Fabrication de fromages de type Cheddar à partir de
laits de fromagerie concentrés en protéines et fortifiés
en vitamine D
Mémoire
Jonathan Boivin-Piché
Maîtrise en Sciences et Technologie des Aliments
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
iii
Résumé
La vitamine D joue un rôle métabolique important au niveau de l’absorption du calcium et du phosphore. Or, selon une étude récente, 10 % des Canadiens souffrent d’une carence en vitamine D et 32 % ont des niveaux jugés inadéquats pour le maintien d’une bonne santé osseuse. Au Canada, de par sa fortification obligatoire, le lait de consommation est une bonne source de vitamine D. Cependant, comme sa consommation est en constante diminution, d’autres sources de vitamine D, tels que les fromages, permettraient de combler les besoins nutritionnels des Canadiens. Afin de réduire la perte de vitamine D dans le lactosérum durant la production fromagère, des fromages de type Cheddar ont été fabriqués à partir de laits concentrés par ultrafiltration. Ce processus a permis de réduire la quantité de lactosérum produit lors des fabrications fromagères et par conséquent, a augmenté la rétention de la vitamine D dans les fromages.
v
Abstract
Vitamin D plays an important metabolic role in the absorption of calcium and phosphorus. However, according to a recent study, 10 % of Canadians are deficient in vitamin D and 32 % having levels considered inadequate to maintain a good bone health. In Canada, due to its regulation, milk is a good source of vitamin D. However, as milk consumption is decreasing continuously, other sources of vitamin D, such as cheeses, would fulfill the nutritional needs of Canadians. To reduce the loss of vitamin D in whey during cheesemaking, Cheddar cheeses were manufactured from milk concentrated by ultrafiltration. This process allowed the reduction of the amount of whey produced during cheese manufacturing and consequently improved the vitamin D retention in the cheese.
vii
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... v
Table des matières ... vii
Liste des tableaux ... xi
Liste des figures ... xiii
Liste des abréviations et des sigles ... xv
Remerciements ... xvii
Avant-propos ... xxi
Introduction générale... 1
Chapitre 1: État des connaissances ... 3
1.1. La vitamine D ... 3
1.1.1. Historique ... 3
1.1.2. Caractéristiques générales ... 4
1.1.3. L’ergocalciférol ... 5
1.1.4. Photobiologie de la vitamine D3 ... 6
1.1.5. Absorption et métabolisme de la vitamine D ... 8
1.1.6. Principales pathologies reliées à une déficience en vitamine D ... 10
1.1.7. Apports nutritionnels recommandés ... 12
1.1.8. Limites maximales et hypervitaminose ... 14
1.1.9. Sources alimentaires de vitamine D ... 15
1.2. La fortification du fromage Cheddar en vitamine D ... 17
1.2.1. Le fromage, nouveau vecteur de vitamine D ... 17
1.2.2. Les caractéristiques du fromage Cheddar et sa fabrication ... 18
1.2.3. Enrichissement du fromage Cheddar en vitamine D ... 21
1.2.4. Contamination du lactosérum ... 22
1.2.5. Valorisation du lactosérum contaminé par la vitamine D ... 23
1.3. L’ultrafiltration appliquée à la fabrication du fromage Cheddar ... 25
1.3.1. Principe et équipements ... 25
1.3.2. Application de l’ultrafiltration à la fabrication d’un fromage de type Cheddar ... 26
1.3.3. Incidence du pouvoir tampon sur l’acidification ... 28
viii
1.3.5. Défaut de texture et de goût d’un fromage fabriqué à partir de lait ultrafiltré ... 30
1.4. Problématique, but, hypothèses et objectifs du projet de recherche ... 30
1.4.1. Problématique ... 30
1.4.2. But ... 31
1.4.3. Hypothèse de recherche ... 31
1.4.4. Objectif général ... 31
1.4.5. Objectifs spécifiques... 31
Chapitre 2: Fabrication de fromages de type Cheddar à partir de laits concentrés et fortifiés en vitamine D à l’échelle laboratoire... 33 2.1. Résumé ... 33 2.2. Introduction ... 33 2.3. Matériel et méthodes ... 35 2.3.1. Fabrications fromagères ... 35 2.3.2. Analyse de la vitamine D ... 41 2.3.3. Analyses physico-chimiques ... 43
2.3.4. Dispositif expérimental et analyses statistiques ... 45
2.4. Résultats et discussion ... 45
2.4.1. Stabilité de la vitamine D à la pasteurisation ... 45
2.4.2. Effet de la réfrigération sur la stabilité de la vitamine D ... 46
2.4.3. Effet de la congélation sur la stabilité de la vitamine D ... 47
2.4.4. Dispersion de la vitamine D dans les laits concentrés ... 48
2.4.5. Sensibilité des ferments à la vitamine D ... 49
2.4.6. Optimisation du taux d’ensemencement ... 51
2.4.7. Optimisation du taux d’emprésurage ... 53
2.4.8. Composition des laits de fromagerie ... 54
2.4.9. Effet de la concentration du lait sur les paramètres de fabrication ... 55
2.4.10. Effet de la concentration du lait sur la quantité de lactosérum produite... 57
2.4.11. Effet de la concentration du lait sur les rendements fromagers et la rétention de la vitamine D ... 59
2.4.12. Composition des fromages ... 61
2.5. Conclusion ... 63
ix
Chapitre 3: Production de fromages de type Cheddar enrichis en vitamine D à l’échelle pilote... 65
3.1. Résumé ... 65 3.2. Introduction ... 65 3.3. Matériel et méthodes ... 67 3.3.1. Fabrications fromagères ... 67 3.3.2. Analyse de la vitamine D ... 69 3.3.3. Analyses physico-chimiques ... 69
3.3.4. Dispositif expérimental et analyses statistiques ... 70
3.4. Résultats et discussion ... 71
3.4.1. Stabilité de la vitamine D à la pasteurisation ... 71
3.4.2. Composition des laits de fromagerie ... 72
3.4.3. Effet de la concentration du lait sur les paramètres de fabrication ... 73
3.4.4. Effet de la concentration du lait sur la quantité et la composition du lactosérum ... 75
3.4.5. Effet de la concentration du lait sur les rendements fromagers et les coefficients de rétention de la vitamine D ... 78
3.4.6. Composition des fromages ... 80
3.4.7. Population des lactocoques dans les fromages pendant l’affinage ... 81
3.4.8. pH des fromages pendant l’affinage ... 82
3.4.9. Protéolyse primaire et secondaire des fromages ... 83
3.4.10. Texture des fromages pendant l’affinage ... 84
3.4.11. Stabilité de la vitamine D lors de l’affinage ... 86
3.5. Conclusion ... 88
3.6. Remerciements ... 88
Conclusion générale... 89
Références ... 91
Annexes ... 99
Annexe 1 : Composition moyenne des ingrédients utilisés pour la standardisation des laits concentrés ... 99
Annexe 2 : Exemple de calcul matriciel inverse ... 100
Annexe 3: Fiche de Kingsway Chocolate ... 101
Annexe 4 : Montage expérimental utilisé pour les mini-fabrications ... 102
x
xi
Liste des tableaux
Tableau 1.1: Différences entre la vitamine D2 et D3 ... 6
Tableau 1.2: Facteurs influençant la photobiologie de la vitamine D3 ... 8
Tableau 1.3: Localisation et fonction des enzymes responsables de la conversion de la vitamine D ... 10
Tableau 1.4: Recommandations journalières en vitamine D (UI) ... 13
Tableau 1.5: Recommandations proposées par diverses organisations ... 14
Tableau 1.6: Quantité journalière de vitamine D pouvant être consommée avant de développer une hypercalcémie ... 15
Tableau 1.7: Concentration en vitamine D de certains aliments ... 16
Tableau 1.8: Consommation annuelle de litres de lait par Canadien ... 16
Tableau 1.9: Concentration en vitamine D de certains fromages ... 17
Tableau 1.10: Répartition des constituants du lait entre le lactosérum et le fromage lors d'une fabrication fromagère de type Cheddar ... 22
Tableau 1.11: Types d'aliments dans lesquels les protéines du lactosérum sont utilisées ... 24
Tableau 1.12: Configurations membranaires disponibles commercialement pour l'ultrafiltration . 26 Tableau 1.13: Fromages produits à partir de lait concentré par ultrafiltration... 26
