitement thermique sévère (120°C pendant plusieurs minutes) va provoquer des modifications irréversibles et va induire la précipitation des sels phosphate de calcium (44–46). Des traitements thermiques importants vont favoriser l’association des protéines du lactosérum dénaturées aux micelles de caséines, via des ponts disulfures avec les caséines κ et αs2 (33) et ainsi modifier les propriétés de surface des micelles.
Une baisse de température aura un effet inverse car la solubilité du phosphate de calcium augmente et ce dernier va ainsi être transféré vers la phase soluble (1b), provoquant une augmentation du calcium ionique. Une baisse de température va aussi induire une régression d’ionisation des ions phosphate et citrate (4a et 5a) ainsi qu’une ionisation des complexes calcium – phosphate / citrate (2b et 3b) (34). Cette modification des équilibres salins est réversible (35). Une libération de la caséine β pendant le refroidissement a été notée par plusieurs auteurs (34, 47). Une des explications possibles pour la dissociation sélective de cette caséine est son hydrophobicité élevée et donc sa sensibilité accrue à une diminution de température.
2.2.5.3 Force ionique :
Une modification de la force ionique a un impact sur la solubilité des différents minéraux via une modification de leur coefficient d'activité ionique (34). En effet, une augmentation de la force ionique entraîne une diminution des coefficients d'activité ionique des minéraux du milieu et ainsi augmente la dissociation des ions pairs et leur solubilité (35). L'ajout de NaCl (et l’augmentation de force ionique en résultant) provoque une diminution du pH due à une substitution des protons liés aux protéines par du sodium (48, 49). Une solubilisation du calcium micellaire est aussi notée par plusieurs auteurs (48, 50) (substitution par du sodium), augmentant ainsi les ions
calcium libres de la phase soluble, tandis que le phosphate n’est pas solubilisé (41, 48, 49). D'autres phénomènes tels qu'une diminution du potentiel zêta des micelles dans du lait concentré (diminution des charges électrostatiques) (49), une augmentation de l'hydratation des micelles (48, 51) et une solubilisation des caséines ont aussi été notées par certains auteurs (34, 51). L’ajout de CaCl2 au lait modifie les équilibres salins
entraînant la formation de complexes calcium-citrate (3a) et calcium-phosphate (2a), une diminution de pH et une association d’une partie du calcium ajouté à la micelle de caséines (1a) (34).
Ces différentes modifications d’environnement et leur impact sur les équilibres du lait se retrouvent tout au long des procédés de transformation de ce dernier en divers produits laitiers. Les caséines et les minéraux sont les principaux acteurs de ces équilibres et sont ainsi les premiers touchés lors de modifications environnementales. Dans le cas de la fabrication fromagère, les caséines et les minéraux ont une importance particulière. En effet, les caséines représentent les « building blocks » du fromage et la minéralisation de ce dernier, qui dépend du procédé de fabrication, va affecter, entre autres, ses propriétés texturales, fonctionnelles et organoleptiques. Ainsi les modifications d’équilibres, résultant notamment de la concentration du lait par des procédés baromembranaires, pourraient avoir un impact sur les propriétés fromagères de ces concentrés.
2.3 Fabrication fromagère :
La transformation du lait en fromage peut être vu comme un procédé de déshydratation, où les caséines et la matière grasse concentrées représentent la grande majorité de la matière sèche du produit final. Le procédé de fabrication fromagère comporte différentes étapes successives qui dépendent grandement du type de fromage produit. De façon généralisée, les principales étapes prennent en compte la préparation du lait de fromagerie (où les procédés baromembranaires peuvent intervenir), l’acidification par des ferments lactiques, la coagulation du lait par la présure, les diverses opérations facilitant l’égouttage du caillé (découpe, cuisson, pressage, …), le salage et l’affinage (Figure 2-3). L’ordre de ces étapes peut être modifié (comme lors de l’utilisation de pré-fromage liquide – section 2.6.1.3) et plusieurs étapes peuvent avoir lieu en parallèle (notamment pour l’acidification).
La première étape majeure de la fabrication fromagère est la coagulation du lait qui peut avoir lieu via plusieurs mécanismes : utilisation de protéases spécifiques (caillé présure) ou acidification à pH 4.6 (caillé lactique). Pour la plupart des fromages, l’utilisation de présure couplée avec une acidification modérée du lait est réalisée. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés à des caillés de type présure uniquement (sans utilisation de ferments lactiques) et ainsi l’emphase est mise sur ce mécanisme. De la même façon, les étapes qui n’ont pas été étudiées dans ce projet (notamment l’affinage) ne sont pas détaillées par la suite.
Figure 2-3 : Schéma conventionnel des différentes étapes de la fabrication fromagère, d'après (52). 2.3.1 Préparation du lait de fromagerie :
La composition du lait de fromagerie a un impact important sur la conduite du procédé de fabrication fromagère et sur la qualité et l’uniformité du produit final. Ainsi, il est pratique courante de standardiser la composition du lait de fromagerie pour assurer un procédé de fabrication constant et limiter la variabilité du produit final. Que ce soit pour répondre à la réglementation au niveau de la composition du fromage ou simplement pour obtenir un fromage avec une composition (ratio matière grasse / protéine) constante, le ratio matière grasse / protéine du lait de fromagerie est ajusté (53). Cette standardisation peut se faire de plusieurs façons, notamment par l’ajout de crème, de lait écrémé ou de poudre de lait. Cependant, avec l’apparition des procédés baromembranaires en fromagerie, l’ajout de rétentat d’ultrafiltration à faible facteur de concentration (<2X) est de plus en plus répandu pour ajuster la teneur en protéines du lait de fromagerie (voir paragraphe 2.6.1.1). Une étape de pasteurisation du lait cru est la plupart du temps réalisée dont le but principal est de contrôler la flore pathogène mais qui mène aussi à la destruction d’autres microorganismes, dont les bactéries potentiellement bénéfiques (53). La pasteurisation permet aussi de restaurer les propriétés de coagulation du
Lait Gel Caillé Fromage affiné Préparation : - Standardisation - Maturations Ferments lactiques
Agent coagulant (présure) Coagulation = changement d’état (formation d’un réseau)
Egouttage = concentration (élimination du lactosérum)
Sortie du lactosérum :
Décaillage, brassage, chauffage, acidification Retournements, pressage
Lactosérum
Affinage = modification des constituants
