Contribution à l'étude des propriétés
physico-chimiques du lait cryoconcentré et évaluation de
son potentiel d'application technologique
Thèse
Alseny Balde
Doctorat en Sciences et technologies des aliments
Philosophiæ Doctor (Ph. D.)
Québec, Canada
Contribution à l'étude des propriétés
physico-chimiques du lait cryoconcentré et évaluation de
son potentiel d'application technologique
Thèse
Alseny Balde
Sous la direction de :
iii
RÉSUMÉ
La cryoconcentration a un grand potentiel pour produire des aliments liquides de haute qualité organoleptique et nutritionnelle. En plus, du point de vue énergétique, elle s’avère très compétitive face aux technologies de concentration comme l’évaporation sous vide, l’ultrafiltration, la nanofiltration et l’osmose inverse. Malgré ces avantages substantiels et le développement considérable qu’a connu cette technologie, la cryoconcentration est toujours considérée comme une opération commercialement fiable seulement dans des applications limitées à des produits tels que les jus de fruits, les extraits de café, du thé et des herbes aromatiques. Ainsi, le but principal de ce projet de doctorat est de comprendre l’impact de la cryoconcentration sur les paramètres physico-chimiques et compositionnels du lait écrémé et de l’utiliser comme une étape de concentration dans un procédé de fabrication de lait concentré, de lait concentré stérilisé et de poudre de lait écrémé.
Le premier objectif portait sur l’étude de l’effet de la cryoconcentration à effet cascade sur les micelles de caséines, les propriétés rhéologiques et la couleur du lait écrémé concentré pendant cinq semaines de conservation. En utilisant un lait écrémé (fraichement fourni par Natrel) comme témoin avec une teneur en matière sèche totale de X = 9,24 %, trois cycles de cryoconcentration étaient réalisés. Ce traitement a permis d’atteindre des concentrations de 1,6X, 2,3X et 2,7X au cycle 1, 2 et 3, respectivement. Concernant les micelles de caséines, les résultats obtenus n’ont montré aucune différence significative entre l’effet des trois cycles de cryoconcentration sur la distance inter-micellaire et la forme sphérique des caséines. Cependant, avec l’augmentation du cycle de cryoconcentration, la taille des micelles de caséines avait tendance à se déplacer vers de plus petites tailles avec une modification de la distribution de leur diamètre moyen. Les résultats obtenus ont également montré qu’à tous les cycles de cryoconcentration, les micelles de caséines étaient caractérisées par des distributions monomodales où environ 60 % du volume total occupé par les micelles de caséines ont une taille de 100-200 nm. Comparé au lait-témoin, les résultats ont également montré que la cryoconcentration améliore la couleur en augmentant la valeur L* (indice de blancheur) du lait cryoconcentré au-dessus de 67; ce qui est similaire à celui d’un lait entier (non écrémé), et ce, dès le
iv
premier cycle de cryoconcentration. Aucune différence significative n’a été observée entre la valeur L* du lait aux trois cycles de cryoconcentration. Enfin, pendant le stockage du lait écrémé cryoconcentré, ses propriétés d’écoulement ont changé, car, une transition d’un comportement newtonien à non-newtonien a été observée à partir de la quatrième semaine à une concentration de 2,7X de matière sèche totale. En plus, une légère augmentation de la taille des micelles de caséines a été observée pendant cette période.
Le deuxième objectif de ce projet de doctorat consistait à réaliser une étude comparative sur l’effet de la stérilisation sur la qualité d’un lait écrémé concentré par cryoconcentration, par évaporation sous vide et par osmose inverse pendant l’entreposage. Les résultats ont montré que la stérilisation a augmenté près de 9 fois le coefficient de consistance du lait évaporé contre 2 fois pour le lait cryoconcentré et le lait concentré par osmose inverse. Pendant l’entreposage, la charge nette des protéines du lait produit par évaporation a diminué, alors que celle des protéines du lait cryoconcentré et celui concentré par osmose inverse sont restées plus stables.
Le troisième objectif avait pour but de réaliser une étude comparative entre la cryoconcentration, l’évaporation sous vide et l’osmose inverse, comme étape de pré-concentration du lait écrémé, en vue d’en produire du lait écrémé en poudre et d’évaluer les propriétés physico-chimiques et techno-fonctionnelles des poudres. Tout d’abord, l’observation de la morphologie, de la forme et l’analyse de la taille ont révélé que la surface des particules était lisse avec un petit nombre de sous-structures visibles sur la surface de l’échantillon issu de l’évaporation sous vide et de l’osmose inverse. La poudre du lait cryoconcentré et celle du lait concentré par osmose inverse avaient moins de particules fragmentées et plus de particules de grandes tailles que la poudre de lait évaporé. À la granulométrie (taille de particule) de 250 µm, la poudre de lait cryoconcentré avait trois fois le volume (%) de la poudre de lait concentré par osmose inverse et la poudre de lait évaporé sous vide. Après reconstitution, les micelles de caséines dans du lait reconstitué à partir de la poudre obtenue en utilisant du lait écrémé cryoconcentré présentaient la plus grande taille suivie de celle du lait reconstitué à partir de poudre obtenue avec du lait concentré par osmose inverse avec des pics de distribution se situant à 190 nm et à 164 nm,
v
respectivement, pour la poudre obtenue par cryoconcentration et celle obtenue par osmose inverse. Malgré la différence de techniques de pré-concentration, toutes les poudres présentaient un indice de solubilité élevé (˃ 85%). Cependant, les poudres de faible granulométrie (75 µm) ont présenté une faible solubilité, ce qui est normal pour cette granulométrie. Pour la dispersion, c’est seulement à la granulométrie optimale (105 µm) que toutes les poudres ont montré les plus grands indices de dispersion. Cependant, elles n’ont pas présenté une bonne dispersion (<90%) selon les normes de la fédération internationale du lait (FIL). Indépendamment de la taille et du prétraitement, toutes les poudres ont également une faible mouillabilité. Ainsi, ce projet a apporté une contribution aux connaissances sur l’utilisation de la cryoconcentration comme alternative prometteuse dans la fabrication du lait concentré, concentré stérilisé et du lait en poudre.
vi
ABSTRACT
Cryoconcentration has great potential to produce foods of high nutritional and organoleptic quality. Moreover, it can be very competitive in comparison with vacuum evaporation and reverse osmosis. Despite these substantial benefits and the considerable technological developments, the use of cryoconcentration at industrial scale is still limited. However, some products are produced by cryoconcentration at high scale such as concentrated fruit juices, coffee and tea extracts, as well as different flavorings. Thus, the aim of this project was to study effect of cryoconcentration on skim milk properties and to use this technique as a concentration step for the production of concentrated skim milk and skim milk powder.
The first objective was aimed to study the effects of cryoconcentration carried out in a cascade effect on skim milk properties such as casein micelles, color and rheological properties of concentrated skim milk during five weeks of storage. Fresh skim milk with X = 9.24% total dry matter was used as feed material (control). By using three cryoconcentration cycles, it was possible to reach concentrations of: 1.6X, 2.3X and 2.7X at the end the 1st, 2nd and 3rd cryoconcentration cycles, respectively. Moreover, the obtained results showed that cryoconcentration cycle had no significant effect on the inter-micellar distance and the spherical shape of the caseins, but an increase of the cryoconcentration cycle modified the distribution of the mean particle size of the casein micelles towards the smaller units. Furthermore, at all cryoconcentration cycles, monomodal distributions of the micelles particle size were observed where about 60% of the total volume was occupied by the casein micelles which have a size of 100-200 nm. Moreover, the obtained results clearly showed that cryoconcentration significantly improved the color of the cryoconcentrated skim milk by increasing the L* value up to 67 which is similar to that of whole milk. Finally, during storage, a transition from Newtonian to non-Newtonian behavior of the cryoconcentrated skim milk corresponding to the one obtained at the end of the 3rd cycle (2.7X) was observed from the fourth week of storage with a slight increase of size of the caseins micelles.