Tableau 2.1: Taux d'ensemencement calculés pour la souche CUC-222 à utiliser en fonction du facteur de concentration du lait à une température de 32°C ... 53
Tableau 2.2: Taux d'emprésurage calculés en fonction du facteur de concentration du lait à pH 6,50 et à 32°C ... 54
Tableau 2.3: Composition des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après pasteurisation .... 55
Tableau 2.4: Temps de production, pH et acidité titrable obtenus lors des fabrications fromagères ... 56
Tableau 2.5: Lactosérum égoutté et vitamine D perdue lors des différentes étapes de fabrication en fonction de la concentration des laits utilisés ... 59
Tableau 2.6: Composition des fromages fabriqués à partir de laits concentrés et coefficients de rétention de l’azote total et de la matière grasse ... 62
Tableau 3.1: Composition des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après pasteurisation .... 73
Tableau 3.2: Temps de production, pH et acidité titrable obtenus lors des fabrications fromagères ... 74
Tableau 3.3: Composition des lactosérums obtenus lors des fabrications fromagères en fonction de la concentration des laits de fromagerie ... 77
Tableau 3.4: Composition des fromages fabriqués à partir de laits concentrés et coefficients de rétention de l’azote total et de la matière grasse ... 81
xiii
Liste des figures
Figure 1.1 : Structures des vitamines D2 et D3 ... 4
Figure 1.2: Synthèse cutanée de la vitamine D3 ... 7
Figure 1.3: Métabolisme des vitamines D2 et D3 ... 9
Figure 1.4: Enfant souffrant de rachitisme ... 11
Figure 1.5: Fromage Allegro Probio enrichi en vitamine D3 ... 17
Figure 1.6: Étapes de fabrication du fromage Cheddar ... 21
Figure 1.7: Procédés de valorisation du lactosérum ... 24
Figure 2.1: Effet de la pasteurisation des laits à 65°C pendant 30 min sur la vitamine D et suivit de la stabilité après conservation à 4°C sur une période maximale de 72 heures ... 46
Figure 2.2: Stabilité de la vitamine D dans le lait 1x, 1,4x et 1,8x après réfrigération à 4°C sur une période de 7 jours ... 47
Figure 2.3: Stabilité de la vitamine D à la congélation du lait à -20°C après 1 et 14 jours ... 48
Figure 2.4: Distribution de la vitamine D dans le lait en fonction de sa concentration et de la profondeur d’échantillonnage ... 49
Figure 2.5: Effet de la concentration en vitamine D sur l’acidification du lait à 32°C par la souche CUC-222 ... 50
Figure 2.6: Effet de la concentration en vitamine D sur la croissance de la souche CUC-222 dans un lait à 32°C ... 50
Figure 2.7: Effet de la concentration en vitamine D sur l’acidification du lait à 32°C par la souche CUC-248 ... 51
Figure 2.8: Effet de la concentration en vitamine D sur la croissance de la souche CUC-248 dans un lait à 32°C ... 51
Figure 2.9: Profils d'acidification des laits en fonction de leur concentration et du taux d'ensemencement de la souche CUC-222 lors de tests de Pearce ... 52
Figure 2.10: Temps de coagulation des laits à pH 6,50 et à 32°C en fonction du taux d'emprésurage ... 54
Figure 2.11: Indice de pouvoir tampon des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après pasteurisation ... 57
Figure 2.12: Proportions de lactosérum et de vitamine D totale perdues lors des fabrications en fonction de la concentration des laits de fromagerie ... 58
Figure 2.13: Rendement fromager en fonction du facteur de concentration des laits de fromagerie ... 60
Figure 2.14: Coefficients de rétention de la vitamine D en fonction de la concentration du lait de fromagerie ... 61
Figure 3.1: Effet de la pasteurisation des laits de fromagerie sur la vitamine D ... 72
Figure 3.2: Indice de pouvoir tampon des laits de fromagerie après pasteurisation ... 74
Figure 3.3: Proportions de lactosérum et de vitamine D totale perdues lors des fabrications en fonction de la concentration des laits de fromagerie ... 75
Figure 3.4: Rendement fromager en fonction du facteur de concentration des laits de fromagerie ... 78
xiv
Figure 3.5: Coefficients de rétention de la vitamine D dans les fromages fabriqués à partir des
différents laits de fromagerie ... 79
Figure 3.6: Indice de pouvoir tampon des fromages fabriqués à partir de laits concentrés ... 81
Figure 3.7: Population des lactocoques pendant l’affinage ... 82
Figure 3.8: Évolution du pH des fromages pendant l'affinage ... 83
Figure 3.9: Indice de protéolyse primaire des fromages lors de l'affinage ... 84
Figure 3.10: Indice de protéolyse secondaire des fromages lors de l’affinage ... 84
Figure 3.11: Évolution de la dureté des fromages pendant l'affinage ... 85
Figure 3.12: Évolution de l'élasticité des fromages pendant l'affinage ... 85
Figure 3.13: Évolution de la cohésion des fromages pendant l'affinage ... 86
Figure 3.14: Évolution de l’adhérence des fromages pendant l’affinage ... 86
xv
Liste des abréviations et des sigles
1.25(OH)2D : 1,25-dihydroxyvitamine D, calcitriol 25(OH)D :25-hydroxyvitamine D, calcidiol
AAC : Agriculture et Agro-alimentaire Canada
ACIA : Agence Canadienne d’Inspection des Aliments CCIL : Centre Canadien d’Information Laitière
CEN : Cendre
CR : Coefficient de rétention
CRDA : Centre de Recherche et Développement sur les Aliments DEM : Dose érythémale minimale
DBP : Vitamin D Binding Protein ESM : Erreur Standard Moyen EST : Extraits Secs Totaux FC : Facteur de concentration IOM : Institute of Medecine
IUT : Institut Universitaire de Technologie LAC : Lactose
MG : Matières Grasses NC : Azote caséique NNC : Azote non-caséique NSE : Azote soluble dans l’eau
NSTCA : Azote soluble dans l’acide trichloracétique NT : Azote total
PLC : Producteurs Laitiers du Canada UI : Unité Internationale
xvii
Remerciements
Je voudrais premièrement remercier mon co-directeur de recherche, le Dr. Daniel St-Gelais, ainsi que Gabrielle Gagné, étudiante à la maîtrise, qui m’ont permis de me faire valoir lors d’un stage de quatre mois, lorsque j’étais encore aux études de premier cycle à l’Université de Sherbrooke. Votre foi en mes capacités et vos encouragements m’ont permis de réaliser que les études graduées étaient possibles pour moi.
Je tiens également à remercier mon directeur de recherche, le professeur Jean-Christophe Vuillemard, qui m’a fait confiance et qui m’a accueilli lors de mes premiers pas à l’Université Laval.
Un merci tout spécial aux membres de l’équipe de recherche de Daniel St-Gelais pour leur chaleureuse présence, leur aide en laboratoire et leur soutien moral. Merci à toi Annie Caron pour ta bonne humeur, ta confiance et ton grand soutien tout au long de ce beau projet de recherche. Merci également à toi Sophie Turcot pour ton aide et ton rire contagieux. Un merci tout spécial à Gaétan Bélanger. Ton soutien lors des productions fromagères a été plus qu’extraordinaire. Ton calme exemplaire a permis de déstresser le petit apprenti nerveux que j’étais.
Un grand merci à tous les étudiants stagiaires qui ont été de passage au CRDA lors de ma maîtrise. Plus spécifiquement, merci à Floriane de Biasio, stagiaire de l’IUT de Quimper, pour sa contribution lors des fabrications à petite échelle, mais aussi pour sa bonne humeur, sa générosité et sa gentillesse. Tu étais certes une novice dans le domaine, mais ton soutien fût digne d’une stagiaire d’expérience. Merci également à Julien Baret, stagiaire de l’IUT de Saint-Pierre. Ta détermination et ton sens du devoir m’ont été d’une grande aide lors des productions à grande échelle et lors des analyses au Mojonnier.
Un merci à tous les partenaires de ce projet de recherche, les Producteurs Laitiers du Canada (PLC), Agriculture et Agro-alimentaire Canada (AAC), le Centre de Recherche et de Développement sur les Aliments (CRDA) ainsi que l’Université Laval.
