© Marie-Pierre Gauvin, 2020
Compréhension de l'impact des constituants du
babeurre sur l'aptitude à la fabrication fromagère du lait
Thèse
Marie-Pierre Gauvin
Doctorat en sciences et technologie des aliments
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Compréhension de l’impact des constituants du
babeurre sur l’aptitude à la fabrication fromagère du
lait
Thèse
Marie-Pierre Gauvin
Sous la direction de :
Yves Pouliot, PhD, directeur de recherche
Michel Britten, PhD, codirecteur de recherche
ii
Résumé
Malgré une composition très similaire à celle d’un lait écrémé, le babeurre présente une aptitude à la coagulation par la présure inférieure ce qui limite son utilisation en fromagerie. L’étape d’agrégation des micelles de caséine par la présure est notamment gouvernée par des interactions hydrophobes. Or, les composantes issues de la membrane du globule gras du lait (MFGM), retrouvées dans le babeurre, sont reconnues pour leurs propriétés tensioactives. Par conséquent, elles pourraient interférer dans le processus de coagulation du lait.
Dans le cadre des travaux de cette thèse, les constituants du babeurre ont été séparés par centrifugation en différentes fractions. La composition de ces fractions a été analysée et leur impact sur la coagulation des micelles de caséines par la présure a été mesuré. Une attention particulière a été portée à la phase d’agrégation des micelles de caséine.
Dans le premier travail présenté, la phase soluble du babeurre a été séparée en trois fractions différenciées par leur contenu en protéines et en matières grasses. L’étude de ces trois fractions a permis de conclure que des particules, probablement constituées de fins globules de gras et des fragments membranaires de densité élevée, nuisent à l’agrégation et à la coagulation des micelles de caséine emprésurées.
La présence de caséine micellaire résiduelle dans cette phase soluble a toutefois limité l’interprétation de certains résultats. Par conséquent, pour l’étude présentée au chapitre suivant, le citrate de sodium a été utilisé afin de dissocier cette caséine. Des fragments de MFGM ont ensuite été récupérés par ultracentrifugation (100 000 x g). Contrairement aux composantes précédemment isolées, leur impact sur le processus d’agrégation des micelles de caséine emprésurées a été peu important, bien qu’un effet négatif ait été observé sur la coagulation. D’autres expérimentations seront donc nécessaires afin de mieux comprendre le mécanisme d’interférence à la coagulation de ces composantes.
En marge de ces études, les propriétés fromagères d’un babeurre ont été comparées à celles d’un concentré de protéines du lactosérum dénaturé (WPC-D). Comparativement à cet ingrédient largement utilisé en fromagerie industrielle, le babeurre utilisé a permis l’obtention de gels plus fermes, plus rapidement, et a limité la rétention d’humidité dans les fromages. La récupération des protéines et des lipides dans les caillés a également été supérieure en présence de babeurre que du WPC-D. L’impact des fractions solubles de ces ingrédients a été évalué et s’est révélé négligeable. Ceci suggère que, dans cette étude, les effets observés du babeurre sont principalement attribuables à son contenu en caséine. La dénaturation thermique du babeurre, du concentré de protéines du lactosérum (WPC) ou d’une combinaison de ces deux produits en condition acide (pH 4.6) a également été testée et a permis d’accroître la rétention protéique dans les
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fromages, mais le babeurre utilisé seul (traité thermiquement ou non) demeure l’ingrédient permettant la meilleure récupération des constituants tout en limitant le gain d’humidité.
En conclusion, la centrifugation du babeurre sous différentes conditions a permis d’obtenir des fractions différenciées et d’évaluer leur impact sur la coagulation des micelles de caséine par la présure et plus particulièrement sur la phase d’agrégation. Certaines composantes de la phase soluble (fins globules et fragments membranaires de haute densité) nuisent à l’agrégation des micelles de caséines emprésurées, alors que des fragments isolés à la suite d'un traitement de dissociation au citrate de sodium interfèrent dans le processus de coagulation via d’autres mécanismes non encore élucidés. Néanmoins, la contribution de la caséine micellaire contenue dans le babeurre dans la formation et les propriétés des gels présure demeure importante, ce qui le distingue d’un WPC dénaturé.
iv
Abstract
Buttermilk composition is very similar to that of skim milk, but its rennet coagulation ability is inferior, limiting its use in cheesemaking. The casein micelle aggregation step upon renneting is partly governed by hydrophobic interactions. Milk fat globule membrane (MFGM) components are known for their surfactant properties. These components may therefore interfere in rennet coagulation of milk.
As part of the work done for this thesis, buttermilk constituents were fractionated using centrifugation. The composition of these fractions was analysed and their impact on rennet coagulation properties of casein micelles was determined. Special attention was accorded to the casein micelles aggregation step.
In the first work presented, buttermilk serum phase was separated in three fractions differentiated by their protein and fat contents. The study of these fractions allowed concluding that particles, likely composed of fine fat globules or high density membrane fragments impede with rennet aggregation and coagulation of casein micelles.
However, the presence of residual casein micelles in this serum phase limited the interpretation of some results. Consequently, for the second study presented, sodium citrate was used to dissociate these casein micelles. MFGM fragments were then recovered using ultracentrifugation (100,000 x g). In contrary to the components isolated in the first study presented, the impact of these MFGM fragments on rennet aggregation of casein micelles was negligible, despite a negative impact observed on rennet gel formation. More investigations will be needed to fully understand the mechanism underlying this interference to rennet coagulation.
In the third study presented, the cheesemaking properties of buttermilk were compared to those of a denatured whey protein concentrate (WPC-D). Compared to this ingredient largely used in industrial cheesemaking, buttermilk allowed to obtain firmer rennet gels, more rapidly, and restrained the moisture retention in cheeses. The protein and fat recovery was also higher with buttermilk compared to WPC-D. The impact of the serum fraction of these ingredients was also evaluated, but it was negligible. This suggests that the impact of buttermilk on cheesemaking was mostly determined by its casein content. The effect of thermal denaturation in acidic condition (pH 4.6) of buttermilk, of whey protein concentrate or of a combination of both ingredients was also tested. The results showed a better protein recovery for all the ingredients and parameters tested. However, buttermilk used alone, heated or not, was the ingredient that allowed the best protein and fat recoveries while limiting moisture pickup.
v
In conclusion, the centrifugation of buttermilk under different conditions allowed obtaining different fractions and evaluating their impact on rennet induced aggregation and coagulation properties of casein micelles. Some components of buttermilk serum phase (fine fat globules and high density MFGM fragments) impede the aggregation of renneted casein micelles. Other fragments isolated following sodium citrate dissociation of the casein micelles interfered with rennet induced coagulation by another mechanism which remains to be elucidated. However, the contribution of buttermilk casein micelles in rennet gel formation and properties remains important which distinguish it from a denatured WPC.