vii
The aim of the second objective was to compare the effect of sterilization on the quality of concentrated skim milk obtained by cryoconcentration, vacuum evaporation and reverse osmosis during storage. The results showed that sterilization increased viscosity of the evaporated milk nearly 9 times versus 2 times the viscosity of the cryoconcentrated milk and the concentrated milk by reverse osmosis. During storage, the protein net charge of milk produced by vacuum evaporation decreased, while that of cryoconcentrated milk and reverse osmosis remained more stable. The aim of the third objective was to study the pre-concentration of milk by cryoconcentration for the manufacture of skim milk powder in comparison with vacuum evaporation and reverse osmosis. The physico-chemical characterization and techno-functional properties of the powder was also carried out. Observation of powder morphology, shape and particle size analyses revealed that the surface of the particles was smooth with a small number of substructures visible on the surface of the sample from vacuum evaporation and reverse osmosis. The powder of the cryoconcentrated milk and those of the concentrated milk by reverse osmosis had fewer fragmented particles and larger particles than the evaporated milk powder. At the particle size of 250 µm, the cryoconcentrated milk powder had three times the volume of the milk powder concentrated by reverse osmosis and vacuum evaporation. After reconstitution, the casein micelles of the powder obtained from cryoconcentrated milk showed the largest size followed by that obtained from concentrated skim milk by reverse osmosis with distribution peaks at 190 nm and 164 nm, respectively, for the powder obtained from cryoconcentrated milk and reverse osmosis concentrated milk. Despite the differences in the pre-concentration techniques, all the powders had a high solubility index (˃85%), but the powders with small granulometry (75 µm) showed a low solubility. For dispersion, only the optimum particle size (105 µm) showed the greatest dispersion index, but they did not show good dispersion (<90%) according to the international dairy federation (IDF) standard. Irrespective of size and pre-treatment, all powders have low wettability. Thus, this project contributed to knowledge advancement on the use of cryoconcentration as a promising technique in the manufacture of concentrated sterilized skim milk and skim milk powder.
viii
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ... iii
ABSTRACT ... vi
TABLE DES MATIÈRES ... viii
LISTE DES TABLEAUX ... xiv
LISTE DES FIGURES ... xv
LISTE DES ANNEXES ... xviii
DÉDICACES ... xix
REMERCIEMENTS ... xx
AVANT-PROPOS ... xxii
INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 1
1. CHAPITRE 1 : REVUE DE LITTÉRATURE ... 5
1.1 Généralité sur le lait ... 5
1.1.1 Lactose ... 5
1.1.2 Matières azotées ... 6
1.1.2.1 Caséines micellaires ... 7
1.1.2.2 Structure des micelles de caséines ... 8
1.1.3 Protéines solubles ... 10
1.1.4 Sels minéraux ... 11
1.1.5 Lipides ... 11
1.2 Concentration du lait ... 12
1.2.1 Concentration par évaporation ... 12
1.2.2 Concentration par osmose inverse ... 14
1.2.3 Cryoconcentration ... 15
1.2.3.1 Définition et historique ... 15
1.2.3.2 Principe et techniques ... 16
1.2.3.3 Concentration par cristallisation en suspension ... 17
1.2.3.4 Concentration par congélation progressive ... 18
1.2.3.5 Cryoconcentration par congélation en bloc ... 20
ix
1.2.3.7 Efficacité énergétique ... 24
1.2.3.8 Effet de la cryoconcentration sur les propriétés du lait ... 26
1.2.3.9 Applications alimentaires de la cryoconcentration ... 27
1.3 Effet de la stérilisation sur le lait concentré ... 32
1.3.1 Effet sur les propriétés colloïdales du lait concentré chauffé ... 32
1.3.2 Épaississement du lait concentré ... 32
1.4 Techniques d’évaluation de la structure de lait concentré ... 33
1.4.1 Rhéologie ... 33
1.4.1.1 Viscosité de cisaillement ... 34
1.4.2 Spectroscopie infra rouge à transformation de Fourier (FTIR) ... 36
1.4.2.1 La spectroscopie infrarouge ... 36
1.4.2.2 Rayonnement électromagnétique ... 37
1.4.2.3 Spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier (FTIR) .. 39
1.4.3 Diffusion de la lumière ... 39
1.5 Séchage du lait ... 42
1.5.1 Fabrication du lait en poudre ... 42
1.5.1.1 Concentration ... 43
1.5.1.2 Séchage par atomisation ... 43
1.5.2 Changement induit durant la fabrication du lait en poudre ... 44
1.5.2.1 Dénaturation des protéines ... 44
1.5.2.2 Effets sur les micelles de caséines ... 46
1.5.2.3 Insolubilisation des sels phosphocalciques ... 46
1.5.2.4 Effets sur le lactose ... 46
1.5.2.5 Effets sur les globules gras ... 47
1.5.3 Propriétés physiques et fonctionnelles des poudres ... 48
1.5.3.1 Propriétés physiques ... 48
1.5.3.2 Propriétés fonctionnelles ... 48
1.5.4 Changement microstructural après reconstitution d’une poudre de lait 54 1.5.4.1 Techniques microscopiques d’évaluation de la structure ... 54
1.5.4.2 Microscopie électronique à balayage (MEB) ... 56
x
1.6 Justification de la technique et de la méthodologie générale ... 57
2. CHAPITRE 2 : PROBLÉMATIQUE, HYPOTHÈSE ET OBJECTIFS DE RECHERCHE ... 59
2.1 Problématique de recherche ... 59
2.2 Hypothèse de recherche ... 60
2.3 Objectif général ... 60
2.3.1 Objectifs spécifiques ... 60
3. CHAPTER 3: Impact of cryoconcentration on casein micelles size distribution, micelles inter-distance and flow behavior of skim milk during refrigerated storage 61 Résumé ... 62
Abstract ... 63
3.1 INTRODUCTION ... 64
3.2 MATERIALS AND METHODS ... 66
3.2.1 Skim milk and Cryoconcentration procedure ... 66
3.2.2 Analyses ... 67
3.2.2.1 Total dry matter ... 67
3.2.2.2 Total proteins ... 67
3.2.2.3 Ash and mineral fraction analysis ... 67
3.2.2.4 Concentration factor and process efficiency ... 67
3.2.2.5 Color measurement ... 68
3.2.2.6 Transmission electronic microscopy ... 69
3.2.2.7 Image analysis ... 69
3.2.2.8 Particle size determination ... 69
3.2.2.9 Rheological measurements ... 70
3.2.3 Statistical analysis ... 70
3.3 RESULTS AND DISCUSSION ... 71
3.3.1 Dry matter, total protein content and concentration factor ... 71
3.3.2 Color parameters measurements ... 73
3.3.3 Casein micelles shape ... 74
3.3.4 Cryoconcentration effect on soluble calcium and casein micelle size distribution ... 75
xi
3.3.5 Flow behavior ... 80
3.4 CONCLUSION ... 86
4. CHAPTER 4: Impact of cryoconcentration, vacuum evaporation and reverse osmosis on the properties of concentrated skim milk prior and after sterilization .. 87
Résumé ... 88
Abstract ... 89
4.1 INTRODUCTION ... 90
4.2 MATERIALS AND METHODS ... 92
4.2.1 Raw materials and chemicals ... 92
4.2.2 Milk preparation and concentration ... 92
4.2.3 Sterilization of the concentrated milk ... 93
4.2.4 Analyses ... 93
4.2.4.1 Proximate composition ... 93
4.2.4.2 Acidity measurement ... 93
4.2.4.3 Evaluation of the exposed thiol groups ... 94
4.2.4.4 Protein particle size and Zeta-potential measurement ... 94
4.2.4.5 SDS-PAGE analysis ... 94
4.2.4.6 Measurement of free amino acids ... 95
4.2.4.7 Rheological measurements ... 95
4.2.4.8 Color measurement ... 96
4.2.5 Statistical analysis ... 96
4.3 RESULTS AND DISCUSSION ... 97
4.3.1 Effect of the concentration technique on skim milk composition ... 97
4.3.2 Measurement of exposed thiol groups ... 98
4.3.3 Zeta-potential measurement ... 100
4.3.4 Polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) ... 102
4.3.5 Measurement of free amino acids (FAA) ... 103
4.3.6 Effect of concentration and sterilization of skim milk rheological properties ... 105
4.3.7 Effect of the concentration technique and sterilization on skim milk color ... 108
xii
5. CHAPTER 5: Effect of cryoconcentration, reverse osmosis and vacuum evaporation as concentration step of skim milk prior to drying on powder properties
112
Résumé ... 113
Abstract ... 114
5.1 INTRODUCTION ... 115
5.2 MATERIALS AND METHODS ... 118
5.2.1 Initial skim milk ... 118
5.2.2 Milk concentration procedure ... 118
5.2.3 Spray drying ... 119
5.2.4 Analyses of powders properties ... 119
5.2.4.1 Powder proximate composition ... 119