Je voudrais terminer en remerciant chaleureusement ma famille, non seulement pour le soutien, mais plus précisément pour l’intérêt porté à mon projet. Un merci tout particulier
xviii
à mon père, Michel Boivin. Ta détermination et ta vision positive lors de ton combat contre le cancer ont été un véritable exemple de courage et de confiance en la vie.
xix « Chaque chose à sa raison d’être » Michel Boivin
xxi
Avant-propos
Ce mémoire comporte trois chapitres dont deux sont rédigés sous forme d’articles scientifiques en français. L’ensemble de ce projet de recherche, incluant la réalisation des manipulations en laboratoire, l’analyse des résultats et la rédaction du mémoire, a été supervisé sous la direction du Dr. Jean-Christophe Vuillemard et la co-direction du Dr Daniel St-Gelais.
Le premier chapitre, intitulé « État des connaissances », est un document de référence sur la vitamine D, le fromage Cheddar et l’ultrafiltration. Ce chapitre détaille l’importance des vitamines D2 et D3 au sein du métabolisme, les dernières recommandations nutritionnelles émises par l’Institute of Medecine ainsi que les principales sources alimentaires dans lesquelles la vitamine D est retrouvée. La fabrication et la fortification du fromage Cheddar sont également abordées, ainsi que l’impact de l’application de l’ultrafiltration du lait de fromagerie sur l’acidification des laits, leur aptitude à la coagulation et la modification de la texture des fromages. Finalement, l’hypothèse de recherche, le but, les objectifs généraux et spécifiques de l’étude sont présentés.
Le second chapitre « Fabrication à l’échelle laboratoire de fromages de type Cheddar à partir de laits concentrés et fortifiés en vitamine D » consiste en l’optimisation des paramètres de fabrication permettant de standardiser les fabrications afin d’obtenir des fromages de compositions similaires, ainsi que la détermination de l’impact de la concentration du lait par ultrafiltration sur la quantité de lactosérum produit et sur la rétention de la vitamine D dans les fromages. Ce chapitre détaille l’impact des différentes étapes de la production fromagère à l’échelle laboratoire sur la stabilité de la vitamine D, ainsi que l’effet de la concentration du lait sur les paramètres de fabrication et la quantité de lactosérum et de vitamine D perdue.
Le troisième chapitre « Production de fromages de type Cheddar fortifiés en vitamine D à l’échelle pilote » consiste en l’analyse de l’impact de la mise à l’échelle du procédé de fabrication sur la rétention de la vitamine D. Ce chapitre détaille également
xxii
l’impact de la fortification du lait de fromagerie sur la composition du fromage et sur la stabilité de la vitamine D pendant l’affinage.
Cet ouvrage se termine par une conclusion générale mettant en lien les résultats des différents chapitres et confirmant l’atteinte des objectifs de recherche.
1
Introduction générale
La découverte du pouvoir antirachitique de la vitamine D remonte à la première moitié du 20e siècle (Wolf 2004). De par son rôle principal au sein du métabolisme, la vitamine D permet de bonifier la formation et le maintien d’une bonne santé osseuse en améliorant l’absorption intestinale du calcium et du phosphore (Institute of Medecine 2011). Lorsqu’absorbée par l’alimentation ou synthétisée à la suite d’une exposition de la peau au soleil, la vitamine D est convertie en calcitriol, soit un dérivé métabolique biologiquement actif au sein du corps humain. Ce dérivé serait impliqué dans la régulation d’environ 5 % du génome humain et permettrait de réduire les risques de développement de plusieurs maladies chroniques telles que l’arthrite rhumatoïde (Adorini 2011), la sclérose en plaques (Hayes et al. 2011), le diabète (Gysemans et al. 2011), le psoriasis (Reichrath & Holick 2011), les maladies inflammatoires de l’intestin (Bruce & Cantorna 2011), divers cancers (Cross 2011; Krishnan & Feldman 2011; Tang & Epstein Jr 2011; Trump & Johnson 2011; Welsh 2011).
Devant l’ampleur des récentes publications prouvant l’importance de la vitamine D, l’Institute of Medecine (IOM) a revu à la hausse ses recommandations vis-à-vis cette dernière en ajustant la consommation journalière d’une personne d’âge adulte de 200 Unités Internationales (UI), datant de 1997, à 600 UI par jour (Institute of Medecine 2011). Cependant, plusieurs facteurs physiologiques, environnementaux et socio-culturels rendent difficile l’atteinte de ces recommandations par la population canadienne. Ces facteurs, en plus de l’importante diminution de la consommation du lait, principale source alimentaire de vitamine D, observée depuis le début des année 1990, font en sorte que 10 % des Canadiens âgés entre 3 et 79 ans souffrent actuellement d’une carence en vitamine D et que 32 % ont des niveaux jugés inadéquats pour le maintien d’une bonne santé osseuse (Janz & Pearson 2013).
Compte tenu de leur faible teneur en vitamine D, les fromages actuellement disponibles sur le marché ne permettent pas d’améliorer significativement l’apport quotidien en vitamine D recommandé. Cependant, la fortification du lait servant à la fabrication du fromage permettrait d’introduire sur le marché canadien une source
2
alternative de vitamine D pour les consommateurs. Le fromage Cheddar, qui totalise près de 35 % des ventes de fromages au Canada, s’avère un vecteur intéressant pour la fortification (Centre canadien d'information laitière 2013). De plus, les derniers travaux effectués sur la fortification du fromage en vitamine D ont démontré que cette dernière n’est généralement pas affectée par l’ensemble des étapes de fabrication fromagère (Banville et al. 2000; Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a). La vitamine D, en plus d’être distribuée uniformément dans le caillé fromager (Wagner et al. 2008a), n’affecte aucunement la flaveur de ce dernier (Ganesan et al. 2011). La vitamine D présente dans un morceau de fromage est tout aussi bio-disponible que la vitamine D retrouvée sous forme de supplément (Wagner et al. 2008b). Cependant, la vitamine D ajoutée au lait de fromagerie n’est pas totalement retenue dans le fromage. La rétention pouvant varier entre 40 % (Banville et al. 2000) et 90 % (Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a) et résulte en une présence non désirée de vitamine D dans le lactosérum, rendant plus difficile la valorisation de ce dernier.
Cette perte pourrait être atténuée par l’application de l’ultrafiltration au lait de fromagerie. L’application de ce procédé de séparation par membranes au domaine fromager remonte à la fin des années 1960 (Maubois et al. 1969) et permet de produire un rétentat concentré en protéines caséiques et sériques ainsi qu’en minéraux, en éliminant une partie de la phase aqueuse du lait (Mistry & Maubois 2004). L’utilisation de ce concentré protéique lors des fabrications fromagères permet, outre la standardisation de la teneur protéique des laits (Mistry & Maubois 2004; Mistry 2013), d’augmenter les rendements fromagers (Guinee et al. 1996; St-Gelais et al. 1998; St-Gelais et al. 2001; Guinee et al. 2006) mais surtout de réduire la quantité de lactosérum (St-Gelais & Haché 1995; Caron et al. 2001). Jusqu’à présent, la littérature ne rapporte aucune étude de production à grande échelle de fromage de type Cheddar à partir de lait concentré par UF et fortifié en vitamine D.
Les objectifs de ce travail étaient d’optimiser les paramètres de fabrication permettant de standardiser les fabrications afin d’obtenir des fromages de compositions similaires ainsi que de déterminer l’impact de la concentration du lait par ultrafiltration sur la quantité de lactosérum produit et sur la rétention de la vitamine D dans les fromages.