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Table des matières
Résumé ... ii
Abstract ... iv
Table des matières ... vi
Liste des tableaux ... ix
Liste des figures ... xi
Liste des équations ... xii
Liste des abréviations et des sigles ... xiii
Remerciements ... xvi
Avant-propos ... xvii
Introduction ... 1
Chapitre 1 Revue de littérature ... 3
1.1. Le babeurre ... 3
1.1.1. Procédé de fabrication du beurre et obtention du babeurre ... 3
1.1.2. Composition du babeurre ... 4
1.2. La membrane du globule gras du lait ... 6
1.2.1. Structure et composition de la membrane du globule gras du lait ... 7
1.2.2. Impact des traitements thermiques du lait sur la composition de la MFGM ... 10
1.2.3. Impact des traitements mécaniques sur la composition de la MFGM... 12
1.2.4. Isolement des composantes de la membrane du globule gras du lait à partir du babeurre .... 13
1.3. Utilisation du babeurre en fromagerie ... 14
1.3.1. Impact du babeurre sur la coagulation du lait par la présure et propriétés des gels ... 14
1.3.2. Impact du babeurre sur les rendements et la composition des fromages... 15
1.3.3. Impact du babeurre sur la qualité des fromages... 18
1.4. La coagulation du lait par la présure ... 19
1.4.1. Micelles de caséine et phases de la coagulation du lait par la présure ... 19
1.4.2. Impact des traitements thermiques du lait sur son aptitude à la coagulation par la présure .. 21
1.4.3. Impact des traitements mécaniques du lait sur son aptitude à la coagulation par la présure . 22 1.5. Synthèse et ouverture ... 23
Chapitre 2 Hypothèse, but et objectifs ... 25
2.1. Hypothèse ... 25
vii
2.3. Objectifs ... 25
Chapitre 3 Characterization of buttermilk serum fractions and their effect on rennet-induced coagulation of casein micelle dispersions ... 26
3.1. Résumé ... 26
3.2. Abstract ... 27
3.3. Introduction ... 28
3.4. Material and methods ... 28
3.4.1. Preparation and fractionation of BM and SM sera ... 28
3.4.2. Compositional analysis and characterization of the fractions ... 30
3.4.3. Casein micelle dispersion ... 30
3.4.4. Aggregation kinetics ... 31
3.4.5. Coagulation kinetics... 32
3.4.6. Curd moisture retention ... 32
3.4.7. Statistical analysis ... 32
3.5. Results and discussion ... 33
3.5.1. Characterization of the BM and SM fractions ... 33
3.5.2. Impact of serum fractions on rennet gel formation... 38
3.5.3. Impact of fractions on rennet gel moisture after cooking ... 41
3.6. Conclusion ... 43
3.7. Acknowledgements ... 43
Chapitre 4 Rennet coagulation properties of milk in the presence of proteins isolated from raw and pasteurized cream buttermilk ... 44
4.1. Résumé ... 44
4.2. Abstract ... 45
4.3. Introduction ... 46
4.4. Material and methods ... 47
4.4.1. Buttermilk and skim milk ... 47
4.4.2. Isolation of MFGM fragments ... 47
4.4.3. Compositional analyses ... 47
4.4.4. Dispersion of MFGM isolates in reconstituted skim milk ... 48
4.4.5. Aggregation kinetics of casein micelles in presence of MFGM fragments ... 48
4.4.6. Coagulation kinetics of casein micelles in presence of MFGM fragments ... 49
4.4.7. Gel syneresis ... 49
viii
4.5. Results and discussion ... 50
4.5.1. Composition and characterization of buttermilk and skim milk isolates ... 50
4.5.2. Aggregation kinetics in diluted condition ... 54
4.5.3. Coagulation kinetics... 54
4.5.4. Contraction capacity of rennet gels ... 56
4.6. Conclusion ... 57
4.7. Acknowledgements ... 57
Chapitre 5 Comparison of whey and buttermilk ingredients on cheese making attribute of milk ... 59
5.1. Résumé ... 59
5.2. Abstract ... 60
5.3. Introduction ... 61
5.4. Material and methods ... 62
5.4.1. Ingredients preparation ... 62
5.4.2. Composition and water holding capacity ... 62
5.4.3. Experimental milk formulation ... 63
5.4.4. Coagulation kinetics... 63
5.4.5. Gel texture ... 63
5.4.6. Lab-scale model cheeses ... 64
5.4.7. Statistical analysis ... 65
5.5. Results and discussion ... 65
5.5.1. Ingredients characterisation ... 65
5.5.2. Coagulation kinetics... 67
5.5.3. Gel texture ... 68
5.5.4. Lab-scale cheese manufacture ... 69
5.6. Conclusion ... 71
5.7. Acknowledgements ... 72
Conclusion générale ... 73
Importance et contribution originale des travaux ... 74
Perspectives ... 75
ix
Liste des tableaux
Tableau 1.1 : Principales protéines de la membrane du globule gras du lait d'après Mather (2000, 2011) ... 8 Tableau 1.2 : Proportions relatives des lipides polaires dans sur les lipides polaires totaux, selon les données générées et répertoriées par Fong, Norris et al. (2007), Dewettinck, Rombaut et al. (2008), Danthine, Blecker et al. (2000) ... 9 Tableau 1.3 : Impact de l’ajout de solides du babeurre sur la rétention des constituants du lait et la composition des fromages ... 17 Table 3.1 : Lipid, phospholipid (PL) and Calcium (Ca) content of buttermilk (BM) and skim milk (SM) fractionsa
... 35 Table 3.2 : Apparent diameter (Z-Ave) and polydispersity index (PdI) of particles in buttermilk (BM) and skim milk (SM) fractions determined by dynamic light scattering.a ... 37
Table 3.3 : Main effect of fractions on the lag time and main effect of substrates on the aggregation rate of renneted casein micelle dispersions as measured by the change in Z-average diameter.a ... 38
Table 3.4 : Effect of buttermilk and skim milk fractions on the coagulation kinetics parameters of renneted casein micelle dispersions as measured by the change in optical density.a ... 39
Table 3.5 : Effect of buttermilk (BM) and skim milk (SM) fractions on the coagulation kinetics parameters of renneted casein micelle dispersions as measured by the change in storage modulus G′.a ... 40
Table 3.6 : Effect of buttermilk (BM) and skim milk (SM) fractions on the moisture of rennet gels containing after 80 min of cooking at 42 °C.a ... 42
Table 4.1 : Protein concentration and molecular weight distribution† in raw-cream buttermilk (RCB),
pasteurized-cream buttermilk (PCB), and raw skim milk (RSM) (n = 4) ... 50 Table 4.2 : Composition of milk fat globule membrane (MFGM) isolates from raw-cream buttermilk (RCB), pasteurized-cream buttermilk (PCB), and raw skim milk (RSM) (n = 4) ... 51 Table 4.3 : Lag time1 and aggregation rate2 of renneted micelles in the presence of raw-cream buttermilk
(RCB), pasteurized-cream buttermilk (PCB), and raw skim milk (RSM) isolates (n = 4) ... 54 Table 4.4 : Coagulation kinetics parameters obtained by optical density measurements of reconstituted skim milk and milk protein concentrate (3.5% protein) in the presence of raw-cream buttermilk (RCB), pasteurized-cream buttermilk (PCB), and raw skim milk (RSM) isolates at the concentration initially found in their respective substrate (n = 4) ... 55 Table 4.5 : Syneresis, curd moisture, and protein retention after 80 min of cooking at 42 °C in the presence of raw-cream buttermilk (RCB), pasteurized-cream buttermilk (PCB), and raw skim milk (RSM) isolates (n = 4) 56
x
Table 5.1 : Whole and soluble protein and calcium contents and water holding capacity of whey and buttermilk protein ingredients (n=3) ... 66 Table 5.2 : Effect of whey and buttermilk protein ingredients on the fracture properties of rennet-induced milk gels (n=3) ... 68 Table 5.3 : Effect of whey and buttermilk protein ingredients on model cheese yield and composition (n=3) .. 70
xi
Liste des figures