5.2.4.2 Powder size distribution ... 120
5.2.4.3 Powder colour parameters ... 120
5.2.4.4 Scanning electron microscopy of the powder ... 120
5.2.5 Analyses of reconstituted powders ... 121
5.2.5.1 Particle size distribution and ξξξξ-potential ... 121
5.2.5.2 Heat stability ... 121
5.2.5.3 Solubility determination ... 121
5.2.5.4 Dispersibility index (DI) ... 122
5.2.5.5 Wettability ... 122
5.2.5.6 Water sorption isotherm of skim milk powders ... 123
5.2.6 Statistical analysis ... 123
5.3 RESULTS AND DISCUSSION ... 124
5.3.1 Proximate composition of the powders ... 124
5.3.2 Microstructure of Fresh Powder Particles ... 125
5.3.3 Properties of milk powders ... 128
5.3.4 Particle size distribution by granulometry ... 128
5.3.5 Protein size distribution, zeta potential and heat stability in solution ... 130
5.3.6 Functional properties of the powders ... 132
5.3.6.1 Solubility in water ... 132
xiii
5.3.6.3 Wettability ... 134
5.3.7 Color of the powder and reconstituted milk ... 136
5.3.8 Water sorption isotherm of skim milk powders ... 138
5.4 CONCLUSION ... 140
6. CHAPITRE 6 : CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES ... 141
6.1 Retour sur les objectifs de recherche ... 141
6.2 Perspectives ... 142
xiv
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1: La cryoconcentration et ses applications dans l’industrie des jus de fruits ... 29 Table 3.1: Proximate composition of initial and cryoconcentrated skim milk and
process efficiency as a function of the cryoconcentration cycle ... 72 Table 3.2: Color parameters of the cryoconcentrated skim milk ... 74 Table 3.3: Size distribution (%) of casein micelles in skim milk and
cryoconcentrated milk ... 77 Table 3.4: Consistency index (K) of the cryoconcentrated skim milk at different
temperatures and storage period (W1-5 = Week 1-5). ... 84 Table 3.5: Flow behaviour index (n) of the cryoconcentrated skim milk at different temperatures and storage periods (W1-5 = Week1-5) ... 85 Table 4.1: Composition (mean ± SD) of SM= Skim milk, CSM, OSM, ESM
(CC-CM: Cryoconcentration concentrated milk, RO-(CC-CM: Reverse osmosis
concentrated milk, VE-CM: Vacuum evaporated concentrated milk) ... 99 Table 5.1: Chemical composition of the different powders studied (%) expressed as
the mean of seven experiments with the standard deviation ... 125 Table 5.2: Solubility, dispersibility and wettability of cryoconcentrated (CC) milk
powder, vacuum evaporated (VE) milk powder and reverse osmosis (RO) milk powder ... 135 Table 5.3: Color parameters of skim milk powders and corresponding reconstituted
xv
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1: Distribution des fractions azotées du lait de vache (Swaisgood, 1992) . 7 Figure 1.2: Modèle de la micelle de caséine, d’après (Ono and Obata, 1989;
Walstra, 1999) ... 9
Figure 1.3: Modèle de la micelle de caséine, d’après (Holt, 1992) ... 10
Figure 1.4: Schématique d’un processus de cryoconcentration à un seul cycle (Best and Vasavada, 1993; Village, 1993) ... 18
Figure 1.5: Illustration de (a) cryoconcentration de la suspension, (b) cryoconcentration par congélation progressive (Samsuri et al., 2016) ... 19
Figure 1.6: Les différentes phases de la congélation d’un échantillon (Genot, 2000) ... 22
Figure 1.7: Rhéologie d’un fluide Newtonien et non-Newtonien ... 35
Figure 1.8: Les différents modes de vibration des liaisons inter-atomiques, d'après (DANA, 1999)... 38
Figure 1.9: Configuration du Zetasizer Nano ZS (Instruments, 2004) ... 41
Figure 1.10: Schéma des différents mécanismes de formation des agrégats solubles et micellaires dans le lait au cours du traitement thermique (Donato and Guyomarc'h, 2009) ... 45
Figure 1.11: Détermination de l’indice de mouillabilité (Westergaard, 1994) ... 49
Figure 1.12: Détermination de l’indice de dispersibilité (Westergaard, 1994) ... 51
Figure 1.13: Détermination de l’indice de solubilité (Westergaard, 1994) ... 54
Figure 1.14: Diagramme de cryoconcentration du lait au premier cycle ... 58
Figure 3.1: Casein micelles of the initial skim (9.25 % DM) (a) and cryoconcentrated skim milk (25.12 % DM) (b) observed in transmission electron microscopy (TEM). The undiluted cryoconcentrated skim milk was fixed in glutaraldehyde at 20 °C... 75
Figure 3.2: Effect of the cryoconcentration on the recovery of different milk minerals calculated by equation Eq. 3.3. ... 76
xvi
Figure 3.3: Particle size distributions of the initial skim milk (C0) and
cryoconcentrated skim milk at different cryoconcentration cycles: C1, C2 and C3: 1st, 2nd and 3rd cryoconcentration cycle, respectively... 78 Figure 3.4: Particle size distributions after 3 weeks of storage: Unconcentrated
skim milk (C0), cryoconcentrated skim milk at different cryoconcentration cycles: C1, C2 and C3: 1st, 2nd and 3rd cryoconcentration cycle, respectively. ... 80 Figure 3.5: (a) Apparent viscosity of control (9.25%), cycle 1 (14.73%), cycle 2
(21.36%) and cycle 3 (25.12%). (b) Apparent viscosity of factor 3 X as function of shear rate for (S0), (S1), (S2), (S3), (S4), (S5) respectively week and 1, 2, 3,4, 5. ... 81 Figure 3.6: Combined effect of temperature and concentration on the flow behavior
index with weeks of storage: (A): weeks 0-2, (B): week 5 ... 83 Figure 4.1: Amount of the exposed thiol groups in the sterilized skim milk during
storage as a function of the concentration technique used. ... 100 Figure 4.2: Zeta-potentials of proteins in sterilized skim milk as function of the
concentration technique used and storage time ... 101 Figure 4.3: Gel electrophoresis (SDS-PAGE) of skim milk concentrated by reverse osmosis (RO-CM), vacuum evaporation (VE-CM) and cryoconcentration (CC-CM) and stored at 20 °C prior (0) and after (1) sterilization (a) and after 3 months of storage (b) ... 103 Figure 4.4: Effect of storage time on free amino acids as a function of the
concentration technique used ... 104 Figure 4.5: Apparent viscosity before sterilization versus shear rate at 30° C (a),
and consistency coefficients at 30 °C (b) and 40 °C (c) as function of storage time ... 108 Figure 4.6: Changes in color between the sterilized skim milk samples made from
cryoconcentration concentrated milk (CC-CM), vacuum evaporation
concentrated milk (VE-CM) and reverse osmosis concentrated milk (RO-CM) during 3 months of storage at room temperature. ... 110
xvii
Figure 5.1: Different samples (CC=cryoconcentration, VE=vacuum evaporation, RO=reverse osmosis) of skim milk powders observed by scanning electron microscopy at four magnifications: 200, 400, 500 and 1000 ... 127 Figure 5.2: Relationship between the volume (%) of the powders (CC:
cryoconcentration, VE: vacuum evaporation, RO: reverse osmosis) and the particle size (nm) ... 129 Figure 5.3: Particle size distributions of the powders obtained from concentrated
skim milk by: cryoconcentration (CC), vacuum-evaporation (VE) and reverse osmosis (RO) ... 131 Figure 5.4: Relationship between powder particle size and solubility percentage of cryoconcentrated powder (CC), Evaporated powder (VE) and reverse osmosis powder (RO). ... 133 Figure 5.5: Relationship between powder particle size and dispersibility percentage
of cryoconcentrated powder (CC), Evaporated powder (VE) and reverse osmosis powder (RO). ... 134 Figure 5.6: Water sorption isotherms of the skim milk powders at 20 °C. VE:
Powder from vacuum-evaporated skim milk, CC: Powder from
cryoconcentrated skim milk, RO: Powder from reverse osmosis concentrated skim milk ... 139
xviii
LISTE DES ANNEXES
ANNEXE 1: ILLUSTRATION OF THE PROCESS USED FOR PREPARATION OF STERILIZED CONCENTRATED SKIM MILK ... 168 ANNEXE 2: FTIR ANALYSES OF THE CRYOCONCENTRATED SKIM MILK PROTEINS 169 ANNEXE 3: SOLUBILITY OF THE PROTEINS AS A FUNCTION OF THE
xix
DÉDICACES
xx
REMERCIEMENTS
Tout d’abord, je remercie mon directeur de recherche, Dr. Mohammed Aider, de m’avoir permis de réaliser ce projet de doctorat au sein de son équipe de recherche. Je tiens également à le remercier pour toutes les heures qu’il m’a accordées pour discuter sur les objectifs du projet et pour effectuer ensemble les corrections apportées aux articles et aux autres communications.