3
Chapitre 1: État des connaissances
1.1. La vitamine D
1.1.1. Historique
Le rachitisme, décrit en détail pour la première fois par Glisson en 1650, n’était pas une maladie jugée, à l’époque, comme étant importante (Wolf 2004). Cependant, avec la révolution industrielle, de nombreuses villes d’Angleterre se retrouvèrent plongées sous les épais écrans de fumées dégagées par les multiples usines, privant ainsi les citoyens des bienfaits du soleil. C’est alors que le rachitisme, connu sous le nom de English disease, atteignit des proportions pandémiques (Deluca 2011). La toute première approche scientifique de la maladie a été effectuée indirectement par McCollum & Davis (1914). Ces derniers isolèrent, de la matière grasse du lait, un composé liposoluble et non saponifiable qu’ils nommèrent fat-soluble factor A, soit l’ancêtre de la vitamine A, qui était jugé essentiel pour la prévention de la xérophtalmie. Des découvertes subséquentes montrèrent que ce facteur était également présent dans l’huile de foie de morue (Wolf 2004). Cette notion intéressa Mellanby (1919) qui utilisa de la matière grasse de lait et de l’huile de foie de morue sur des chiots atteints de rachitisme. Il découvrit alors que ce régime alimentaire permettait de traiter et prévenir la maladie. Cependant, ces résultats n’ont pas permis de déterminer si le pouvoir guérisseur provenait de la vitamine A ou d’une substance encore inconnue (Wolf 2004; Deluca 2011). Pendant ce temps, McCollum et al. (1922) continuèrent leur recherche et découvrirent que l’huile de foie de morue aérée et chauffée, afin de permettre l’inhibition de l’activité de la vitamine A, conservait malgré tout, son pouvoir antirachitique. Ils attestèrent donc que ce pouvoir ne provenait pas de la vitamine A, mais plutôt d’une toute nouvelle substance nommée vitamine D (Wolf 2004; Deluca 2011). Parallèlement à cette découverte, Huldschinsky (1919) découvrit que le rachitisme pouvait être traité en exposant des enfants à la lumière du soleil ou à une lumière UV artificielle. De cette découverte a résulté la vente de lampes UV dans les pharmacies américaines et européennes afin que les parents puissent irradier leurs enfants (Holick 2010). À la suite de multiples et fructueuses collaborations, Windaus et Hess analysèrent l’ergostérol, un stéroïde fongique de l’ergot, ayant une forte activité antirachitique lorsqu’irradié aux UV (Windaus 1926). Ils établiront alors que l’ergostérol
4
est une provitamine D, convertible en vitamine D2 (figure 1.1) à la suite d’une irradiation UV (Windaus 1931). Cette découverte a conduit à la fortification des aliments dont il sera question à la section 1.2. Une importante question surgit alors dans le domaine scientifique. Étant donné que l’ergostérol n’est pas retrouvé dans le règne animal, comment est-il possible que les animaux et les humains soient en mesure de produire de la vitamine D à suite d’une exposition au soleil ? Ce n’est que quelques années plus tard que Windaus (1937) est parvenu à répondre à la question en isolant de la peau d’un porc le 7-déshydrocholestérol, le précurseur de la vitamine D3. Ce n’est cependant qu’en 1955 que l’ensemble des réactions photochimiques et thermiques entre l’ergostérol et l’ergocalciférol fût décrit par Velluz (1955), alors que les mêmes réactions entre le 7-déshydrocholestérol et le cholécalciférol n’ont été décrites qu’en 1980 par Holick et al. (1980).
Figure 1.1 : Structures des vitamines D2 et D3
Tiré de Deluca (2011)
1.1.2. Caractéristiques générales
Bien que la vitamine D existe sous plusieurs formes, le présent document portera principalement sur les vitamines D2 et D3, ainsi que leurs deux principaux dérivés métaboliques rencontrés dans l’organisme humain, soit le 25-hydroxyvitamine D et le calcitriol. L’ergocalciférol, ou vitamine D2, est principalement retrouvée parmi les végétaux tels que les champignons, les mousses, les lichens et dans certains cas, les escargots et les vers. D’ailleurs, le précurseur de l’ergocalciférol, l’ergostérol, peut
5 représenter jusqu’à 10 % de la masse sèche de ces organismes (Combs Jr 2012c). Au niveau du règne animal, c’est le 7-déshydrocholestérol qui fait office de précurseur à la vitamine D3, également nommé cholecalciférol (Combs Jr 2012c). Malgré ses nombreuses implications au sein du métabolisme, la principale action de la vitamine D est de promouvoir l’absorption intestinale du calcium et du phosphore, afin de bonifier la formation et le maintien des os et des dents (Institute of Medecine 2011).
1.1.3. L’ergocalciférol
Un débat scientifique réside actuellement face à l’efficacité réelle de la vitamine D2 chez l’être humain. Ce débat provient du fait que la vitamine D2 ne possède pas précisément les mêmes propriétés que la vitamine D3 (tableau 1.1) et que certaines espèces animales, tels les oiseaux, sont incapables d’utiliser l’ergocalciférol en tant que source de vitamine D (Combs Jr 2012c). Même si ces deux formes suivent virtuellement le même chemin métabolique, malgré une légère différence au sein de leur structure (figure 1.1), certains auteurs suggèrent que le profil pharmacocinétique de la vitamine D2 est similaire à celui de sa consœur (Holick et al. 2008; Combs Jr 2012c), alors que d’autres évoquent que la vitamine D3 est jusqu’à quatre fois plus efficace pour le maintien d’un bon niveau sérique de 25-hydroxyvitamine D (25(OH)D) (Vieth 2011) ; un dérivé métabolique de la vitamine D (D2 et D3) utilisé pour l’évaluation du taux de vitamine D (Institute of Medecine 2011). D’un autre côté, plusieurs études effectuées sur des rongeurs et des primates démontrent que la vitamine D2 serait moins active que la vitamine D3, mais aucune évidence n’a été montrée chez les humains jusqu’à présent (Institute of Medecine 2011). Malgré tout, actuellement, la vitamine D2 continue d’être utilisée cliniquement comme équivalente à sa consœur (Vieth 2011).
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Tableau 1.1: Différences entre la vitamine D2 et D3
Traduit de Vieth (2011)
Vitamine D2 Vitamine D3
Non détectée chez les humains ou les primates à
moins d’être administré de façon externe Retrouvée de façon naturelle chez les humains à la suite d’une exposition de la peau aux rayons UVB À la suite d’une administration d’une dose de
100 000 UI de vitamine D2, le niveau sérique de 25(OH)D2 est plus bas un mois après administration que le niveau de base avant administration
À la suite d’une administration d’une dose de 100 000 UI de vitamine D3, le niveau sérique de 25(OH)D3 est plus élevé un mois après administration que le niveau de base avant administration
Génère des métabolites pour lequel il n’existe pas d’équivalent sous forme de vitamine D3
La 25-hydroxylase microsomale n’a aucun effet sur
la vitamine D2 La 25-hydroxylase microsomale et mitochondriale agit sur la vitamine D3 Moins efficace que la vitamine D3 pour augmenter
le taux sérique de 25(OH)D
L’augmentation du taux sérique de 25(OH)D à la suite d’une administration de vitamine D2 est plus faible chez les personnes âgées que pour les jeunes adultes
L’augmentation du taux sérique de 25(OH)D à la suite d’une administration de vitamine D3 est la même pour tous les âges
Les préparations de vitamine D2 sont moins stables que les préparations de vitamine D3
1.1.4. Photobiologie de la vitamine D3
La prévitamine D3 est produite quelques minutes après l’exposition de la peau au soleil (figure 1.2) (Whiting & Calvo 2011). Ce métabolite est le résultat de la photolyse du précurseur de la vitamine D3 (7-déhydrocholestérol), situé principalement dans la couche de Malpighie, à la suite de l’absorption de rayons UVB de l’ordre de 290 à 320 nm (Combs Jr 2012c). L’instabilité de la prévitamine D3 est à l’origine de sa transformation en vitamine D3 à suite d’un arrangement thermique. Cependant, seuls 50 % de la forme prévitamine D3 est transformé en vitamine D3 dans les deux heures suivant l’exposition aux rayons UVB (Holick 2011). Lorsque libérée dans l’espace extracellulaire, la vitamine D3 se lie à une protéine de transport (vitamin D binding protein - DBP) et est transportée jusqu’au foie afin de poursuivre ses transformations et devenir métaboliquement active (section suivante).
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Figure 1.2: Synthèse cutanée de la vitamine D3
Tiré de Combs Jr (2012c)
L’exposition aux rayons UVB peut être quantifiée en dose érythémale. Une dose érythémale minimale (1 DEM) est la quantité d’énergie minimale nécessaire pour l’apparition de rougeurs sur la peau sans pour autant causer un « coup de soleil » (Whiting & Calvo 2011). Il est estimé que l’exposition au soleil d’une personne en bonne santé en maillot de bain à 1 DEM permet de produire l’équivalent de 10 000 et 20 000 UI de vitamine D3 (Holick 2011). Cependant, divers facteurs influencent la biosynthèse de cette vitamine (tableau 1.2), les personnes âgées et les personnes possédant une forte pigmentation de la peau sont plus à risque de développer des carences en vitamine D, surtout si ces personnes habitent une région nordique moins ensoleillée. Parallèlement, en raison de la dégradation rapide de la vitamine D3 par l’énergie des rayons UVB en dérivés métaboliques inactifs (figure 1.2), aucune hypervitaminose D n’a été diagnostiquée à la suite d’une exposition prolongée au soleil (Institute of Medecine 2011).