Figure 1.1 : Représentation de la structure de la membrane du globule gras du lait. Figure tirée de Dewettinck, Rombaut et al. (2008) ... 7 Figure 3.1 : Serum separation after centrifugation (31,000 × g, 60 min, 34 °C). The following fractions were collected: 1, low-density opalescent; 2, clear; 3, high-density opalescent. Whole serum (corresponding to the combination of the 3 fractions) was also collected. ... 29 Figure 3.2 : Example of an aggregation kinetics profile used to determine the time when ΔDapp = 50 nm (a) and the aggregation rate (slope) measured between 100 and 300 nm (b). ... 31 Figure 3.3 : SDS-PAGE profile of buttermilk and skim milk serum fractions: lane 1, low-density opalescent; lane 2, clear; lane 3, high-density opalescent; lane 4, whole serum fraction. Protein classes were defined as follows: whey proteins (<20 kDa); caseins (20–35 kDa) and milk fat globule membrane (MFGM) proteins (>35 kDa). ... 33 Figure 3.4 : Protein composition of (a) buttermilk and (b) skim milk (■, MFGM; ■, casein; □, whey protein): WS, whole serum; HDO, high-density opalescent; CL, clear; LDO, low-density opalescent. ... 34 Figure 3.5 : Concentration of milk fat globule membrane components (□ phospholipids; ■, MFGM proteins) in (a) buttermilk and (b) skim milk: WS, whole serum; HDO, high-density opalescent; CL, clear; LDO, low-density opalescent. ... 36 Figure 4.1 : Sodium dodecyl sulfate–polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) profiles of raw skim milk (RSM), raw-cream buttermilk (RCB), and pasteurized-cream buttermilk (PCB). Whey proteins, <20 kDa; caseins, 20–35 kDa; milk fat globule membrane proteins, >35 kDa. MW, molecular weight ... 53 Figure 4.2 : Sodium dodecyl sulfate–polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) profiles of raw-cream buttermilk (RCB), pasteurized-cream buttermilk (PCB), and raw skim milk (RSM) isolates. Whey proteins, <20 kDa; caseins, 20–35 kDa; milk fat globule membrane (MFGM) proteins, >35 kDa. MW, molecular weight ... 53 Figure 4.3 : Rheological coagulation kinetics in the presence of raw-cream buttermilk (RCB), pasteurized-cream buttermilk (PCB), and raw skim milk (RSM) isolates (n = 4). Gʹ, storage modulus ... 56 Figure 5.1 : Effect of whey and buttermilk protein ingredients on the kinetics of rennet-induced milk
coagulation: a. milk clotting lag time; b. maximum clotting rate. Values obtained with skim milk protein shown as dotted line (n=3) ... 67
xii
Liste des équations
Equation 4.1 : Calculation of protein recovery in the pellets ... 48
Equation 4.2 : Protein retention coefficient (Kp)... 50
Equation 5.1 : Protein or fat retention (Kp, Kf) in lab-scale model cheeses ... 64
xiii
Liste des abréviations et des sigles
ADPH Adipophiline (adipophilin)ANOVA Analyse de la variance (Analysis of variance) AOAC Association of Official Analytical Chemists BM Babeurre (Buttermilk)
BTN Butyrophiline (Butyrophilin) CL [Fraction] Claire (Clear)
CMP Caséinomacropeptide
Dapp Diamètre apparent
FABP Fatty acid binding protein
G’ Module de conservation (Storage modulus)
HDO [Fraction] Opalescente de haute densité (High density opalescent) Kf Coefficient de rétention du gras (Fat retention coefficient)
Kp Coefficient de rétention des protéines (Protein retention coefficient) LDO [Fraction] Opalescente de faible densité (Low density opalescent) MFGM Membrane du globule gras du lait (Milk fat globule membrane) MPC Concentré de protéine du lait (Milk protein concentrate)
MUC Mucine (Mucin)
MW Poids moléculaire (Molecular weight)
OCDE Organisation de coopération et de développement économiques OD Densité optique (Optical density)
PAS 6/7 Periodic acid Schiff 6 & 7
PCB Babeurre de crème pasteurisée (Pasteurized cream buttermilk) PdI Indice de polydispersité (Polydispersity index)
xiv
RCB Babeurre de crème crue (Raw cream buttermilk) RSM Lait écrémé cru (Raw skim milk)
SDS-PAGE Électrophorèse sur gel de polyacrylamide avec sodium dodécyl sulfate (Sodium
dodecyl-sulfate polyacrylamid gel electrophoresis)
S.E. Erreur standard (Standard error) SM Lait écrémé (Skim milk)
Tlag Temps de latence ( de coagulation ou agrégation) (Lag time) Vmax Vitesse maximale (de coagulation)
WHC Capacité de rétention d’eau (Water holding capacity) WP Protéines du lactosérum (Whey proteins)
WP/BM Mélange de protéines du lactosérum et du babeurre 1 :1 (Whey-buttermilk protein 1 :1 blend) WPC-D Concentré de protéines de lactosérum dénaturées (Denatured whey protein concentrate) XO/XDO Xanthine oxydase/deshydrogénase (Xanthine oxydase/deshydrogenase)
Z-Ave Diamètre de particule moyen sur base d’intensité obtenu par diffusion dynamique de la lumière (Z-Average)
xv
“Only when we are brave enough to explore the darkness will we discover the infinite power of our light.”
xvi
Remerciements
C’est avec grande émotion que je parviens à l’écriture de ces remerciements. Mon parcours doctoral m’a permis de me développer sur les plans professionnel et personnel comme jamais je n’aurais pu m’en douter au départ.
Tout d’abord, je tiens à remercier les organismes suivants pour leur appui financier sans lequel tout cela n’aurait pu être possible : le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (CRSNG), le Ministère de l’Agriculture, des pêcheries et de l’alimentation du Québec (MAPAQ), le Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT), Novalait inc. et la Commission canadienne du lait.
Cela n’aurait pas non plus été possible sans le support indéfectible de mon directeur de recherches, le Dr Yves Pouliot, et de mon co-directeur, le Dr Michel Britten. Yves, merci pour ta confiance, ton empathie et ton ouverture d’esprit. Michel, merci aussi pour ta confiance et pour ta disponibilité exceptionnelle. Je garderai toujours en mémoire nos discussions, nos « buffets » d’idées, desquels je ressortais avec le goût de tout faire, tant tout était intéressant.
Je tiens également à remercier le Dr Jean-Christophe Vuillemard d’avoir accepté de faire la pré-lecture de ma thèse. Merci pour ton intérêt porté à mon travail et pour tes commentaires. J’aimerais aussi remercier le Dr Guillaume Brisson et la Dre Marie-Claude Gentes d’avoir accepté d’évaluer cette thèse.
La partie expérimentale de mon travail de doctorat a été réalisée au Centre de recherche et de développement sur les aliments de Saint-Hyacinthe. Dans ce milieu, j’ai été extrêmement bien entourée par des personnes hautement qualifiées en recherche dans le domaine laitier : Hélène Giroux, Nathalie Rémillard, Sophie Lamothe, Annie Caron et Sophie Turcot. Merci également à mes trois stagiaires avec qui j’ai eu beaucoup de plaisir à travailler : Julie Veilleux, Dilek Yilmaz et Andréanne Lemay.
L’expérience du doctorat a représenté pour moi un très grand défi sur le plan personnel. Merci à ma famille, ma mère Denise, mes frères Patrick et Bernard, d’avoir cru en moi. Merci à mon oncle Simon pour le partage de ton expérience doctorale. Merci à mes amis et mes collègues de travail pour votre support moral. J’aimerais également remercier Saputo qui, en tant qu’employeur, m’a permis de prendre le temps de me consacrer à la rédaction de ma thèse en fin de parcours, à un moment où j’en avais grandement besoin. Merci à Anne-Josée, ma psychologue, qui m’a permis de comprendre tant de choses et de grandir dans cette épreuve. Finalement, merci infiniment à mon conjoint Jean-François qui a été à mes côtés tout ce temps, de jour comme à 3h du matin, heure que nous appelons désormais avec humour « l’heure maudite », à laquelle tous les questionnements et tous les doutes surgissent. Merci, Jean-François, pour ton soutien inconditionnel.
xvii
Avant-propos
La présente thèse est divisée en 7 sections. La première consiste en une introduction générale des recherches, leur contexte et la problématique. La deuxième, correspondant au chapitre 1, est une revue de littérature présentant l’état actuel des connaissances touchant les thèmes abordés dans la thèse soit le babeurre, les constituants de la membrane du globule gras du lait, l’aptitude fromagère du babeurre et la coagulation du lait par la présure. Au chapitre 2, l’hypothèse générale, le but et les objectifs du projet de recherche sont énoncés.
Les résultats du projet de recherche sont présentés aux chapitres 3, 4 et 5 et ont été rédigés sous forme d’articles à soumettre ou étant déjà publiés dans des revues scientifiques. Tous les articles ont été rédigés par l’auteure de cette thèse qui a planifié et exécuté les expériences de même qu’analysé les résultats. Les stagiaires Dilek Yilmaz, Andréanne Lemay et Julie Veilleux ont assisté l’auteure dans l’exécution des travaux de laboratoire qui sont présentés aux chapitres 3, 4 et 5 respectivement. Le directeur et le codirecteur de recherche, Dr Yves Pouliot Dr Michel Britten, ont supervisé les recherches, participé aux discussions lors de l’analyse des résultats et révisé les manuscrits.