Je remercie également tous les membres du jury d’avoir accepté d’évaluer cette thèse. Mes grands mercis vont également aux personnes qui, au cours de ce travail, m’ont offert une aide technique précieuse en laboratoire : Diane Gagnon, Richard Janvier, Alain Brousseau et Jacinthe Thibodeau. Merci également au personnel du laboratoire pilote : Pascal Lavoie et Mélanie Martineau. Je tiens également à remercier les employés travaillant au sein des différents secrétariats et bureaux administratifs de la Faculté : Christine Dumas et Diane Lajoie pour leur disponibilité dans les préparations et signature des documents administratifs.
Je souhaite remercier également Dr Joseph Makhlouf pour les opportunités qu’il m’a offertes en encadrement du cours à distance « Qualité en industrie alimentaire » pendant les trois premières années de ma formation. Je n’oublie pas Dre Muriel Subirade pour m’avoir ouvert la porte du programme de doctorat en Sciences et technologie des aliments et de m’avoir mis en contact avec les professeurs quand j’étais à la recherche d’un directeur de thèse.
Je tiens aussi à remercier mes collègues étudiants présents ou non au sein de l’Université Laval, ainsi que mes amis pour leur soutien : Ourdia Kareb, Omar El Jaam, Jean Mboma, Abdoulaye Ouattara, Abram Bamba, Mamadou Alpha Sow, Ibrahima Kadiatou Diallo, Thierno Madjou Bah, Thierno Hamidou Baldé, Gilles Essou et Harouna Diallo.
Mes derniers remerciements iront à ma famille, notamment ma mère et mes frères pour leur soutien malgré la distance. Une pensée à mon père El Mamadou Bailo, que la terre te soit légère. Un remerciement spécial à mon épouse Hawa Baldé, mes
xxi
enfants Kadiatou Baldé, Oumar Baldé, Ousmane Baldé et Hadyatou Baldé pour leur soutien dans les moments difficiles et surtout pour leur patience. Votre présence à mes côtés m’a donné la force de résister aux obstacles.
Je voudrais finalement remercier la Banque Islamique de Développement pour avoir rendu ce travail possible grâce à leur financement.
xxii
AVANT-PROPOS
La présente thèse de doctorat en Sciences et technologie des aliments est subdivisée en six chapitres. Elle commence, tout d’abord, par une brève présentation de l’état de l’art qui mène à la problématique de recherche et les objectifs de la présente étude. Le premier chapitre présente une revue de la littérature comprenant quatre parties. La première partie traite des généralités sur le lait et les techniques utilisées pour le concentrer. La deuxième partie relate l’historique de la cryoconcentration et ses applications. La troisième partie décrit les effets de la stérilisation sur le lait concentré et les techniques d’évaluation de la structure du lait concentré. La quatrième partie est consacrée à la fabrication de lait en poudre tout en évoquant les propriétés techno-fonctionnelles d’une poudre et les techniques microscopiques d’évaluation de la structure. Le deuxième chapitre énonce la problématique de recherche qui fait l’objet du présent sujet de recherche, l’hypothèse de recherche ainsi que l’objectif général et les objectifs spécifiques qui permettront de vérifier l’hypothèse de recherche. Les chapitres trois, quatre et cinq, rédigés sous forme d’articles scientifiques soumis ou publiés dans des revues internationales avec comité de lecture, décrivent l’ensemble des expérimentations réalisées, les résultats obtenus et leurs discussions. Enfin, le chapitre six présente une conclusion générale et les perspectives à considérer pour la suite du projet.
Le premier article est publié dans « Innovative Food Science & Emerging Technologies » sous le titre « Impact of cryoconcentration on casein micelle size
distribution, micelles inter-distance, and flow behavior of skim milk during refrigerated storage ». Auteurs: Alseny Balde et Mohammed Aider.
Balde, A., & Aider, M. (2016). Impact of cryoconcentration on casein micelles size distribution, micelles inter-distance and flow behavior of skim milk during refrigerated storage. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 34, 68-76.
Le deuxième article est soumis dans « Food Bioscience » sous le titre «Impact of vacuum evaporation, reverse osmosis and cryoconcentration on the properties
xxiii
of concentrated and sterilized skim milk». Auteurs: Alseny Balde et Mohammed Aider.
Le troisième article est soumis pour publication dans « Powder Technology » sous le titre: « Effect of cryoconcentration, reverse osmosis and vacuum evaporation as concentration step of skim milk prior to drying on powder properties ». Auteurs : Alseny Bale et Mohammed Aider.
Le premier article étudie l’effet des cycles de cryoconcentration en bloc sur les constituants du lait écrémé, la distribution de la taille des micelles de caséines, la distance inter-micellaire et le comportement rhéologique du lait cryoconcentré durant l’entreposage. Le deuxième article vise à étudier trois types de lait concentrés stérilisés obtenu par cryoconcentration, osmose inverse et évaporation sous vide pendant le stockage à température ambiente. Le troisième article étudie la faisabilité de la cryoconcentration, en comparaison avec l’osmose inverse et à l’évaporation sous vide, comme étape de concentration du lait écrémé en vue d’en produire une poudre de lait écrémé par séchage par atomisation. Les propriétés physico-chimiques et techno-fonctionnelles des poudres obtenues ont également fait l’objet de cette étude.
Dans les articles en particulier et la thèse en générale, M. Alseny Baldea,b, candidat au doctorat en Sciences et technologie des aliments, est l’auteur principal. Il a été en charge de la conception, de la planification et de l’exécution des travaux pratiques, ainsi que de la rédaction et la correction des articles. Dr Mohammed Aidera,c, directeur de recherche et coauteur des trois articles, a activement pris part à toutes les étapes de réalisation de cette thèse de doctorat en apportant une contribution significative à sa réussite.
a Institut sur la nutrition et les aliments fonctionnels (INAF), Université Laval, Québec, Canada, Gl V 0A b Département des Sciences des Aliments, Université Laval, Québec, Canada, GIV 0A6
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INTRODUCTION GÉNÉRALE
Cette partie fait une brève introduction sur le lait concentré, ses propriétés physico-chimiques, rhéologiques, fonctionnelles et technologiques. Elle décrit également l’état des lieux de la cryoconcentration par rapport aux autres techniques de concentration et les motivations conduisant à ce projet de doctorat.
Le lait est extrêmement périssable, car la plupart des évolutions microbiennes et biochimiques qui altèrent la qualité des aliments se déroulent en milieu aqueux. Ainsi, dans le lait frais, l’eau assure le transfert de différents substrats, des facteurs de croissance, des agents biologiques et des produits de différentes réactions, tant chimiques, biochimiques que microbiologiques. Tous ces facteurs sont hautement facilités en présence d’eau, ce qui aboutit à des réactions se produisant dans des conditions optimales. En plus, en tant que substrat de réaction, l’eau intervient également dans les réactions d’hydrolyse de différentes molécules comme les protéines (Miyawaki et al., 2005; Schuck, 2012). La réduction de l’activité de l’eau (aw) par élimination partielle de l’eau est l’un des moyens de stabilisation du lait pendant sa conservation (Mahaut et al., 2000). En effet, les procédés de concentration de liquides (alimentaires et autres) sont largement utilisés dans différents secteurs industriels comme la transformation des aliments et le traitement des eaux de lavage (Keshani et al., 2010a; Samsuri et al., 2016). Dans le secteur laitier, en plus de la valeur ajoutée que ce procédé donne au lait concentré, son attraction principale est qu'il peut réduire considérablement le volume du lait; donnant un avantage majeur en termes d’emballage, de transport, de manutention et de stockage de lait concentré (Okawa et al., 2009). En outre, la concentration du lait est très utilisée comme étape de préparation avant le séchage en vue de produire de la poudre de lait de différentes catégories (Samsuri et al., 2016).