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Tableau 1.2: Facteurs influençant la photobiologie de la vitamine D3
Type de facteurs Sous-facteurs Effets Références
Physiologiques Pigmentation de la peau Augmentation du temps d’exposition requis pour atteindre 1
MED
Whiting & Calvo (2011) Âge Diminution de la capacité de
production du précurseur de la vitamine D3
Holick (2011) Janz & Pearson
(2013) Adiposité élevée Séquestration de la vitamine D3 Whiting & Calvo
(2011) Vieth (2011) Environnementaux Latitude Diminution de la quantité de rayons
UVB atteignant la Terre Holick (2011) Changement de saison Réduction du temps
d’ensoleillement Whiting & Calvo Holick (2011) (2011) Position du soleil dans le
ciel et couvert nuageux Variation de l’index UV Holick (2011) Sociaux et
culturels Environnement de travail Absence d’exposition au soleil Holick (2011) Utilisation d’écrans
solaires vitamine D3 malgré une exposition Limitation de la synthèse de au soleil
Holick (2011)
Mode vestimentaire Limitation de la synthèse de vitamine D3 malgré une exposition
au soleil
Holick (2011)
1.1.5. Absorption et métabolisme de la vitamine D
Les vitamines D2 et D3, en raison de leur caractère liposoluble, sont absorbées par diffusion passive au niveau du petit intestin, principalement au niveau du duodénum et de l’iléum (figure 1.3) (Combs Jr 2012c). L’absorption intestinale n’est généralement pas un facteur limitant au métabolisme de la vitamine D, sauf si une pathologie, telle que la maladie de Crohn, vient nuire à cette dernière (Whiting & Calvo 2011). Lorsqu’absorbée, la vitamine D entre dans la circulation lymphatique en s’associant avec les chylomicrons et, lorsque ces derniers sont dégradés, la vitamine D se lie à la transcalciférine, une protéine de transport de la vitamine D (Vitamin D Binding Protein – DBP) (Institute of Medecine 2011; Combs Jr 2012c). Lorsque complexée à DBP, la vitamine D, d’origine alimentaire ou cutanée, est transportée jusqu’au foie, lieu où s’amorce la première étape de transformation permettant la synthèse de la forme bioactive de la vitamine D. Les vitamines D2 et D3 sont tout d’abord converties respectivement en 25(OH)D2 et en 25(OH)D3 par une cytochrome P450 située dans les microsomes des cellules hépatique (tableau 1.3). Par la suite, ces
9 formes métaboliquement inactives se complexent de nouveau avec la DBP afin d’être transportées vers différents tissus et organes cibles, dont les reins, afin d’être transformées en calcitriol. Cette forme active agit comme une hormone en voyageant, toujours complexée à la DBP, de son site de production vers les différents sites d’actions (Jones & Prosser 2011; Whiting & Calvo 2011; Combs Jr 2012c).
Figure 1.3: Métabolisme des vitamines D2 et D3
Traduit de Anderson et al. (2003)
Le calcitriol serait impliqué dans la régulation de l’expression d’environ 5 % du génome humain (Institute of Medecine 2011). Outre la modulation de l’homéostasie du calcium par la stimulation intestinale du calcium et du phosphore et par l’activation des ostéoclastes au sein des os, la vitamine D, sous forme de calcitriol, permet de réduire les risques de développement de plusieurs maladies chroniques telles que l’arthrite rhumatoïde (Adorini 2011), la sclérose en plaques (Hayes et al. 2011), le diabète (Gysemans et al. 2011), le psoriasis (Reichrath & Holick 2011), les maladies inflammatoires de l’intestin (Bruce & Cantorna 2011) et divers cancers (Cross 2011; Krishnan & Feldman 2011; Tang & Epstein Jr 2011; Trump & Johnson 2011; Welsh 2011).
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Tableau 1.3: Localisation et fonction des enzymes responsables de la conversion de la vitamine D
Traduit de Jones & Prosser (2011)
Cytochrome
P450 Localisation (organisme) Localisation (cellulaire) Activité Fonction de l’enzyme
CYP2R1 Foie Microsomale 25-hydroxylation (D2 et D3) 25-hydroxylase CYP27B1 Rein Mitochondriale 1α-hydroxylation (D2 et D3) 1α-hydroxylase CYP24A1 Tissus cibles Mitochondriale 25(OH)D et de 1.25(OH)2D 23- et 24-hydroxylation de hydroxylase 23- et
24-Lorsque non utilisée, la vitamine D peut également être stockée. Cependant, contrairement aux autres vitamines liposolubles, cette dernière n’est pas stockée uniquement par le foie (les poissons étant une importante exception), mais est plutôt répartie de façon uniforme dans les compartiments hydrophobes des reins, du foie, des poumons, de l’aorte et du cœur (Combs Jr 2012c). Les tissus adipeux sont également une source de stockage importante étant donné leur caractère hydrophobe. Cependant, la libération et l’utilisation de la vitamine D ne s’effectue que lors de la diminution des tissus adipeux (Institute of Medecine 2011). De plus, lorsque catabolisée, la vitamine D est excrétée majoritairement via les fèces et en très faible quantité, via l’urine (St-Arnaud 2011).
1.1.6. Principales pathologies reliées à une déficience en vitamine D
L’état de carence en vitamine D est relié à deux principaux désordres pathologiques résultant d’une minéralisation inadéquate des os. La première et la plus importante, est le rachitisme et touche principalement les jeunes enfants, alors que la seconde, l’ostéomalacie, affecte particulièrement les adultes.
La cause principale du rachitisme est attribuée à un défaut de livraison du calcium à la surface des os, à la suite d’une stimulation insuffisante de l’absorption intestinale du calcium et du phosphore, causée par une déficience de vitamine D. Afin de prévenir l’état d’hypocalcémie, le corps augmente son taux d’hormone parathyroïdienne (PTH) afin d’augmenter l’activité des ostéoclastes. Les os deviennent alors de plus en plus faibles, à la suite d’une activité ostéoblastique importante produisant de grandes quantités d’ostéoïdes
11 non calcifiés remplaçant l’os primaire en pleine résorption. Ceci résulte en des retards de croissance, ainsi que d’importantes déformations du squelette chez l’enfant (figure 1.4) (Institute of Medecine 2011; Combs Jr 2012c). L’origine du rachitisme peut également être d’ordre génétique. Ces maladies autosomales récessives sont responsables d’un niveau anormalement bas de calcitriol à la suite d’une mutation affectant l’enzyme 1α-hydroxylase (vitamin D-dependent rickets type 1 – VDDR I) ou de l’absence du gène Vdr codant pour le récepteur de la vitamine D (VDDR II) (Institute of Medecine 2011). De façon générale, le rachitisme peut être traité par une supplémentation en l’un des différents métabolites de vitamine D et en calcium.
Figure 1.4: Enfant souffrant de rachitisme
Tirée de Whyte (2011)
Parallèlement, l’ostéomalacie est une maladie caractérisée par un défaut de minéralisation de la matrice osseuse nouvellement déposée à la suite d’un apport calcique déficient. Cette sous-minéralisation des os provoque différents symptômes, incluant de la faiblesse musculaire, de la douleur osseuse et des risques de fractures. Ces derniers étant provoqués à la suite d’une altération de la force des os et du ramollissement du squelette. Cette pathologie peut être traitée de façon similaire au rachitisme (Institute of Medecine 2011).
12
Bien qu’indirectement associée, une carence en vitamine D et en calcium est un facteur de risque important du développement de l’ostéoporose. Cette dernière touche particulièrement les femmes en période de ménopause en raison de la haute activité de remodelage des os qui réduit la densité et la solidité des os. Les personnes atteintes deviennent alors à risque de développer des fractures, notamment au niveau des vertèbres, de la hanche et de l’avant-bras (Institute of Medecine 2011).