Au chapitre 3, la phase soluble du babeurre a été séparée en trois fractions de compositions distinctes. La composition protéique, lipidique et minérale de ces fractions et leur impact sur la coagulation des micelles de caséine par la présure ont été déterminés. Ces travaux ont été publiés tels que présentés dans cette thèse dans l’International Dairy Journal (https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2017.08.006). Les résultats de ces travaux ont été présentés dans trois congrès scientifiques sous forme d’affiches : au Forum technologique Novalait (Drummondville, 28 mai 2014), au Colloque STELA (Québec, 1-2 juin 2015) et à l’International Congress on Engineering and Food (ICEF) (Québec, 14-18 juin 2015). L’auteure a d’ailleurs remporté le premier prix au concours d’affiches étudiantes dans le cadre de l’ICEF. Ce travail a également fait l’objet de présentations orales dans le cadre d’un séminaire de doctorat à l’automne 2014 et au concours de présentations étudiantes du Joint Annual Meeting (JAM) de l’American Dairy Science Association (ADSA) à Orlando (12-16 juillet 2015).
Le chapitre 4 présente l’étude de l’impact d’un isolat de fragments de membranes du globule gras de babeurres de crèmes crue ou pasteurisée sur la coagulation des micelles de caséine par la présure. Ces travaux ont été publiés tels que présentés dans cette thèse dans l’International Dairy Journal (https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2018.06.006). Les résultats de ces travaux ont également été présentés sous forme d’affiche au Forum Technologique Novalait (Drummondville, 1er juin 2016) et d’une présentation orale
xviii
Le chapitre 5 présente finalement la comparaison de l’aptitude fromagère d’un babeurre à celui d’un concentré de protéines du lactosérum ou du mélange de ces deux ingrédients. L’impact d’un traitement de dénaturation thermique à pH acide (4,6) de ces ingrédients a également été évalué. L’impact de la phase soluble de ces ingrédients sur l’aptitude à coaguler des laits a également été évalué. Les résultats de ce travail ont été présentés sous forme de deux affiches : une présentée au Forum Technologique Novalait (Drummondville, 29 mai 2012) et l’autre au Joint Annual Meeting (JAM) de l’American Dairy Science Association (ADSA) (Indianapolis, 8-12 juillet 2013). Ces résultats ont également fait l’objet d’une présentation orale dans le cadre du séminaire de maîtrise à l’Université Laval à l’automne 2012.
1
Introduction
La production mondiale de beurre se chiffre actuellement à près de 11 millions de tonnes par année (moyenne des années 2016-2018) (OCDE 2019). Cette production continue d’augmenter et devrait dépasser les 13 millions en 2028 (OCDE 2019). Lors du barattage de la crème, environ 50% de la masse de crème est récupérée sous forme de beurre. L’autre moitié est constituée du babeurre, la phase aqueuse libérée au moment de l’inversion de phases. Des quantités importantes de babeurre sont donc produites chaque année. Toutefois, ce produit demeure utilisé dans un nombre relativement limité d’applications alimentaires (p.ex. en boulangerie, pâtisserie, chocolaterie, boissons laitières au chocolat, crème glacée, fromage fondu) (CCL 2011). Il s’agit donc d’un produit qui gagne à être mieux compris et valorisé.
Le babeurre présente une composition ressemblant de près à celle d’un lait écrémé. Il contient typiquement entre 2,4 et 3,5% de protéines et entre 0,5% et 1,5% de matières grasses (Vanderghem, Bodson et al. 2010). La proportion de caséines par rapport aux protéines totales du babeurre est considérée comme comparable ou légèrement inférieure (75-85,5%) à celle du lait écrémé (80-84%) (Sodini, Morin et al. 2006, Morin, Pouliot et al. 2008). La principale différence est que le babeurre contient une concentration importante de composantes issues de la membrane du globule gras du lait (phospholipides, protéines membranaires) (Vanderghem, Danthine et al. 2007). En raison de cette ressemblance, le babeurre peut être ajouté dans le lait de fromagerie. Toutefois, les quantités pouvant être ajoutées demeurent limitées, car le babeurre présente une moins bonne aptitude à la coagulation par la présure que le lait écrémé (Morin, Pouliot et al. 2008) et entraîne notamment un gain d’humidité important dans les fromages (Poduval and Mistry 1999, Turcot, Turgeon et al. 2001, Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2006, Morin, Pouliot et al. 2008).
La faible aptitude à la coagulation du babeurre et la rétention d’eau importante dans les fromages sont presque systématiquement attribuées à la présence de composantes issues de la membrane du globule gras du lait (MFGM) (Poduval and Mistry 1999, Turcot, Turgeon et al. 2001, Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2006, Morin, Pouliot et al. 2008). En 2008, Morin et al. ont publié une étude démontrant que la pasteurisation de la crème avant son barattage avait un impact négatif sur l’aptitude fromagère du babeurre (coagulation, humidité). Ces auteurs ont observé des modifications au niveau des composantes de la MFGM causées par le traitement thermique de la crème et suggèrent que cela pourrait être une cause des effets négatifs observés avec le babeurre.
La coagulation du lait par la présure implique une phase d’agrégation des micelles de caséine qui est notamment gouvernée par des interactions de type hydrophobes (Dalgleish 1983). Les constituants issus de la membrane du globule gras, présents dans le babeurre, sont reconnus pour leurs propriétés tensioactives
2
(Singh 2006). Le babeurre pourrait donc nuire à la coagulation du lait en interférant dans la phase d’agrégation des micelles de caséine. Cependant, l’effet des composantes issues de la MFGM sur la coagulation présure a principalement été observé en utilisant le babeurre entier (concentré ou non). Par conséquent, l'impact des différents constituants du babeurre n’ont pas été déterminé.
Le but général de cette thèse est donc de préciser l’impact de différentes composantes du babeurre sur la coagulation des micelles de caséine par la présure. Pour ce faire, les différents constituants du babeurre ont été fractionnés par centrifugation selon une approche inspirée des travaux de Kethireddipalli et al. (2010) et de Perreault et al. (2017). L’originalité de ce travail réside dans le fractionnement des composantes du babeurre afin de mieux comprendre ce qui nuit à son aptitude à la coagulation par la présure.
3
Chapitre 1 Revue de littérature
1.1. Le babeurre
1.1.1.
Procédé de fabrication du beurre et obtention du babeurre
Le beurre est produit par barattage de la crème. Le babeurre est la phase aqueuse obtenue lors de l’inversion de phase de la crème en cours de barattage. La fabrication du beurre se divise en cinq étapes :
(1) Préparation de la crème
Le lait entier est d’abord préchauffé à une température pouvant atteindre jusqu’à 63°C (Bylund 2003) et est écrémé afin d’obtenir une crème dont la teneur en matière grasse est de l’ordre de 30-55% pour le barattage en batch ou de 38-42% pour le barattage en continu (Keogh 2006).
(2) Pasteurisation et dégazage de la crème
La crème est ensuite pasteurisée en utilisant des barèmes de traitement thermique de l’ordre de 85-110°C pendant 10 à 30 secondes (Keogh 2006, Mortensen 2011). Avant ou après avoir été pasteurisée, la crème peut être désaérée (processus appelé vacréation) afin d’éliminer certains composés volatils responsables d’arômes non souhaités. Pour ce faire, la crème est portée à une température de 78°C avant d’être soumise à un vide qui permet l’évaporation des saveurs et odeurs indésirables (Bylund 2003).
(3) Maturation physique de la crème
Après avoir été chauffée, la crème est soumise à un processus de maturation permettant la cristallisation partielle de la matière grasse. Des cycles de températures sont choisis afin d’optimiser le taux de matière grasse liquide qui doit se situer entre 65 et 90% de la matière grasse totale (Pointurier and Adda 1969). Un taux trop élevé engendre des pertes de matière grasse dans le babeurre, car les globules de gras ont plutôt tendance à être homogénéisés qu’à s’agglomérer (Mulder and Walstra 1974). Au contraire, un taux trop faible retarde l’inversion de phase et nuit à l’agglomération des granules de beurre (Pointurier and Adda 1969). Un refroidissement très rapide occasionne la formation de cristaux mixtes où les triacylglycerols à bas point de fusion sont emprisonnés à l’intérieur d’une structure formée de triacylglycérols à haut point de fusion (Mortensen 2011). Le beurre résultant sera très dur. Un refroidissement plus lent permet un meilleur contrôle de la cristallisation du gras et l’obtention d’une texture plus molle. Le programme des cycles de température (chaud-froid-froid ou froid-chaud-froid) est choisi en fonction de la température de fusion de la matière grasse contenue dans la crème (donnée fournie par l’indice d’iode) (Mortensen 2011). Le temps de maturation est habituellement de 12 à 15h et c’est aussi lors de cette étape que des ferments sont ajoutés pour produire un beurre de culture, le cas échéant (Bylund 2003).