Actuellement, il existe trois méthodes de concentration de lait, parmi lesquels il y a l’évaporation sous vide, l’osmose inverse et, dans une moindre mesure, la cryoconcentration (Miyawaki et al., 2005). Le choix d’une méthode par rapport à une autre dépend de certains critères comme le niveau de concentration, l’impact de la concentration sur le produit, la consommation d’énergie et le coût relatif du procédé global (Morison and Hartel, 2006b). Ainsi, pour optimiser le rapport qualité-coût, il est nécessaire de faire une
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combinaison adéquate de tous ces critères. De toutes ces méthodes, l’évaporation sous vide est la plus utilisée dans l’industrie laitière. Cependant, plusieurs études ont montré que l’évaporation sous vide nécessite une grande quantité d’énergie en raison de la valeur élevée de la chaleur latente de vaporisation de l’eau et qu’elle n’est pas appropriée pour des solutions contenant des composés organiques volatils puisqu’elle peut favoriser la formation de certains gaz dangereux (Jusoh et al., 2009; Samsuri et al., 2016).Par exemple, 2326 kJ est l’énergie nécessaire pour vaporiser 1 kg d’eau contre 338 kJ pour cristalliser la même quantité d’eau (Hunter and Hayslet, 2002). En outre, l’utilisation des températures élevées impliquées dans le processus de l'évaporation conventionnelle affecte la couleur, l’arôme, le goût et certains nutriments qui sont des éléments importants à préserver dans un aliment liquide à concentrer (Samsuri et al., 2016). Cependant, l’évaporation est bénéfique dans le cas de la désactivation thermique d'enzymes ou de microorganismes (Morison and Hartel, 2007). Dans le cas de l’osmose inverse, l’élimination de l’eau s’effectue à travers une membrane de très faible porosité qui ne permet que le passage de l’eau presque pure. Cette méthode nécessite peu d’énergie par rapport à l’évaporation, car il n’y a pas de changement de phase (Rodriguez et al., 2000). Par contre, la membrane utilisée dans le procédé est toujours sujette au colmatage et à l’encrassement, ce qui peut ultérieurement provoquer une réduction de la durée de vie de la membrane (Okawa et al., 2009; Zydney, 1995), ce qui entrainerait un coût élevé non seulement pour la maintenance et le remplacement de la membrane, mais aussi pour atteindre la pression osmotique requise pour le procédé (Okawa et al., 2009). En plus, la filtration par osmose inverse requiert l’utilisation de très hautes pressions. Une autre méthode qui connait une augmentation croissante d’utilisation pour concentrer des liquides alimentaires est la cryoconcentration. Elle est également utilisée pour le dessalement des eaux saumâtres comme l’eau de mer en vue d’en faire de l’eau potable. C’est une technologie qui est utilisée pour éliminer l’eau à des températures sub-zéro, ce qui permet de préserver une haute qualité des nutriments d’origine. Cette méthode consiste à congeler l’eau de la solution à concentrer suivie de la séparation de la solution concentrée et la glace (Sánchez et al., 2009). Cette méthode semble être une alternative prometteuse pour la concentration ou la pré-concentration des aliments ou des fluides biologiques (Buss, 1993; Samsuri et al., 2016; Van Niistelrooj, 1998; Zhang and Hartel, 1996). Plusieurs travaux ont montré que
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non seulement les cristaux de glace formés par ce procédé sont d’une grande pureté, mais qu’également le rendement de récupération des solutés est très élevé (Williams et al., 2013). En plus, en raison de la faible chaleur latente de congélation (fusion) de l’eau, cette technique de concentration est très avantageuse énergétiquement. Cependant, il est important de faire une évaluation complète des coûts associés à ce procédé de concentration (exploitation, nettoyage et facilité d’utilisation) pour choisir un mode approprié de cryoconcentration, car un choix adéquat permet une utilisation à l'échelle commerciale, car elle serait plus avantageuse que la technologie d'évaporation (Village, 1993). En plus, les évaluations sensorielles et les propriétés fonctionnelles de liquides alimentaires produits par cryoconcentration montrent que la qualité est meilleure par rapport aux mêmes produits concentrés par évaporation. Appliquée au lait cryoconcentré, des études ont montré que la qualité du produit est aussi bonne, voir meilleure, que celle du lait conventionnellement concentré ou du lait reconstitué à partir de la poudre (Best and Vasavada, 1993; Village, 1993). En plus, malgré l’avantage qu’offre la cryoconcentration de minimiser l’effet de la chaleur sur les composants sensibles du lait comme les protéines sériques et les arômes (Chen et al., 1998; Sánchez et al., 2011a), les principaux travaux effectués dans ce domaine se sont principalement focalisés sur l’amélioration de la technique, alors que la caractérisation approfondie du lait cryoconcentré, tant physicochimique que rhéologique, reste à faire. Cela permettra de générer de nouvelles connaissances sur l’utilisation de la cryoconcentration pour la fabrication de lait concentré à une échelle industrielle.
Cependant, même à l’état concentré (peu importe la méthode), le lait reste un produit hautement périssable. Pour le stabiliser et assurer une durée de vie raisonnable, il est important de le pasteuriser ou de le stériliser. Pour une conservation de longue durée, la stérilisation est inévitable. En plus, la stérilisation du lait concentré gagne en popularité dans les zones rurales de plusieurs pays en voie de développement, mais aussi dans les pays industrialisés. Ceci est principalement dû au fait que ce produit possède une excellente commodité de commercialisation tout en affichant un changement minimal de saveur pendant le stockage à température ambiante. Dans certaines conditions, la production de lait concentré stérilisé en combinant la cryoconcentration et la stérilisation thermique pourrait être bénéfique pour une longue durée de conservation et une économie substantielle d’énergie. Cependant, il existe très peu d’études sur la stabilité du lait
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cryoconcentré vis-à-vis du traitement de stérilisation et le changement subi par le produit durant son entreposage. En plus, le lait cryoconcentré pourrait être utilisé dans un procédé de fabrication de lait en poudre.
Ainsi, le but de ce projet de thèse doctorat consiste à étudier l’impact de la cryoconcentration sur le lait écrémé, tant physico-chimique que techno-fonctionnel, dans une étude comparative entre la cryoconcentration, l'évaporation sous vide et l'osmose inverse.
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1.
CHAPITRE 1 : REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Généralité sur le lait
Le lait est un système complexe et hétérogène dont la composition chimique varie en fonction de l’espèce, la race, l’âge, le stade et le nombre de lactation, ainsi que l’alimentation et les conditions de traitement (Grappin et al., 2000; Walstra et al., 2005). Le lait correspond à la fois à une solution aqueuse constituée essentiellement de lactose, de protéines sériques, de sels minéraux et de vitamines, à une émulsion de matière grasse sous forme de globules gras et à une suspension de micelles de caséines et des sels minéraux (Walstra et al., 2005). Parmi les principaux composants du lait, les protéines, et plus spécifiquement, les caséines et la matière grasse sont les composants ayant le plus d’impact structural sur le lait liquide. Cependant, les protéines du lactosérum, le lactose et les sels minéraux participent à diverses transformations structurales grâce à leurs aptitudes à s’agglomérer et à former des liaisons ou ponts ainsi qu’à contrôler le pH et la force ionique du lait (Kaláb and Carić, 1990).
Ces différents nutriments se répartissent en plusieurs phases :
- Une phase aqueuse ou phase dispersante continue, comprenant les glucides du lait, les protéines solubles, les minéraux et les vitamines hydrosolubles ;
- Une phase colloïdale constituée de caséines sous forme micellaire associées à des minéraux (ex : phosphocaséinate de calcium - (PO4)2Ca3) ;
- Une phase émulsionnée de matière grasse sous forme de globules gras pouvant aller de 1 à 20 µm de diamètre, leur taille moyenne étant de 3,5 µm de diamètre (Schuck, 1999b; Snappe et al., 2010; Walstra, 1975).