1.1.7. Apports nutritionnels recommandés
L’Institute of Medecine (IOM) a établi en 1997 ses toutes premières recommandations officielles concernant la vitamine D (Institute of Medecine 1997). Cependant, en 2008, les gouvernements canadiens et américains, devant la multitude de nouvelles études scientifiques réalisées sur l’importance de la vitamine D, ont jugé qu’il y avait assez de preuves scientifiques pour financer une mise à jour de ces recommandations auprès de l’IOM. Ces nouvelles recommandations indiquent qu’il est préférable de consommer un minimum de 600 UI de vitamine D par jour (tableau 1.4) plutôt que les 200 UI recommandées en 1997 (Institute of Medecine 2011). Malgré l’impressionnant rapport de l’IOM, certaines organisations proposent leurs propres recommandations afin de diminuer les risques de développer certaines maladies. C’est d’ailleurs le cas pour la société canadienne du cancer, qui conseille de consommer plus de 1000 UI/jour (tableau 1.5) (Calvo & Whiting 2013).
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Tableau 1.4: Recommandations journalières en vitamine D (UI)
Adapté de Institute of Medecine (2011) et de Holick (2011)
Institute of Medecine Dr. Holick Âge suffisantApport 1 Apport moyen
estimé2 Apport nutritionnel recommandé3 Apport maximal tolérable4 Apport journalier Apport maximal tolérable 0-6 mois 400* - - 1000 400-1000 2000 6-12 mois 400 - - 1500 400-1000 2000 1-3 ans - 400 600 2500 600-1000 4000 4-8 ans - 400 600 3000 600-1000 4000 9-13 ans - 400 600 4000 1500-2000 4000 14-18 ans - 400 600 4000 1500-2000 4000 19-30 ans - 400 600 4000 1500-2000 10 000 31-50 ans - 400 600 4000 1500-2000 10 000 51-70 ans - 400 600 4000 1500-2000 10 000 ≥ 71 ans - 400 800 4000 1500-2000 10 000 Grossesse - 400 600 4000 1500-2000 10 000 Lactation - 400 600 4000 1500-2000 10 000
* 1 Unité internationale (UI) = 40 µg de vitamine D
1 Valeurs arbitraires utilisées lorsque les données scientifiques actuelles disponibles étaient insuffisantes pour l’estimation d’un apport moyen.
2 Apport journalier médian permettant de répondre aux besoins nutritionnels de 50 % de la population.
3 Calculé à partir de l’apport moyen estimé et assumant une distribution normale. Apport permettant de répondre aux besoins nutritifs de 97,5 % de la population.
4 Apport journalier maximal pouvant être toléré sans l’apparition d’effets indésirables. Conçu pour la protection de la santé publique.
Les recommandations de l’IOM font référence plus précisément à la quantité de vitamine D à consommer quotidiennement, afin d’obtenir et de maintenir un niveau sérique de 25-hydroxyvitamine D suffisant pour éviter tout risque de déficience ou de carence. Selon l’IOM, un niveau optimal de 25(OH)D de l’ordre de 50 nmol/L est nécessaire pour le maintien d’une bonne santé osseuse. L’état de déficience en vitamine D est attribué chez un individu lorsque ses niveaux sériques sont situés entre 50 et 30 nmol/L, alors que l’état de carence correspond plutôt à des niveaux inférieurs à 30 nmol/L. Cependant, le niveau de 25(OH)D optimal est un sujet controversé dans la communauté scientifique. Certaines publications, tel que le rapport de l’IOM, estiment que 50 nmol/L sont suffisants, alors que d’autres estiment qu’un niveau de 75 nmol/L serait préférable pour l’obtention d’une bonne santé osseuse (tableau1.4) (Holick 2011; Vieth 2011).
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Tableau 1.5: Recommandations proposées par diverses organisations
Tiré de Calvo & Whiting (2013)
Organisation (année) Âge Recommandation (UI/jour)
Endocrine society (2011) 1-18 ans 600 à 1000 + 19 ans 1500 à 2000 Ostéoporoses Canada (2010) 19-50 ans 400 à 1000
+ 51 ans 800 à 2000 Fondation Nationale de l’Ostéoporose (2008) - 50 ans 400 à 800
+ 51 ans 800 à 1000
Santé Canada (2007) + 50 ans + 400
Société Canadienne du Cancer (2007) + 19 ans 1000
1.1.8. Limites maximales et hypervitaminose
La nécessité d’établir des limites tolérables maximales journalières (tableau 1.4) provient principalement de la présence croissante d’aliments enrichis en vitamine D sur le marché. Ces recommandations sont une estimation d’une dose sécuritaire maximale pouvant être consommée quotidiennement sans toutefois nuire à la bonne santé des consommateurs (Institute of Medecine 2011). Les symptômes courants d’une intoxication, ou hypervitaminose D, apparaissent généralement après quatre à six semaines et se traduisent par des vomissements, des maux de tête, de la somnolence, de la diarrhée ou une polyurie et peuvent éventuellement mener à une hypercalcémie. Cette dernière se caractérise normalement par une augmentation anormale de l’absorption intestinale du calcium ainsi qu’une résorption osseuse excessive (Institute of Medecine 2011; Combs Jr 2012c). De plus, l’effet continu de ce débalancement de l’homéostasie calcique peut mener à l’apparition d’une calcinose, dont les symptômes se caractérisent par une déposition anormale de calcium et de phosphore dans les tissus mous tel que le cœur, les reins ainsi que les vaisseaux sanguins et respiratoires. Malgré tout, les cas cliniques d’hypercalcémies provoquées par une hypervitaminose D sont peu fréquents (Institute of Medecine 2011; Combs Jr 2012c). Une étude montre d’ailleurs qu’une consommation de 10 000 UI de vitamine D3 par jour pendant cinq mois n’altère pas le taux sérique de calcium et ne crée aucune perte urinaire anormale de calcium chez les adultes (tableau 1.6) (Heaney 2003).
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Tableau 1.6: Quantité journalière de vitamine D pouvant être consommée avant de développer une hypercalcémie
Tiré de Heaney (2003)
Dose de vitamine D
(UI/jour) Durée de l’étude (semaines) Hypercalcémie répertoriée
800 26 Non 1 800 12 Non 1 800 12 Non 2 000 26 Non 4 000 8 Non 10 000 4 Non 10 000 10 Non 10 000 22 Non 20 000 4 Non 50 000 6 Oui 300 000 3 Oui
1.1.9. Sources alimentaires de vitamine D
La vitamine D est naturellement présente dans une variété limitée d’aliments (tableau 1.7) (Combs Jr 2012a). Cependant, à la suite de la mise en place en 1975 d’un projet de loi canadien permettant de mieux contrôler la fortification des aliments, la vitamine D se retrouve également dans le lait de consommation ainsi que dans la margarine à des taux respectifs de 41 et 530 UI par portion de 100 g (Calvo & Whiting 2013; Sacco 2013). De par cette législation, une simple portion de 250 mL de lait permet de fournir 44 % des 200 UI de vitamine D requis quotidiennement selon le guide d’étiquetage et de publicité sur les aliments (Agence canadienne d'inspection des aliments 2013). Malheureusement, à la suite d’une importante baisse de sa popularité, la consommation du lait est passée de 92,6 L/habitant/année en 1992 à 78,7 L/habitant/année en 2011 (tableau 1.8) (Centre canadien d'information laitière 2013).
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Tableau 1.7: Concentration en vitamine D de certains aliments
Tiré de Combs Jr (2012b)
Nom de l’aliment Vitamine D (UI/100g)
Huile de foie de hareng 140 000 Huile de foie de morue 16 700 Champignon shiitake séché 1 660
Peau de poulet 900
Hareng dans le vinaigre 680 Saumon Rose en conserve 624
Margarine 530
Sardine en conserve 272
Thon en conserve 236
Caviar rouge et noir 232 Maquereau en conserve 228
Crevette cuite 152
Lait de consommation 41
Œuf 28
Lait maternel (humain) 10 Lait de vache (naturel) 2
D’un autre côté, l’enrichissement volontaire de certains aliments est permis depuis 2005 par le gouvernement canadien. Cet ajout doit cependant être situé entre 100 et 4000 UI par 1000 kcal, aussi longtemps que l'apport énergétique total prévu est de moins de 2500 kcal (Calvo & Whiting 2013). La fortification en vitamine D des pains et des produits de boulangerie est également permise depuis 2011(Sacco 2013). De plus, l’atteinte de la dose journalière de vitamine D recommandée par l’IOM est toujours possible via la consommation de suppléments multivitaminés en vente libre. Une prescription est cependant nécessaire pour obtenir des compléments contenant une dose supérieure à 1000 UI par comprimé (Institute of Medecine 2011).