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(4) Barattage
Le barattage de la crème peut être effectué dans une baratte de type « batch » ou dans un butyrateur en continu (procédé Fritz). La température de barattage doit être de 10-12°C pour faciliter l’inversion de phase (Mortensen 2011). L’inversion de phase peut survenir en 30 à 60 minutes dans le cas du procédé « batch » ou en quelques secondes dans le cas du procédé en continu (Mortensen 2011).
Le barattage entraîne l’incorporation d’air dans la crème. Les substances tensioactives présentes dans la crème (protéines et phospholipides) se déplacent alors progressivement vers la nouvelle interface air-sérum créée et les globules de gras se trouvent concentrés dans les lamelles (Pointurier and Adda 1969). Lorsque les globules gras entrent en contact avec les bulles d’air et qu’une partie de leur matériel membranaire se dépose à la surface de ces bulles, les globules adhèrent à la surface air-sérum et libèrent une partie de leur gras liquide sur cette surface (Mulder and Walstra 1974, Walstra, Geurts et al. 1999). La coalescence éventuelle des bulles d’air favorise progressivement le rapprochement des globules gras et leur agglomération. Ainsi, de plus en plus de gras liquide, sous forme de fins globules accompagnés de fragments membranaires, serait libéré dans le sérum à mesure que la surface air-sérum diminue (Walstra, Geurts et al. 1999). Selon Mulder & Walstra (1974), environ un tiers du gras trouvé dans le babeurre est constitué de triacylglycerols finement dispersés (<0.3 µm) très difficiles à écrémer par centrifugation. La présence de gras liquide est toutefois essentielle à l’inversion de phase, car un taux de gras solide très élevé stabilise plutôt la mousse en créant une structure rigide dans laquelle les bulles d’air sont emprisonnées (crème fouettée) (Walstra, Wouters et al. 2005). Le gras liquide sert également à «cimenter » les granules de beurre, permettant leur cohésion (Mulder and Walstra 1974).
La fabrication de beurre est également possible dans le cas d’un procédé dit « par concentration ». Dans ce cas-ci, la crème est ajustée à une teneur en matière grasse de 82-83% (Mulder and Walstra 1974). Les globules de gras étant déjà très rapprochés, ceux-ci entrent facilement en contact les uns avec les autres et s’agglomèrent rapidement sans qu’il y ait incorporation d’air.
(5) Malaxage
Le malaxage permet de compléter l’expulsion du babeurre et de standardiser ainsi la teneur en eau du beurre. Le sel est ajouté à cette étape, le cas échéant.
1.1.2.
Composition du babeurre
Le babeurre est la phase aqueuse de la crème. Sa composition est donc très similaire à celle d’un lait écrémé, à la différence qu’il contient une plus grande quantité de fragments de membrane de globule gras du lait (protéines membranaires et phospholipides), soit environ 5% de la matière sèche du babeurre (Morin, Britten et al. 2007a, Vanderghem, Bodson et al. 2010). La présente revue se concentre principalement sur le
5
babeurre doux. La composition protéique, lipidique et minérale du babeurre doux est comparée à celle du lait écrémé. Les composantes de la membrane de globule gras du lait susceptibles de se retrouver dans le babeurre sont décrites de manière plus détaillée à la section 2.2.
Protéines
Le babeurre contient entre 2,4 et 3,5% de protéines comparativement à 3,4-3,7% pour le lait écrémé (Vanderghem, Bodson et al. 2010). Comme dans le cas du lait écrémé, les protéines dont les concentrations sont les plus élevées sont les caséines et les protéines du lactosérum.
La proportion de caséine dans le babeurre, lorsque déterminée par précipitation à pH 4.6, est légèrement plus faible ou comparable (75-85,5%) à celle du lait écrémé (80-84%) (Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2006, Sodini, Morin et al. 2006, Morin, Pouliot et al. 2008). Toutefois, des protéines membranaires et sériques sont également insolubles à ce pH lorsque le babeurre est issu d’une crème traitée thermiquement (Morin, Pouliot et al. 2008) ce qui peut entraîner une surestimation de la proportion de caséines.
La méthode la plus couramment utilisée pour étudier la composition protéique du babeurre est sans doute l’électrophorèse sur gel (SDS-PAGE) avec coloration au bleu de Coomassie. Selon Morin et al. (2007a), dans le babeurre de crème douce, la proportion totale de protéines non membranaires est de 54% contre 46% de protéines membranaires. Britten et al. (2008) ont quant à eux obtenu des proportions de caséines, protéines sériques et membranaires correspondant respectivement à 59, 23 et 19% de la fraction protéique totale. La technique d’électrophorèse sur gel demeure toutefois semi-quantitative en raison des différentes capacités des protéines à lier le bleu de Coomassie. Plus récemment, Holzmüller et al. (2016) ont utilisé une technique d’électrophorèse sans coloration, dont la quantification des proportions protéiques est basée sur la fluorescence des résidus tryptophane. Selon cette étude, les proportions relatives de caséines et de protéines sériques sont respectivement de 67 et 17%. Toujours selon cette étude, la proportion de protéines membranaires représentée par la Periodic Acid Schiff (PAS 6/7), la xanthine oxydase/déshydrogénase (XO/XDH) et la butyrophiline (BTN) est d’environ 5%, laissant 11% de protéines « autres ».
Les proportions relatives des différentes classes de protéines contenues dans le babeurre peuvent donc être très variables d’une source à l’autre. Cette variabilité peut évidemment être occasionnée par la technique d’analyse utilisée, mais aussi par la variabilité dans la composition du babeurre.
Lipides
Le babeurre contient de 0,5% à 1,5% de matière grasse, ce qui est plus riche en lipides qu’un lait écrémé typique (0,1-0,2% m.g.) (Vanderghem, Bodson et al. 2010). Le barattage est optimal lorsque la teneur en matière grasse du babeurre avoisine 0,3 à 0,5% (Mortensen 2011). L’écrémage complet du babeurre est
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difficile en raison de la très petite taille des globules gras résiduels et de l’association de certains phospholipides avec des protéines (Pointurier and Adda 1969).
Le babeurre contient des lipides neutres (triacylglycérols) et des lipides polaires. Le ratio de lipides polaires/lipides neutres y est toutefois près de neuf fois plus élevé que dans le lait entier (Zanabria Eyzaguirre and Corredig 2011). Le babeurre contient jusqu’à sept fois plus de phospholipides que le lait entier (Rombaut, Dejonckheere et al. 2007, Zanabria Eyzaguirre and Corredig 2011). La proportion de phospholipides dans la matière grasse de babeurre (~20-30%) n’est toutefois pas très différente de celle retrouvée dans le lait écrémé (~20%) (Rombaut, Camp et al. 2006, Rombaut and Dewettinck 2006). En comparaison, la matière grasse contenue dans le sérum de beurre (phase aqueuse contenue dans le beurre) est constituée de près de 50% de phospholipides (Rombaut, Camp et al. 2006).
Minéraux
Le babeurre est généralement considéré moins riche en minéraux que le lait écrémé. La teneur en cendres du babeurre de crème douce varie de 0,6 à 0,8% contre 0,9% pour le lait écrémé (Vanderghem, Bodson et al. 2010).
La teneur en calcium du babeurre suit cette même tendance (700-1000 mg/L) (Ramachandra Rao, Lewis et al. 1995, O’Connell and Fox 2000, Turcot, Turgeon et al. 2001, Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2007) comparativement à celle du lait (1200-1300 mg/L) (Walstra, Geurts et al. 2006, Gaucheron 2011). Sur base sèche, la teneur en minéraux totale demeure toutefois comparable à celle du lait écrémé (6-8% vs 8% respectivement) (Sodini, Morin et al. 2006).
Lactose
Le babeurre contient des quantités variables de lactose (3,6-6,7%), du même ordre de grandeur que la quantité retrouvée dans le lait écrémé (4,4-4,7%) (Vanderghem, Bodson et al. 2010).