1.1.1 Lactose
Le lactose est le principal sucre dans le lait et il représente plus de la moitié de l’extrait sec. Le lactose se forme dans les glandes mammaires à partir du glucose et du galactose (Gaiani, 2006). Il se retrouve sous deux formes isomères en équilibre dans le lait : le lactose hydraté ou α-lactose et le lactose anhydride ou β-lactose. Ces deux formes diffèrent par la configuration stérique de l’atome d’hydrogène et du groupe hydroxyle OH
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au niveau du carbone C1 du glucose. La proportion en solution α/β est d’environ 37/63 à 20 °C (Gaiani, 2006; Karam, 2013). À l’état sec, le lactose se présente sous différentes formes : amorphe s’il est séché suffisamment vite ou cristallisé sous des formes anhydres (α et β) ou encore monohydraté (α). Le lactose α-monohydraté (L α-H2O) est la forme naturelle stable du lactose à température ambiante, mais il peut se présenter aussi en cristaux sous de nombreuses formes. Le lactose est directement responsable de la réaction de Maillard (« brunissement non enzymatique ») connue dans les poudres, réaction se faisant entre les protéines et les sucres réducteurs. Cette réaction conduit à une altération de la qualité nutritionnelle (pertes en acides aminés comme la lysine et le tryptophane, diminution de la digestibilité du lactose et des protéines) et organoleptique des poudres (jaunissement des poudres et défaut de goût) ainsi que des propriétés fonctionnelles, notamment l’altération des propriétés de réhydratation qui est un paramètre technologique d’une grande importance (Gaiani, 2006; Karam, 2013). Par contre, cette réaction peut être recherchée en chocolaterie avec les poudres de lait roller (rolles dried).
1.1.2 Matières azotées
On retrouve dans le lait deux types de matières azotées. Les protéines contiennent environ 95 % de matières azotées alors que l’azote non protéique en constitue environ 5 % du total. Une distribution des différentes fractions azotées dans le lait de vache est schématisée dans la Figure 1.1 (Swaisgood, 1992).
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Figure 1.1: Distribution des fractions azotées du lait de vache (Swaisgood, 1992)
1.1.2.1 Caséines micellaires
Les caséines représentent 80 % (p/p) des protéines totales du lait. Il s’agit d’une fraction organisée en superstructures sphériques et volumineuses formées de 92 % (p/p) de petites protéines caséiniques: αs1 , αs2 , β et κ. Leurs poids moléculaires varient de 19 kDa pour la caséine κ à 23 kDa pour les caséines αs1 et β et jusqu’à 25 kDa pour la caséine αs2 (Cheftel and Cuq, 1985; Swaisgood, 1982); soit une proportion relative de l’ordre de 4 :1 :4 :1, respectivement, pour la caséine αs1 , αs2 , β et κ (Liu and Guo, 2008). Leur diamètre moyen est d’environ 180 nm, mais peut varier de 40 à 300 nm (McMahon and Brown, 1984). D’autre part, l’autre fraction micellaire restante (≈ 8% p/p) est composée de minéraux avec essentiellement du phosphate de calcium et des ions citrate et magnésium (Alais, 1984).
8 1.1.2.2 Structure des micelles de caséines
L’organisation des micelles de caséine, la répartition de leurs composants ainsi que leur mode d’association reste encore non complètement élucidé. De nombreux travaux ont été effectués pour mieux comprendre l’interaction entre les molécules des caséines et leur organisation pour former la micelle. Ainsi, les travaux de Horne ont proposé deux types de liaison à l’intérieur de la micelle de caséines (Horne, 1998): les interactions hydrophobes et l’interaction entre le phosphate de calcium et les résidus phosphorylés des molécules de caséines (Holt, 2004). La surface des micelles est couverte tout d’abord par la κ-caséine, car elle ne peut se combiner que par des interactions hydrophobes. Mais vu que la quantité de caséines κ n’est pas suffisante pour recouvrir l’intégralité de la périphérie, la surface serait également recouverte par la caséine β. C’est ce qui rend d’ailleurs la micelle perméable uniquement aux petites molécules (Djamen, 2011).
Parmi les travaux actuels qui décrivent la structure des micelles, deux grands modèles se dégagent :
Le premier modèle est le modèle de sous-micelles proposé par (Ono and Obata, 1989; Walstra, 1999) qui suggère que la micelle serait constituée de sous-micelles de forme sphérique (10 nm de diamètre) qui sont reliées entre elles par des phosphates de calcium colloïdal (CCP). Selon (Ono and Obata, 1989), les micelles seraient constituées de deux types de sous-micelles: les sous-micelles F2, composées des caséines αs1, αs2 et κ localisées à la périphérie de la micelle et les sous-micelles F3 contenant αs1 et β situées essentiellement à l’intérieur de la micelle Figure 1.2.
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Figure 1.2: Modèle de la micelle de caséine, d’après (Ono and Obata, 1989; Walstra, 1999)
Le deuxième modèle suggère que la micelle serait considérée comme un gel minéralisé constitué de protéines associées entre elles par des nanoclusters de phosphate de calcium colloïdal (Figure 1.3) (Holt, 1992). En plus, ce modèle suggère que cette association de protéines sous forme de réseau protéique est cimentée par des nanoclusters de phosphate de calcium. La forme des micelles est maintenue par des interactions hydrophobes grâce à la neutralisation des charges par le phosphate de calcium. L’intérieur de la micelle serait hydrophobe et l’extérieur hydrophile (Holt, 2004; Holt and Horne, 1996) (Holt, 1992).
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Figure 1.3: Modèle de la micelle de caséine, d’après (Holt, 1992)
1.1.3 Protéines solubles
Les protéines sériques, représentant 20 % des protéines totales du lait, sont les protéines retrouvées dans le lait après coagulation des caséines au point isoélectrique correspondant au pH 4,6 et elles représentent environ 5 à 7 g/L de lait. Sous la forme non dénaturée, ces protéines de structure globulaire se présentent sous forme d’une chaine enroulée et serrée en pelote (Fox and Mulvihill, 1983; Swaisgood, 1982). Elles se trouvent sous forme de solution colloïdale dont les deux principales composantes sont la β-lactoglobuline et l’α-lactalbumine. Les autres protéines du lactosérum sont les immunoglobulines, le sérum de l’albumine bovine (BSA) et la lactoferrine. La β-lactoglobuline et l’α-lactalbumine sont les plus importantes des protéines du lactosérum puisqu’elles en représentent environ 55 % et 22 % (p/p), respectivement (Amiot et al., 2002). Par ailleurs, toutes ces protéines sont sensibles au chauffage qui, à plus de 80 °C, provoque leur dénaturation par agrégation et leur insolubilisation. Ces protéines se différencient des caséines par leur excellente valeur nutritionnelle à cause de leurs teneurs élevées en certains acides aminés comme la lysine, le tryptophane et plus particulièrement la cystéine (Damodaran, 1997).