Tableau 1.8: Consommation annuelle de litres de lait par Canadien
Tiré du Centre canadien d'information laitière (2013)
Années Lait 3,25% Lait 2% Lait 1% Lait écrémé Lait au chocolat Babeurre Total1
2012 10,32 35,78 16,99 7,88 5,96 0,35 77,28
2006 12,35 38,43 18,11 8,71 5,51 0,42 83,54
2000 14,20 43,24 17,26 8,59 4,54 0,39 88,22
1992 17,16 51,62 11,12 6,19 3,38 0,42 89,89
1Ventes annuelles de lait de consommation divisées par la population canadienne. Ne tient pas compte des échanges interprovinciaux et des achats outre-frontière.
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1.2. La fortification du fromage Cheddar en vitamine D
1.2.1. Le fromage, nouveau vecteur de vitamine D
Compte tenu de leur faible teneur en vitamine D, les fromages actuellement présents sur le marché ne permettent pas d’améliorer significativement l’apport quotidien en vitamine D requis pour une personne d’âge adulte (tableau 1.9). Cependant, la fortification du lait servant à la fabrication fromagère permettrait d’introduire sur le marché canadien de nouvelles sources de vitamine D pour les consommateurs. C’est d’ailleurs le cas du fromage Allegro qui a vu le jour en avril 2011. Ce fromage était le tout premier fromage canadien à contenir de la vitamine D (figure 1.5). Sa concentration de 60 UI de vitamine D par portion de 30 grammes permet d’obtenir 30 % des 200 UI de vitamine D requis quotidiennement selon le guide d’étiquetage et de publicité sur les aliments (Agence canadienne d'inspection des aliments 2013).
Tableau 1.9: Concentration en vitamine D de certains fromages
Tiré de O’Brien & O’Connor (2004)
Variété de fromage Teneur en vitamine D (UI/100g)
Cottage 1,2
Cheddar réduit en gras 4,4
Mozzarella 6,4
Camembert 7,2
Cheddar 10,4
Feta 20,0
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1.2.2. Les caractéristiques du fromage Cheddar et sa fabrication
Les ventes de fromage Cheddar totalisent aujourd’hui environ 35 % des fromages vendus annuellement au Canada, ce qui fait de ce produit l’un des fromages les plus consommés par les canadiens (Centre canadien d'information laitière 2013). Originaire du village de Cheddar en Angleterre, ce fromage datant du 16e siècle (Fox & McSweeney 2004) est un fromage à pâte ferme, fait à partir de lait de vache ou de bufflonne, affiné dans la masse et contenant au minimum, 31 % de matières grasses et au maximum, 39 % d’humidité. Sa texture est ferme, lisse et cireuse et sans ouverture. Sa pâte fondante en bouche possède une couleur uniforme allant du blanc ivoire à une couleur plus orangée, alors que sa saveur varie considérablement selon le temps d’affinage (St-Gelais & Tirard-Collet 2010; Codex Alimentarius 2013b).
Cependant, l’utilisation du nom « Cheddar » est réservée aux fromages conformes aux normes établies par le Codex Alimentarius (Codex Alimentarius 2013b). Dans le cas contraire, le terme « fromage » doit être utilisé conjointement à une formule descriptive appropriée relative aux caractéristiques de fermeté et d’affinage (Codex Alimentarius 2013a). Selon ces normes, un fromage Cheddar contenant de la vitamine D aurait donc la dénomination suivante : « Fromage à pâte ferme affiné dans la masse enrichi en vitamine D ».
La fabrication d’un fromage de type Cheddar, telle que représenté à la figure 1.6, est un processus complexe qui exige le parfait contrôle de plusieurs facteurs clés. L’un de ces premiers facteurs de contrôle est l’uniformité de la matière première, soit le lait de fromagerie. Selon les pratiques des artisans fromagers, le lait peut être ajusté à une teneur en protéines variant entre 3,5 et 4,0 % (Lawrence et al. 2004). Cet ajustement est généralement réalisé par addition de poudre de lait écrémé ou de poudre de concentrés de protéines du lait ou encore par ultrafiltration. Le lait peut également être standardisé selon un ratio caséines/gras avoisinant 0,70 afin d’obtenir une valeur de matières grasses sur base sèche d’au moins 48 % (Fox & McSweeney 2003). Ce ratio est important puisqu’une présence élevée de matières grasses dans le coagulum rend plus difficile l’égouttage étant donné que le gras interfère avec le processus de synérèse (Lawrence et al. 2004).
19 Le lait de fromagerie est le plus souvent soumis à un traitement thermique afin de réduire la microflore indigène présente. Cependant, la pasteurisation et l’entreposage au froid du lait sont des traitements qui nuisent à la coagulation et à l’égouttage, respectivement allongée et ralenti (St-Gelais & Tirard-Collet 2010). À la suite de la pasteurisation, le lait est acidifié pendant 60 minutes. Cette étape consiste en l’ajout du ferment et de chlorure de calcium (CaCl2) à la température d’emprésurage, soit entre
30-32°C. Ce temps de maturation permet au CaCl2 de rétablir en partie les équilibres
minéraux du lait et de restaurer l’aptitude du lait à la coagulation, tout en permettant aux ferments lactiques de s’adapter à leur milieu (phase de latence) et de débuter l’acidification du lait (St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Ces dernières sont sélectionnées en fonction de leur capacité acidifiante, de leur résistance aux phages et de leur capacité de développement de flaveurs (Lawrence et al. 2004).
La coagulation du lait est provoquée par la présure ajoutée au lait de fromagerie et se divise en deux phases distinctes. La phase primaire correspond à l’hydrolyse enzymatique de la caséine-K par la chymosine, provoquant la libération de deux fractions peptidiques, soit la paracaséine-K qui reste associée aux micelles de caséines et le caséinomacropeptide (CMP) qui est libéré dans le lactosérum. L’hydratation ainsi que la charge électrique des micelles de caséines en sont diminuées. Ceci permet, par la suite, d’enclencher la phase secondaire du processus de coagulation qui se traduit par le rapprochement des micelles et la formation d’un réseau caséique important, suite à la formation de liens hydrophobes entre les micelles. De plus, les ions calciums présents dans le lait permettent d’améliorer le processus d’agrégation des micelles de caséines en se liant à ces dernières, permettant ainsi de diminuer leurs répulsions électrostatiques (St-Gelais & Tirard-Collet 2010).
Le processus d’égouttage débute lorsque le coagulum atteint la fermeté désirée, soit environ 35-45 minutes après l’ajout de la présure (Lawrence et al. 2004). Le décaillage consiste en la coupe du gel en petits cubes de 0,5 à 2,5 cm3 afin d’accentuer le processus de synérèse du coagulum par l’augmentation de la surface de contact. La synérèse est un phénomène biochimique et physicochimique dans lequel le caillé formé se contracte
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continuellement et expulse du lactosérum, provoquant la déshydratation du caillé (St-Gelais & Tirard-Collet 2010).
La cuisson s’amorce suite au décaillage du coagulum. Lors de cette étape, la température est augmentée graduellement jusqu’à 38°C à un rythme de 1°C par tranche de cinq minutes et est maintenue à cette température pendant une heure (Fox & McSweeney 2003). Cette montée graduelle en température est nécessaire afin d’éviter la formation d’une coiffe à la surface des grains, rendant plus difficile l’expulsion du lactosérum. Le brassage empêche l’agglomération et la sédimentation des grains de caillé et permet une répartition uniforme de la chaleur, favorisant le développement des bactéries lactiques (St-Gelais & Tirard-Collet 2010).