1.2. La membrane du globule gras du lait
Comme mentionné précédemment, la présence de composantes provenant de la membrane de globule gras du lait (MFGM) est une particularité importante du babeurre, lorsque comparé au lait écrémé. Dans cette section, la structure et la composition de la membrane de gras native est abordée. Dans le lait, la MFGM joue le rôle d’un émulsifiant des globules gras. Les composantes provenant de la MFGM sont de bons agents tensioactifs naturels (Singh 2006). Cette membrane est toutefois sensible aux traitements thermiques et mécaniques du lait. Les impacts de ces traitements sur la composition de la MFGM sont donc ensuite abordés. Pour étudier les composantes membranaires, il faut être en mesure de les isoler, ce qui représente un défi car les résultats sont très variables d’une méthode à l’autre. Plusieurs revues de littérature ont abordé
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ce sujet (Danthine, Blecker et al. 2000, Mather 2000, Dewettinck, Rombaut et al. 2008, Holzmüller et Kulozik 2016c). Dans le cadre de cette revue, nous nous concentrerons sur l’isolement des fragments de MFGM à partir de babeurre doux.
1.2.1.
Structure et composition de la membrane du globule gras du lait
La structure de la MFGM n’est pas encore aujourd’hui complètement élucidée. Selon l’état actuel des connaissances, la membrane de globule gras du lait serait composée d’une monocouche de phospholipides surmontée d’une couche de protéine et d’une bicouche de phospholipides sur laquelle ou à travers laquelle sont dispersées des protéines membranaires (Figure 1.1).
Figure 1.1 : Représentation de la structure de la membrane du globule gras du lait. Figure tirée de Dewettinck, Rombaut et al. (2008)
Composantes protéiques
Les constituants protéiques représentent de 25 à 60% du poids total de la membrane du globule gras (Mather 2011). La composition protéique de la MFGM a principalement été étudiée par électrophorèse sur gel. Les principales protéines retrouvées dans la MFGM sont la MUC1, la XDH/XO, la MUC15, CD36, la BTN, l'ADPH, la PAS 6/7 et la FABP (Mather 2000, Mather 2011).
Les protéines de la MFGM peuvent notamment être classées comme étant « périphériques », « intégrales » ou comme ayant l’aptitude ou non à fixer le bleu de Coomassie (colorant utilisé en SDS-PAGE). Ces deux caractéristiques sont importantes à considérer lorsqu’on étudie ces protéines en utilisant la centrifugation et
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l’électrophorèse sur gel de polyacrylamide (SDS-PAGE). Les principales protéines retrouvées dans la MFGM sont présentées au tableau 1.1.
Les protéines dites « périphériques » sont plus facilement arrachées à la MFGM que les protéines dites «intégrales» qui font partie intégrante de la membrane et interagissent avec les lipides de la membrane. Les protéines dites « périphériques » sont aussi, par définition, retrouvées dans le surnageant lors de l’isolement de la MFGM par ultracentrifugation (100 000xg) (Holzmüller et Kulozik 2016c). Cette fraction peut contenir 20% des protéines de la MFGM (Mather 2011).
Tableau 1.1 : Principales protéines de la membrane du globule gras du lait d'après Mather (2000, 2011)
Protéines Poids moléculaire (kDa)1 Fraction2 Coloration au
bleu de Coomassie
MUC1 120 000 à 220 000 Surnageant
Xanthine oxydase/ Déshydrogénase
(XO/XDH) 155,000 Surnageant (50%) et culot (50%) √
MUC15 95 000 à >100 000 Surnageant et culot
CD36
77 000 Culot √
Butyrophiline (BTN)
66 000 Culot √
Adipophiline (ADPH) 52 000 Culot √
PAS 6/7 43 000 à 59 000
(2 bandes) Surnageant √
Fatty acid binding protein
(FABP) 13 000 Surnageant √
1 Poids moléculaire apparent selon SDS-PAGE.
2 Fragments de MFGM récupérés dans le culot ou le surnageant lors d’une ultracentrifugation (100 000xg)
Outre les protéines présentées au tableau 1.1, il existe au total près d’une centaine de protéines différentes dans la MFGM, dont plusieurs enzymes (Vanderghem, Blecker et al. 2008). La fraction 3 de la protéose peptone (PP3) pourrait également faire partie de la MFGM, mais cela n’a pas encore été clairement démontré (Zanabria Eyzaguirre et Corredig 2011).
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Composantes lipidiques
Le globule gras est constitué de lipides neutres (triacylglycérols) et lipides polaires (phospholipides, sphingolipides) et de stérols et esters de stérols (dont le cholestérol). Les triacylglycérols (TAG) représentent de 20 à 80% des lipides totaux de la MFGM. Cette proportion est très variable d’une source à une autre, car elle dépend fortement de la méthode utilisée afin d’isoler la MFGM. En effet, une certaine proportion de TAG provenant du noyau du globule gras peut contaminer l’isolat de MFGM (Mather 2011).
Les lipides polaires constituent de 15 à 54% de la matière grasse totale (Danthine et al. 2000). Ces lipides se divisent en deux classes soit les phospholipides et les sphingolipides (Dewettinck, Rombaut et al. 2008). Les proportions relatives de ces différents lipides polaires sont rapportées au tableau 1.2.
Tableau 1.2 : Proportions relatives des lipides polaires dans sur les lipides polaires totaux, selon les données générées et répertoriées par Fong, Norris et al. (2007), Dewettinck, Rombaut et al. (2008), Danthine, Blecker et al. (2000)
Lipides polaires Proportions relatives (sur les lipides polaires totaux)
(%) Phosphatidylcholine (PC) 31-35 Phosphatidylethanolamine (PE) 30-30,5 Sphingomyéline (SM) 19,9-25 Phosphatidylinositol (PI) 5-7,1 Phosphatidylsérine (PS) 3-5
Glucosylcéramide (GluCer) Traces
Lactosylceramide (LacCer) Traces
Gangliosides (Gang) Traces
La phosphatidylcholine, la sphingomyéline, les cérébrosides et les gangliosides se situent préférentiellement vers l’extérieur de la membrane alors que la phosphatidylethanolamine, la phosphatidylsérine et le phosphatidylinositol se situent davantage à l’intérieur de la membrane (Deethe 1997).
Les stérols et stérols estérifiés constituent 0,3 à 2% des lipides membranaires (Mather 2011).
Autres composantes
La membrane contient moins de 10% de composantes autres que des lipides et des protéines (Mather 2011). Ces constituants sont des composés glucidiques (hexoses, hexosamines, glycosaminoglycanes) probablement associés aux protéines ou aux lipides membranaires et des acides sialiques (Mather 2011).
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1.2.2.
Impact des traitements thermiques du lait sur la composition de la
MFGM
Réfrigération du lait
Lors de l’entreposage au froid (4°C), la membrane du globule gras du lait subit certains changements. Des protéines (ADPH, PAS 6/7 et lactoferrine) s’associent davantage à la membrane, alors que d’autres (caséine β, FABP et heat shock protein 71) se dissocient partiellement (Dickow, Larsen et al. 2011). En ce qui concerne les phospholipides, la réfrigération peut entraîner la dissociation d’une certaine proportion de phospholipides de la MFGM qui est toutefois très variable (Evers 2004). Ces pertes de matériel membranaire sont irréversibles (Walstra, Wouters et al. 2005).
Chauffage du lait
Le chauffage du lait entier entraîne la perte de certaines protéines de la MFGM. Selon Ye et al. (2002), un traitement thermique, même aussi faible que 10 minutes à 50°C entraîne la perte d’environ 50% des protéines de la MFGM. Les proportions relatives des différentes protéines ne changent toutefois pas. Selon les auteurs de cette étude, ces pertes protéiques pourraient résulter de changements dans l’organisation de la membrane lipidique lors de la liquéfaction de la matière grasse à plus de 40°C. Le chauffage du lait entier entraîne également des pertes de composantes lipidiques. Ainsi, un traitement thermique de 20 minutes à 80°C entraînerait une perte significative de triacylglycerols (TAG) alors que la perte de phospholipides serait négligeable (McPherson, Dash et al. 1984, Houlihan, Goddard et al. 1992a).