11 1.1.4 Sels minéraux
Le lait contient également des sels minéraux à hauteur de 7 g/L environ. Les principaux minéraux du lait sont les phosphates, le calcium, le magnésium et les chlorures. Une partie d’entre eux est en solution tandis que l’autre est associée aux protéines (Ramet and l'agriculture, 1985). En terme d’équilibre micellaire, les minéraux les plus représentés sont le calcium (1,2 g/L), le phosphore (0,9 g/L) et le citrate (Alais, 1984; Holt, 1992; Van Hooydonk et al., 1987). Dans la fraction soluble, ils existent en partie sous forme libre (calcium -un tiers de la fraction totale- et magnésium ionisés), sous forme saline (phosphates et citrates non dissociés au calcium ou au magnésium), ou sous forme complexe (esters phosphoriques et phospholipidiques). Dans la fraction colloïdale, les minéraux tels que le calcium (deux tiers de la fraction totale), le phosphore (la moitié de la fraction totale), le soufre et le magnésium sont liés à la caséine au sein des micelles (Alais, 1984; Gaucheron, 2004). D’autres minéraux sont également présents dans le lait à l'état dissous sous forme d'ions tel que le sodium, le potassium et le chlore (Karam, 2013). 1.1.5 Lipides
Sur le plan quantitatif, parmi tous les constituants du lait, les lipides sont les plus variables. Avec une moyenne dans l’ordre de 35g/L selon la littérature, les lipides du lait sont constitués à 96-98 % (p/p) de triglycérides, à 0,2-1,5 % (p/p) de diglycérides, de traces de monoglycérides (0,1 % p/p), à 0,2-1% (p/p) de phospholipides polaires (Courtet-Leymarios, 2010) et enfin à 0,5% (p/p) de substances liposolubles telles que le cholestérol (0,31 % p/p) et les vitamines liposolubles comme les vitamines A et D (Christie, 1983; Snappe et al., 2010). D’un point de vue structural, les acides gras constituant les triglycérides sont très variés. On distingue ainsi :
- Les acides gras saturés, à dominance de nombre pair de carbone, qui représentent à eux seuls près de la moitié des acides gras totaux du lait;
- Les acides gras mono-insaturés, parmi lesquels, l’acide oléique est considéré comme le plus abondant avec 25 à 30 % (p/p) de la totalité des acides gras. L'acide linoléique (C18:2), quant à lui, n’est retrouvé qu'à raison de 2 % (p/p);
Les acides gras polyinsaturés existent dans le lait en faible pourcentage comparativement aux autres constituants de la matière grasse (< 8 % p/p). Il en découle que les acides gras
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essentiels sont peu représentés dans le lait de vache (de l’ordre de 3 % p/p) (Courtet-Leymarios, 2010). La matière grasse est contenue dans des globules gras ou gouttelettes lipidiques enrobées d’une enveloppe protectrice (Danthine et al., 2000). Leur exocytose depuis les cellules épithéliales vers la lumière de la glande mammaire entraîne la formation d’une membrane constituée essentiellement par des protéines glycolysées (Mather, 2000).
1.2 Concentration du lait
Le lait, constitué de plus de 87 % d’eau est extrêmement périssable. Transporter du lait de la ferme laitière vers l’usine de transformation est en grande partie équivalent à transporter de l’eau (Vissers and Driehuis, 2009). Ainsi, pour une utilisation postérieure du lait dans le thé et dans le café, sous forme de lait liquide après dilution, une partie de l’eau doit être éliminée par concentration (Dickey et al., 1995). L’élimination de l’eau qui entraîne aussi une diminution de l’activité de l’eau minimise la croissance des micro-organismes et améliore la conservation des constituants. Lorsque la production dépasse la demande immédiate, le lait écrémé est concentré pour le stockage à froid à court terme ou transformé en poudre pour un stockage non réfrigéré à plus long terme. Après concentration du lait, les coûts d'emballage, de stockage de manutention et d'expédition sont remarquablement réduits (Garg et al., 2009). Il existe trois procédés habituellement utilisés pour concentrer du lait. Ce sont l’évaporation sous vide, l’osmose inverse et la cryoconcentration (Miyawaki et al., 2005).
1.2.1 Concentration par évaporation
Parmi les trois méthodes utilisées pour concentrer une solution liquide, l’évaporation est non seulement la première technologie, mais la plus utilisée dans l’industrie alimentaire. Théoriquement, l'évaporation est un processus qui sépare les substances en utilisant de l'énergie thermique. Ainsi, par évaporation, la concentration de la solution ciblée augmente en raison de la séparation du composant volatil tel que l'eau de la solution mère (Monceaux and Kuehner, 2009). Dans le domaine alimentaire, l’évaporation est utilisée pour la concentration du produit, la réduction du volume ou pour la récupération de l’eau/solvant (Bimbenet et al., 2007). La principale exigence dans le domaine de la technologie d'évaporation est de maintenir la qualité du liquide pendant
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l'évaporation et d'éviter d'endommager le produit. Cela peut exiger que le liquide soit exposé à la température d'ébullition la plus faible possible pendant la plus courte période de temps. Cependant, cette méthode nécessite une grande quantité d'énergie (2326 kJ/kg) pour vaporiser l'eau afin de concentrer la solution (Hunter and Hayslet, 2002). Afin de réduire la consommation d'énergie et l'impact environnemental, il est important que les évaporateurs fonctionnent à leur capacité maximale, ce qui dépend fortement du coefficient global de transfert de chaleur. Ce paramètre ne peut être considéré comme une caractéristique intrinsèque de l'évaporateur, car il dépend aussi de la nature du produit et de ses conditions d'écoulement (Mafart, 1991). Dans l'industrie laitière, l'évaporation sous vide est utilisée pour la production finale de différents produits laitiers comme le lait condensé sucré et le lait évaporé (Gänzle et al., 2008) et des produits intermédiaires (préparations pour nourrissons, poudres de lactosérum et de babeurre et des poudres de lait) (Bimbenet et al., 2007; Schuck, 2002). Cependant, malgré les coûts d’investissement considéré comme les plus bas et la plus haute concentration pouvant être obtenue, l’évaporation du lait fournit non seulement un produit dont la qualité est la plus basse, mais aussi la qualité de la séparation liquide/soluté reste discutable dans certains cas. En fait, de grands changements de propriétés du lait se produisent pendant le traitement par évaporation, essentiellement en raison du traitement thermique qui est impliqué, ce qui atténue la valeur nutritive du lait évaporé par rapport au lait entier frais. Walstra et al. (2006) ont indiqué que la valeur nutritive du lait évaporé peut être considérablement diminuée par rapport à celle du lait ordinaire. Le même traitement thermique est considéré comme le principal responsable du développement de la saveur caramélisée et le changement de couleur du lait évaporé (Walstra et al., 2006). Un arôme et une couleur indésirables pourraient également être prolongés pendant le stockage, en particulier à haute température (dans les pays chauds). Les pertes de produits pendant l’évaporation sont causées par la formation de mousse, due aux protéines et au lactose qui sont présents dans le lait. Cela provoque une séparation inefficace de la vapeur et la qualité du concentré est ainsi atténuée, c’est-à-dire par entraînement d’une fine brume de concentré se retrouvant dans la vapeur pendant l'ébullition à température élevée (Fellows, 2009).
14 1.2.2 Concentration par osmose inverse
L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par perméation à travers des membranes semi-sélectives sous l'effet d'un gradient de pression. La solution liquide est pompée dans la membrane semi-perméable et la séparation des substances se produit en fonction de la différence de taille ou de pression osmotique des composants dans la solution (Rodriguez et al., 2000). L’efficacité de cette opération est fonction de la pression appliquée par rapport à la pression osmotique. Elle dépend également des propriétés intrinsèques des membranes d’osmose inverse utilisées. Une bonne membrane laisse passer la majeure partie de l’eau (solvant) et conserve tous les solides et composés volatils. Malheureusement, ce n'est pas toujours le cas. Certaines membranes d'osmose inverse laissent passer des molécules telles que les sucres, les acides aminés libres et les vitamines solubles dans l'eau. En outre, les membranes d'osmose inverse sont soumises à l'encrassement. Ce phénomène est responsable de la diminution de l'efficacité du procédé de séparation et nécessite des arrêts périodiques pour le nettoyage des membranes. Cependant, il convient de noter que l'osmose inverse est très efficace du point de vue énergétique (Dova et al., 2007) par rapport à l'évaporation, car il n'y a pas de changement de phase pendant le processus (Rodriguez et al., 2000). L’osmose inverse facilite la séparation des composants avec une large gamme de granulométrie, ce qui fait qu’il trouve une large gamme d’application dans l’industrie alimentaire (Le et al., 2014). Par contre, le problème de colmatage et d'encrassement qui se produit toujours dans l’osmose inverse pourrait réduire la durée de vie de la membrane elle-même (Okawa et al., 2009); ce qui affecterait plus tard l'efficacité globale et la capacité de séparation du processus. Un autre inconvénient majeur de l’osmose inverse (RO) est sa capacité limitée à atteindre la concentration de produits standard générés par évaporation en raison de la forte pression osmotique requise. La pression osmotique doit être surmontée pour produire de l'eau pure (perméat). De ce fait, ce procédé nécessite certainement un coût d'entretien élevé, en particulier pour le conditionnement et le remplacement de la membrane ainsi que pour la réalisation de la pression osmotique nécessaire (Ho and Sirkar, 1992). Comme la pression osmotique est inversement proportionnelle au poids moléculaire du soluté, les petites composantes moléculaires contribuent davantage à la pression osmotique que les grandes (El-Gazzar and Marth, 1991). En termes d’applications en industrie laitière, certains
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travaux n'ont rapporté aucune différence significative dans les propriétés des poudres de lait faites à partir de lait concentré initialement par osmose inverse par rapport à celles préparées de manière traditionnelle par évaporation sous vide utilisé comme étape de préparation avant le séchage par atomisation. Dans d’autres études, Abbot et al. (1979) et Syrios et al. (2011) ont rapporté une comparaison des processus d’ultrafiltration (UF), de nanofiltration (NF) et d’osmose inverse (RO) utilisés pour la concentration du lait écrémé avant son séchage par atomisation. Dans ces travaux, les auteurs ont constaté que le prétraitement par osmose inverse donnait une rétention maximale de calcium dans la poudre et une réduction du pH du rétentat ainsi que celui de la poudre reconstituée (Syrios et al., 2011).