Le soutirage du lactosérum s’effectue lorsque le pH atteint une valeur située entre 5,9 et 6,2. Les caillés sont ensuite soumis à un processus unique au fromage Cheddar et à quelques autres fromages à pâte ferme ; la cheddarisation. Cette étape clé se caractérise par une série de retournements et d’empilements des blocs de caillé favorisant la soudure des grains et la formation de filaments dont la texture finale est similaire à la chair de poulet (Fox & McSweeney 2003; St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Néanmoins, la principale fonction de la cheddarisation est d’offrir une période d’acidification supplémentaire qui permet de solubiliser le phosphate de calcium et de favoriser la perméabilité du caillé et donc, l’égouttage du lactosérum (Fox & McSweeney 2003; Lawrence et al. 2004). De plus, cette acidification supplémentaire permet également d’améliorer la qualité du produit final en inhibant la croissance de bactéries indésirables productrices de gaz telles que les coliformes (Lawrence et al. 2004). Le moulinage des grains s’effectue lorsque le pH des blocs de caillé cheddarisés atteint une valeur située entre 5,2 et 5,4 (Fox & McSweeney 2003; St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Cette étape permet de refroidir le caillé, d’augmenter sa surface de contact afin de favoriser l’égouttage et le salage et de permettre la mise en moule (Lawrence et al. 2004).
Le salage est une étape importante de la production qui permet de contrôler le pH final du fromage en contrôlant l’acidification du caillé afin de prévenir une déminéralisation excessive de la pâte, de contrôler la croissance des microorganismes nuisibles et de développer la flaveur et la texture du produit fini (Lawrence et al. 2004;
St-21 Gelais & Tirard-Collet 2010). La dissolution des cristaux de sels sur l’humidité de surface des grains de caillé permet de former une saumure qui diffuse à l’intérieur des grains et permet de contribuer à l’égouttage des grains (Lawrence et al. 2004).
La mise en moule et le pressage des grains de caillés est l’étape finale de l’égouttage qui permet de donner la forme finale du fromage tout en expulsant une partie du lactosérum restant. Une pression entre 0,2-6,0 psi (1,5-40 kPa) est appliquée entre 2 et 24 heures à une température et humidité contrôlées afin de favoriser le drainage du lactosérum (St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Par la suite, le fromage Cheddar est emballé sous vide et affiné à des températures situées entre 4 et 12°C pendant une période de temps de 3 à 24 mois, selon l’intensité de la saveur recherchée (Fox & McSweeney 2003).
Figure 1.6: Étapes de fabrication du fromage Cheddar
Adaptée de Lawrence et al. (2004)
1.2.3. Enrichissement du fromage Cheddar en vitamine D
Plusieurs travaux sur la fortification en vitamine D du fromage Cheddar ont été publiés récemment. Ces derniers ont démontré que la vitamine D n’est pas affectée par la pasteurisation des laits (Wagner et al. 2008a) et qu’elle est relativement stable lors des fabrications fromagères (Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a). En plus d’être stable lors du processus d’affinage (Banville et al. 2000; Wagner et al. 2008a), la vitamine D est distribuée de façon uniforme dans les caillés (Wagner et al. 2008a) et n’affecte pas la flaveur de ce dernier (Ganesan et al. 2011). Une étude de Wagner et al. (2008b) a même démontré que la vitamine D présente dans un fromage est tout aussi bio-disponible que la vitamine D retrouvée sous forme de supplément. Cependant, la vitamine D ajoutée au lait
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de fromagerie n’est retenue dans le fromage qu’en des proportions variant entre 40 % (Banville et al. 2000) et 90 % (Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a). Une partie de la vitamine se retrouve donc dans le lactosérum rendant plus difficile la valorisation de ce dernier puisque normalement le lactosérum ne contient pas de vitamine D.
1.2.4. Contamination du lactosérum
Malgré des taux de rétention de vitamine D dans les fromages pouvant atteindre 90 %, la présence non désirée de la vitamine D dans le lactosérum reste une problématique importante. Compte tenu de la nature liposoluble de la vitamine D, celle-ci serait entrainée en faible quantité hors du caillé par la matière grasse du lait retrouvée dans le lactosérum (tableau 1.10) (Kazmi et al. 2007). De plus, lorsqu’utilisée sous une forme émulsifiée, la vitamine D peut également être entrainée par la β-lactoglobuline, une protéine sérique représentant près de 55 % des protéines du lactosérum (St-Gelais & Tirard-Collet 2010). En fonction du pH, cette protéine a la capacité de lier jusqu’à deux molécules de vitamine D (Forrest et al. 2005; Diarrassouba et al. 2013). L’effet additif de ces deux facteurs résulte en une « contamination » du lactosérum par la vitamine D lorsque cette dernière est ajoutée au lait au début de la fabrication fromagère et rend plus difficile sa valorisation.
Tableau 1.10: Répartition des constituants du lait entre le lactosérum et le fromage lors d'une fabrication fromagère de type Cheddar
Tiré de Amiot et al. (2010)
Constituants Fromage (%) Lactosérum (%)
Matières solides 48 52 Calcium 62 38 Riboflavine 26 74 Caséines 96 4 Protéines sériques 4 96 Vitamine A 94 6 Matières grasses 94 6 Lactose 6 94 Vitamine D1 40 60 Vitamine D2 90 10
1 Selon Banville et al. (2000)
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1.2.5. Valorisation du lactosérum contaminé par la vitamine D
Plus de 90 % du lactosérum valorisé provient des productions fromagères (Huffman & de Barros Ferreira 2011). Le lactosérum se définit comme la phase aqueuse du lait qui provient de l’égouttage du caillé résultant de la coagulation acide ou enzymatique du lait. Comme le montre le tableau 1.10, le lactosérum contient une importante quantité de constituants qui proviennent du lait utilisé lors d’une fabrication fromagère de type Cheddar. Néanmoins, le lactosérum est un produit très dilué ne contenant que 6,5 % de solides totaux (St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Diverses technologies ont été développées afin de transformer ce dernier en différents produits dérivés destinés au domaine alimentaire (tableau 1.11). Comme le montre la figure 1.7, ces transformations poursuivent différents objectifs tels que l’élimination de l’eau, l’accroissement de la teneur en protéines, la purification et la conversion du lactose et finalement, la déminéralisation (Bylund 2003; Huffman & de Barros Ferreira 2011).
Lors de la fabrication d’un fromage Cheddar traditionnel, les vitamines liposolubles (A, D, E et K) situées dans la matière grasse du lait se retrouvent principalement dans le fromage ou encore dans la crème de lactosérum (US Dairy Export Council 2012). De ce fait, la teneur de ces vitamines dans le lactosérum après l’étape de séparation de la matière grasse est jugée comme étant négligeable. La teneur de ces vitamines n’est donc pas considérée pour les normes actuelles de compositions des produits dérivés du lactosérum, telle que la poudre de lactosérum (US Dairy Export Council 2012; Codex Alimentarius 2013c). Cependant, comme la vitamine D utilisée lors de la fortification des laits de fromagerie est sous forme émulsifiée, la vitamine non retenue dans le caillé se retrouve donc dans le lactosérum. La valorisation de ce dernier devient plus difficile puisque normalement le lactosérum ne contient pas de vitamine D.
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Figure 1.7: Procédés de valorisation du lactosérum
Traduit de Bylund (2003)
La contamination du lactosérum par la vitamine D lors de la fabrication fromagère peut cependant être atténuée par l’ultrafiltration préalable du lait. Ce procédé de séparation sur membranes permet de concentrer le lait avant la coagulation, de réduire la quantité de lactosérum égoutté et indirectement, de réduire la quantité de lactosérum contaminé en vitamine D.
Tableau 1.11: Types d'aliments dans lesquels les protéines du lactosérum sont utilisées
Traduit de Huffman & de Barros Ferreira (2011)
Propriétés Définition Types d’aliment
Solubilisation Habilité de rester en solution dans une
large étendue de pH Breuvages, yogourts, vinaigrettes Gélification Habilité de former un gel stable et
cohésif lorsque chauffé Fromages, produits de boulangerie Émulsion Habilité de garder deux solutions non
miscibles en suspension Formules pour nourrisson, vinaigrettes, soupes Stabilité à la
chaleur Habilité de résister à la chaleur Formules pour nourrisson, breuvages Fouettage Habilité de former des mousses
stables Gâteaux, desserts fouettés, crèmes glacées Agent de liaison Habilité de lier ou d’entrapper l’eau ou
la matière grasse Saucisses
Nutritive Profil d’acides aminés et bioactivité