L’association de protéines du lait écrémé (principalement les protéines sériques) à la MFGM est un impact bien documenté des traitements thermiques sur la composition de la MFGM. Plusieurs études démontrent en effet que le traitement thermique du lait ou de la crème entraîne l’association de protéines du lactosérum à la MFGM, principalement la β-lactoglubuline (McPherson, Dash et al. 1984, Houlihan, Goddard et al. 1992b, Kim et Jimenez-Flores 1995, Corredig et Dalgleish 1996, Corredig et Dalgleish 1998, Lee et Sherbon 2002, Ye, Singh et al. 2004a, Ye, Singh et al. 2004b, Morin, Jiménez-Flores et al. 2007b). L’association de la β-lactoglobuline à la MFGM a lieu à des températures relativement faibles, même plus faibles que la température de dénaturation de cette protéine, soit à partir de 60°C (Ye, Singh et al. 2004b).
L’interaction des protéines du lactosérum avec les protéines de la membrane du globule gras du lait est de type « lien disulfure » (Ye, Singh et al. 2004b). Certains auteurs avancent toutefois que les liaisons disulfures n’expliquent pas toutes les nouvelles interactions entre les protéines du lactosérum et la membrane du globule gras du lait ou entre les protéines de la MFGM elles-mêmes (Kim et Jimenez-Flores 1995, Ye, Singh et al. 2002). Corredig et Dalgleish (1996) ont estimé que moins de 1% de la quantité totale de protéines du lactosérum était associée de manière covalente à la MFGM suite à un traitement thermique (températures de 65 à 85°C) alors que selon Ye et al. (2004b), un maximum de 1 et 0,8%, de la β-lactoglobuline et de
l’α-11
lactalbumine respectivement, peuvent s’associent à la MFGM lors d’un traitement thermique prolongé (températures étudiées de 60 à 95°C).
Les résultats divergent quant à l’association de l’α-lactalbumine, de la caséine κ et des autres types de caséine à la MFGM lors du chauffage du lait. Houlihan et al. (1992b) ont observé de faibles quantités d’α-lactalbumine dans la MFGM de lait chauffé à 80°C pour des durées variant de 2,5 à 20 minutes. Dalgleish et Banks (1991), qui ont étudié l’effet de traitements thermiques à des températures allant de 65 à 90°C, ont seulement observé la présence d’α-lactalbumine après un traitement à plus de 80°C. Toutefois, Corredig et Dalgleish (1996) ainsi que Ye et al. (2004b) ont observé l’association de l’α-lactalbumine à la MFGM de lait entier à partir de températures aussi faibles que 60 à 65°C. Les méthodes d’isolement de la MFGM diffèrent cependant d’une étude à l’autre, ce qui pourrait avoir influencé les résultats obtenus.
Les méthodes de traitement thermique utilisées pourraient expliquer les différences entre les résultats. En effet, Corredig et Dalgleish (1996) ont observé des différences dans les quantités d’α-lactalbumine associées à la MFGM selon le type d’équipement utilisé pour effectuer le traitement thermique. Selon cette étude, moins d’α-lactalbumine était associée à la MFGM à la suite d’un traitement de type « high temperature short time » (HTST) que lors du chauffage du lait en batch dans un bain thermostatique. Les auteurs ont attribué cette différence à la période de montée en température qui diffère selon le type de traitement thermique. Lors d’un traitement thermique par injection directe de vapeur, ces mêmes auteurs ont observé des teneurs en α-lactalbumine et β-lactoglobuline trois fois plus élevées que par chauffage indirect. Le chauffage par injection de vapeur cause un bris des globules gras, ce qui pourrait entraîner l’adsorption de protéines du lait écrémé à la nouvelle surface des globules gras créée (Corredig et Dalgleish 1996).
Quant à l’association de caséines à la MFGM, celle-ci serait, selon certains, principalement explicable par une homogénéisation involontaire de la matière grasse (Dalgleish et Banks 1991). Ye et al. (2004b) ont fait circuler du lait dans un système UHT sans chauffage et n’ont pas observé d’effet sur la composition de la MFGM. Ils ont ensuite testé l’impact de traitements thermiques du lait dans ce même système sur la composition de la MFGM. Ils ont ainsi observé la présence de κ-caséine associée à la MFGM du lait traité thermiquement (75°C, 10 min) alors qu’aucune protéine du lait écrémé n'était associée à la MFGM du lait non chauffé. La présence des caséines αs1, αs2 et β associée à la MFGM a également été observée par ces auteurs lorsque le lait était
chauffé à plus de 80°C. Après lavage des globules gras avec un tampon dissociant (urée-EDTA), seule la caséine-κ est demeurée associée à la MFGM, suggérant que des micelles de caséines s’associent à la membrane du globule gras après chauffage via la caséine-κ (Ye, Singh et al. 2004b).
12
Chauffage du babeurre
L’effet des traitements thermiques du babeurre sur les composantes issues de la MFGM a principalement été abordé par Morin et al. (2007b). Ces auteurs ont étudié l’impact des traitements technologiques impliquant le chauffage du babeurre (pasteurisation, évaporation, séchage) sur sa composition et sur la composition des fragments de MFGM qu’il contient. Ils ont observé que le séchage par atomisation a entraîné la perte de phospholipides dans le babeurre, mais cela pourrait être dû à une réduction de leur solubilité dans les solvants d’extraction. La cause exacte cette diminution demeure incomprise (Morin, Jiménez-Flores et al. 2007b). Dans un contexte différent, Saffon et al. (2011) ont quant à eux étudié les effets d’un traitement thermique à pH 4.6 en présence de protéines de lactosérum. Selon Saffon et al. (2014), des agrégats préformés comprenant des composantes de la membrane du globule pourraient agir comme noyaux d’agrégation lors d’un tel traitement thermique. Le but de ce traitement thermique était de produire des agrégats protéiques pouvant potentiellement être utilisés en fromagerie ou en fabrication de yogourt (Saffon, Richard et al. 2013). La fonctionnalité fromagère de cet ingrédient demeure à valider, mais semble prometteuse en raison de la taille (<10µm) et de la capacité de rétention d’eau limitée de ces agrégats (Saffon, Britten et al. 2011). Ces caractéristiques sont prometteuses considérant les problématiques de fromages excessivement humides ou à texture molle rencontrées lors de l’utilisation de quantités importantes de babeurre (sujet qui sera traité au point 2.3 de la présente revue de littérature).
1.2.3.
Impact des traitements mécaniques sur la composition de la MFGM
Le barattage constitue un traitement mécanique important puisqu’il en résulte le bris des globules gras et la libération de leur matériel membranaire dans le babeurre. Les recherches portant sur l’impact des conditions de barattage sur les fragments de MFGM sont toutefois rares (Haddadian, Bremer et al. 2016, Haddadian, Eyres et al. 2017, Haddadian, Eyres et al. 2018). Néanmoins, ces recherches démontrent que des variables telles que le pH de la crème ou sa température lors du barattage peuvent influencer les proportions de protéines non membranaires retrouvées dans des extraits de fragments de MFGM (Haddadian et al, 2016). Toutefois, la présence plus ou moins importante de ce matériel non membranaire demeure incomprise. Ces mêmes paramètres influencent également les quantités de phospholipides récupérées dans le babeurre (Haddadian, Eyres et al. 2018).
Au point 2.1.1, nous avons mentionné que le barattage implique généralement une incorporation d’air qui est importante (moussage) et qu’une homogénéisation partielle de la matière grasse est également possible puisqu’une proportion minimale de matière grasse liquide doit être présente afin de permettre l’inversion de phase. Selon Evers (2004), l’incorporation d’air dans le lait induit des dommages importants à la MFGM. Le pompage, sans moussage ou avec limitation du moussage, n’influencerait d’ailleurs pas de manière
13
importante la composition de la MFGM (Evers 2004). Les globules gras s’attachent à la surface des bulles d’air et y libèrent leur matériel membranaire et une partie de leur contenu. Lors du bris de la bulle d’air, le matériel membranaire est alors libéré dans la phase aqueuse (Walstra, Geurts et al. 1999).