1.2.3 Cryoconcentration
Avec une qualité du produit généralement plus élevée à cause de la basse température utilisée et l’opération sans interférence vapeur-liquide, la cryoconcentration constitue une alternative à l’évaporation et à l’osmose inverse pour la concentration de nombreux aliments liquides, y compris le lait et ses dérivés (Hartel and Espinel, 1993).
1.2.3.1 Définition et historique
La cryoconcentration est un phénomène naturel de séparation qui se produit pendant le gel et le dégel d’une solution aqueuse préalablement congelée afin d’obtenir une phase plus concentrée que la solution de départ. Cette technique totalement naturelle ne date pas d’hier. En 1970, Thijssen publiait le premier article sur les procédés de concentration des aliments liquides contenant des arômes et des arômes volatils en mettant en exergue la cryoconcentration (Thijssen, 1970). En 1972, Huige a travaillé sur la nucléation et la croissance de cristaux de glace dans des solutions aqueuses sucrières (Huige, 1972). En 1977, Thijssen a mentionné la cryoconcentration comme alternative pour la récupération des arômes dans des aliments liquides de faible concentration en arômes (Thijssen and Oyen, 1977). En 1986, Maria Lorgna a décrit une méthode pour purifier l’eau de mer et l’eau impure par congélation puis fusion de la glace en observant le phénomène naturel à la surface des océans, des lacs et des baies des régions froides. À la même année, elle publia son premier article sur le dessalement de l’eau de mer par
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congélation-décongélation (Nebbia and Menozzi, 1968). En 1984, Deshpande et al. (1984) ont utilisé la cryoconcentration pour concentrer le jus de fruits. En 1990, la première utilisation de la cryoconcentration sur le lait écrémé a été effectuée (Van Mil and Bouman, 1990).
1.2.3.2 Principe et techniques
La cryoconcentration est l’opération qui consiste à abaisser la température d’une solution aqueuse en dessous de son point de congélation permettant à une proportion de l’eau libre de former des cristaux de glace, suivie d’une décongélation ou une séparation des cristaux purs de la partie concentrée. Selon Aider et al. (2009a), pendant la congélation pour une cryoconcentration, il existe trois mécanismes de base pour la formation de cristaux de glace dans les solutions aqueuses, y compris le lait et ses dérivés.
- Le premier est la cristallisation de la suspension (Hartel and Espinel, 1993; Huige, 1972), constituant la phase initiale de la formation de noyaux de glace ( nucléation), également appelée la cristallisation, suivie d'une deuxième phase qui implique la croissance des noyaux de glace dans la solution. La nucléation implique l’association des molécules d’eau pour former un réseau cristallin lorsqu’une force motrice nécessaire est atteinte; c’est-à-dire quand la température sera inférieure au point de fusion (Dogan et al., 2007).
- Le second mécanisme est la cristallisation de l'eau présente dans la solution sous la forme d'une couche de glace sur une surface froide (couche de cristallisation) (Müller et Sekoulov, 1992; Flesland, 1995). Ainsi, la couche de glace va croitre à mesure qu’on diminue la chaleur à travers la surface froide et la couche de glace. La solution concentrée va ainsi couler hors de la surface froide. Cependant, le coefficient de partage des solutés entre le liquide et la glace est assez élevé dans un tel système, ce qui entraine des pertes considérables des solides dans la glace (Dogan et al., 2007).
- Le troisième mécanisme, connu sous le nom de cristallisation en bloc, qui se produit quand la solution liquide est complètement congelée et que la température au centre du produit est largement au-dessous du point de congélation.
Sur la base de ces trois mécanismes de cristallisation de la glace, trois techniques de cryoconcentration ont été développées: la cristallisation par suspension (Chen et al., 1998;
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Sánchez et al., 2011a), la congélation progressive (Miyawaki et al., 2005), et la congélation en bloc (Aider and Ounis, 2012; Nakagawa et al., 2009).
1.2.3.3 Concentration par cristallisation en suspension
La cryoconcentration par suspension est un procédé qui produit de nombreuses petites particules de glace mises en suspension dans la solution mère. Elle est caractérisée par la génération d’une distribution de taille relativement homogène suite à une cristallisation isotherme (Jusoh et al., 2009). Cette technologie de concentration est basée sur la cristallisation, la croissance et la séparation des cristaux de glace (Sánchez et al., 2009). Le système est composé d'un échangeur de chaleur à raclage de surface pour la production de morceaux de glace, un re-cristallisateur pour la croissance des cristaux de glace et une tour de lavage pour la séparation de cristaux de glace de la solution-mère (Miyawaki et al., 2005; Van Nistelrooij, 2005) (Figure 1.4). Après un petit temps de séjour et un sur-refroidissement, des petits cristaux de glace sont formés dans l’échangeur de chaleur après avoir été pompés du réservoir d’alimentation. Ce flux de sortie contenant des petits cristaux de glace est introduit dans le recycleur où ils sont mélangés avec de plus grands cristaux, ce qui entraine une augmentation de la taille des grands cristaux et facilité la dissolution des petits cristaux (Huige, 1972). La croissance cristalline a lieu dans le re-cristallisateur par effet de Gibbs-Thompson (Roos et al., 2003). L’effet de Gibbs-Thompson est l'un des mécanismes de recristallisation qui peut conduire à des changements dans la distribution de la taille des cristaux (Pronk et al., 2005). A partir du re-cristallisateur, l’écoulement en suspension est transporté vers un dispositif de séparation
(composé de presses, de centrifugeuses et de colonnes de lavage) où les cristaux de glace
sont séparés du liquide concentré (Lorain et al., 2001). Malgré l’efficacité de cette méthode, l’échangeur de chaleur à surface raclée consomme, à lui seul, environ 30 % des coûts d’énergie totale associée au procédé. Aussi, il est difficile de séparer les cristaux de glace du liquide concentré en raison de sa grande surface. Par conséquent, cette méthode est l’une des plus coûteuses parmi les méthodes utilisées en cryoconcentration, ce qui rend son applicabilité limitée (Pradistsuwana et al., 2003).
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Figure 1.4: Schématique d’un processus de cryoconcentration à un seul cycle (Best and Vasavada, 1993; Village, 1993)
1.2.3.4 Concentration par congélation progressive
La concentration par congélation progressive est basée sur un concept complètement différent du processus de congélation par cristallisation en suspension (Gu et al., 2008; Liu et al., 1997). La Figure 1.5 montre la comparaison du système de congélation par suspension (a) et congélation progressive (b). La cryoconcentration par congélation progressive est basée sur une production progressive (couche à couche) de cristaux de glace sur une surface refroidie jusqu’à la formation d’une grosse structure de glace monocristalline (Miyawaki et al., 1998). La particularité de ce procédé est la formation d’un seul grand cristal de glace au lieu d'un grand nombre de petits cristaux de glace comme dans le procédé de cristallisation en suspension, de sorte que la séparation entre les cristaux de glace et la solution mère devient très facile (Miyawaki et al., 2005). En outre, l’efficacité de cette technique diminue en fonction du taux de croissance de la glace, mais la pureté de la glace produite est très élevée et le coût de l’entretien est beaucoup réduit (Jusoh et al., 2009). Dans certains systèmes de cryoconcentration par