Le principal effet de l’homogénéisation du lait est la réduction de la taille de ses globules gras. Cette réduction entraîne l’augmentation de la surface totale de matière grasse. Puisque les composantes membranaires ne sont pas présentes en quantité suffisante, des protéines du lait viennent compléter la stabilisation de la surface des globules, principalement les caséines (Walstra, Geurts et al. 1999).
1.2.4.
Isolement des composantes de la membrane du globule gras du lait à
partir du babeurre
L’isolement des composantes membranaires contenues dans le babeurre représente un défi en raison de la présence de caséine micellaire dont la taille est comparable à celle des fragments de MFGM (Holzmüller et Kulozik 2016c).
Plusieurs stratégies ont été proposées afin d’obtenir des fractions concentrées en MFGM et minimiser la présence de matériel non membranaire. Certaines techniques impliquent une transformation en amont du barattage. Par exemple, le lavage de la crème avant barattage afin d’obtenir un babeurre appauvri en caséine et en protéines sériques (Morin, Britten et al. 2007a, Britten, Lamothe et al. 2008, Lamothe, Robitaille et al. 2008, Holzmüller, Müller et al. 2016d). Le lavage de la crème entraîne toutefois inévitablement la perte de certaines composantes membranaires dans les solutions de lavage. Ces pertes ont été attribuées aux forces de cisaillement auxquelles sont soumis les globules gras dans le séparateur et qui entraînent leur coalescence (Holzmüller, Müller et al. 2016d). Les protéines membranaires perdues peuvent autant être des protéines dites « périphériques » qu’ « intégrales » (Holzmüller, Müller et al. 2016d). Il est aussi possible de concentrer les composantes membranaires issues d’un babeurre de crème de lactosérum. Les protéines du lactosérum peuvent ensuite être séparées des constituants membranaires par microfiltration (Morin, Pouliot et al. 2006, Olabi, Jinjarak et al. 2015).
D’autres techniques ont pour objectif de transformer un babeurre obtenu de manière conventionnelle à partir de crème douce. La caséine micellaire peut alors être éliminée par coagulation par la présure ou par précipitation acide (Sachdeva et Buchheim 1997, Rombaut, Dejonckheere et al. 2007, Holzmüller et Kulozik 2016a, Holzmüller et Kulozik 2016c). Des pertes de protéines membranaires peuvent toutefois survenir par emprisonnement à l’intérieur du réseau caséique gélifié. Par exemple, Holzmuller et Kulozik (2016a) ont observé des pertes de protéines, plus particulièrement des protéines « intégrales », retenues dans les gels présure. Les gels acides peuvent également retenir une certaine proportion de protéines membranaires puisque le point isoélectrique de celles-ci avoisine celui des caséines (Kanno et Kim 1990, Holzmüller et
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Kulozik 2016c). La pasteurisation de la crème avant son barattage diminue également la solubilité des protéines de la MFGM à pH 4.6 (Morin, Pouliot et al. 2008).
Une autre façon d’éliminer la caséine micellaire est par dissociation à l’aide de citrate de sodium (2% w/v) (Corredig et Dalgleish 1997, Corredig, Roesch et al. 2003). En laboratoire, le babeurre peut ensuite être ultracentrifugé (50 000 - 100 000xg) afin de récupérer les fragments de MFGM. En contexte de production industrielle, la microfiltration et la diafiltration permettent de concentrer le matériel membranaire à partir du babeurre traité au citrate (Corredig, Roesch et al. 2003). Toutefois, même à l’aide de cette technique, des pertes de composantes membranaires peuvent survenir. Dans le cas de l’ultracentrifugation, les protéines dites « périphériques » sont retrouvées dans le surnageant (Mather 2000, Holzmüller et Kulozik 2016c). Par microfiltration, Rombaut et al. (2006) ont observé une augmentation de la perméation des protéines de la MFGM et de phospholipides contenus dans le sérum de beurre suite au traitement au citrate de sodium et suggèrent que le citrate entraînerait la réduction de la taille des fragments de MFGM.
Toutes les méthodes de concentration des fragments de MFGM sont donc susceptibles d’influencer la nature des composantes récupérées. Holzmüller et Kulozik (2016c) présentent une revue complète des difficultés techniques et des défis concernant l’isolement des composantes de la MFGM.
1.3. Utilisation du babeurre en fromagerie
1.3.1.
Impact du babeurre sur la coagulation du lait par la présure et
propriétés des gels
L’ajout de babeurre au lait de fromagerie influence ses propriétés de coagulation par la présure. Les temps de prise sont plus longs et les gels formés plus faibles en présence qu’en absence de babeurre (Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2006, Morin, Pouliot et al. 2008).
Ces effets sont notamment attribués à la présence de phospholipides par Govindasamy-Lucey et al. (2006) qui ont testé l’impact de phospholipides issus de lécithine de soya sur la coagulation du lait par la présure en rhéologie dynamique. Toutefois, ces auteurs mentionnent que plus d’investigations sont nécessaires afin de déterminer l’impact des phospholipides du babeurre sur la coagulation puisque le soya présente un profil de phospholipides très différent de celui du lait.
Morin et al. (2008) ont quant à eux démontré que la pasteurisation de la crème avant son barattage accentue l’effet négatif du babeurre sur la formation et les propriétés des gels présure en réduisant leur fermeté. Cet effet de la pasteurisation a été attribué à des modifications au niveau de la surface des fragments de MFGM.
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1.3.2.
Impact du babeurre sur les rendements et la composition des fromages
Plusieurs recherches ont été conduites sur l’impact de l’utilisation du babeurre en fabrication fromagère, notamment sur les rendements et la composition des fromages (Mistry, Metzgeer et al. 1996, Poduval and Mistry 1999, Turcot, Turgeon et al. 2001, Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2006, Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2007). Une vue d’ensemble des résultats de ces études est présentée au tableau 1.3. Des adaptations au procédé de fabrication du fromage sont souvent nécessaires en présence de babeurre afin de limiter la rétention d’humidité et d’atteindre une composition finale la plus près possible de celle du témoin sans babeurre.
Rendement et rétention des constituants dans le fromage
L’utilisation de babeurre en fromagerie permet une augmentation des rendements fromagers. Lorsqu’ajustés à humidité constante, l’augmentation de ces rendements varie toutefois de nulle (Turcot, Turgeon et al. 2001, Morin, Pouliot et al. 2008) à des hausses de 11%, 15% et même de 18,8% (Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2006, Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2007) par rapport aux fromages témoins sans babeurre.
La rétention des protéines du babeurre dans le fromage est généralement comparable à celles du lait (Mistry, Metzgeer et al. 1996, Turcot, Turgeon et al. 2001). Govindasamy-Lucey et al. (2006) ont quant à eux noté une augmentation de la rétention protéique avec l’ajout d’un concentré de babeurre commercial obtenu par évaporation. L’historique thermique du babeurre est un déterminant important de la rétention des protéines dans le fromage. En effet, Morin et al (2008) ont montré que la pasteurisation de la crème avant son barattage entraîne une augmentation de la rétention des protéines dans les fromages contenant du babeurre. La récupération des protéines du babeurre de crème crue est quant à elle inférieure à celle du lait écrémé (Morin, Pouliot et al. 2008).
L’ajout de babeurre au lait de fromagerie réduit les taux de rétention des matières grasses dans le fromage (Mistry, Metzgeer et al. 1996, Turcot, Turgeon et al. 2001, Lucey, Lin et al. 2006, Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2007, Morin, Pouliot et al. 2008). Ainsi, plus la concentration de babeurre est élevée, plus les pertes de matières grasses sont élevées (Mistry, Metzgeer et al. 1996, Turcot, Turgeon et al. 2001). Les phospholipides du babeurre sont moins bien retenus dans le fromage que la matière grasse globulaire, ce qui peut contribuer à augmenter les pertes de matière grasse. En effet, seulement de 32 à 44% des phospholipides sont récupérés dans le fromage contenant du babeurre (Turcot, Turgeon et al. 2001, Govindasamy-Lucey, Lin et al. 2007) comparativement à 80-90% de la matière grasse contenue dans un lait standardisé de manière conventionnelle (Fenelon et Guinee 1999).
Bien que la plupart des études montrent des pertes accrues de matière grasse, peu importe la forme de babeurre utilisée, Govindasamy-Lucey et al. (2007) ont observé un effet nul sur la rétention lipidique dans le
