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Les laits en poudres

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doi:10.3166/sda.29.51-60 SCIENCES DES ALIMENTS, 29(2010) 51-60

© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit

Les laits en poudres

J.-F. Boudier, P. Schuck

SUMMARY Milk powders

Milk is extremely perishable, and yet, for a number of reasons, it has to be pre- served for later consumption. The removal of water prevents the growth of micro-organisms and facilitates preservation and storage of milk constituents.

Spray drying is one of the most convenient techniques for producing milk pow- ders and for stabilising milk constituents. Before spray drying, the milk under- goes several processes (such as heat treatment, cream separation, membrane processes, vacuum evaporation and homogenisation). The chemical, physical, technological, nutritional, functional and microbiological properties of the final products are influenced by a number of factors such as operating conditions, properties of the dairy products and storage conditions. After some economic aspects, the aim of this chapter is to describe the process of spray drying of dairy products (more precisely, those enriched in milk fat) including the vacuum evaporation, the lactose crystallisation and the rehydration and to review the effect of the processes on the physico-chemical properties of the dairy powders.

Keywords

powder, spray-drying, milk, milk fat.

RÉSUMÉ

Le lait est extrêmement périssable, il est donc souhaitable de le préserver pour une utilisation postérieure. L’élimination de l’eau (diminution d’activité de l’eau) empêche la croissance des micro-organismes et améliore la conservation des constituants du lait. Le séchage par atomisation est une des techniques les plus utilisées pour produire des poudres de lait afin de stabiliser les constituants de lait. Cependant, avant le séchage par atomisation, il est nécessaire d’appliquer successivement plusieurs opérations unitaires telles que le traitement thermique, l’écrémage, la filtration tangentielle, l’évaporation sous vide et l’homogénéisa- tion. Les propriétés des produits finis (propriétés chimiques, physiques, techno- logiques, nutritionnelles, fonctionnelles et microbiologiques) sont influencées par un certain nombre de facteurs impliquant les conditions de fonctionnement, les propriétés des matières premières mises en œuvre et les conditions de stoc- kage. Après quelques données économiques, l’objectif de ce chapitre est de décrire le séchage par atomisation des produits laitiers plus précisément enrichis en matière grasse laitière, incluant la concentration par évaporation sous vide, la

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cristallisation du lactose et la réhydratation avant de passer en revue l’effet de ces procédés sur les propriétés physico-chimiques de ces poudres de lait.

Mots clés

poudre, séchage par atomisation, lait, matière grasse.

1 – INTRODUCTION

1.1 Contexte technico-économique

La déshydratation du lait puis des lactosérums avait à l’origine comme objectif de stabiliser ces produits afin d’en assurer le stockage et le report. Avec l’évolution de la politique agricole communautaire (mise en place des quotas et baisse progres- sive du soutien des prix), les industriels laitiers ont été contraints de rechercher une meilleure valorisation des surplus de la production laitière et également des co-pro- duits générés par la transformation du lait en fromage (lactosérum) et de la crème en beurre (babeurre). Leurs efforts se sont portés immédiatement sur les fractions pro- téiques dont les qualités nutritionnelles et « technofonctionnelles » laissaient entre- voir de multiples applications. Il en résulte une évolution de la nature des poudres d’origine laitière au cours des dix dernières années. L’augmentation de la production fromagère à partir de lait de vache de 31 % entre 1986 et 2006 a conduit à une aug- mentation de la production de lactosérum et une diminution de la production de poudre de lait [1, 2]. En 2003, les co-produits générés par les principales transfor- mations laitières représentaient environ 50 % de la matière sèche du lait transformé [3]. Ces poudres de babeurre, de lactosérum et de lait écrémé ont constitué la 1re génération de poudres laitières.

À partir des années 80, l’industrie laitière de première transformation dont l’acti- vité technologique concernait essentiellement l’extraction et la purification des pro- téines (caséines, caséinates, protéines solubles, ...), s’est développée. L’émergence des techniques séparatives sur membrane (microfiltration, ultrafiltration, nanofiltra- tion et osmose inverse) a permis de généraliser l’obtention de diverses matrices pro- téiques telles que les concentrés de protéines laitières (MPC-MPI), les concentrés de protéines de lactosérum (WPC-WPI), les concentrés en caséines micellaires, les concentrés de lactosérum déminéralisé sélectivement et les concentrés de lait épuré [4, 5, 6]. Ces produits correspondent à la 2e génération de poudres laitières et sont exploités pour leurs propriétés nutritionnelles et/ou pour leurs propriétés technologi- ques.

Les connaissances acquises d’une part sur les mécanismes de texturation et de stabilisation des systèmes dispersés (mousse – émulsions) et d’autre part sur les relations entre les structures des protéines et leur fonctionnalité ont contribué à concevoir des traitements de nature physico-chimique, thermique, enzymatique qui permettent de fonctionnaliser les matrices protéiques. Des ingrédients fonctionnels de nature protéique aux propriétés nutritionnelles (laits infantiles), texturantes, géli- fiantes, filantes, moussantes, émulsifiantes, fromagères, etc. ont ainsi pu être déve- loppés. Ces ingrédients techno-fonctionnels constituent la 3e génération.

La maîtrise des séparations moléculaires associées éventuellement à des procé- dés d’hydrolyse enzymatique, a permis d’envisager à l’échelle industrielle d’isoler

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des protéines (β-caséine, α-lactalbumine, lactoferrine, lactoperoxydase, etc.) ou de produire et purifier des fractions peptidiques de protéines diverses (caséinomacro- peptide, phosphopeptide, β-casomorphine, etc.). Ces protéines et fractions peptidi- ques présentent des propriétés biologiques [transport, antihypertensive (Angiotensine Conversion Enzyme, ACE), antithrombotique, immunostimulante, antistress, etc.] dont certaines sont déjà exploitées. Ces ingrédients bio-fonctionnels correspondent à la 4e génération [3].

1.2 Contexte scientifique : verrous et leviers

La technique la plus employée pour la déshydratation des produits laitiers est le séchage par atomisation. C’est à partir des années 70 que cette technique s’est imposée au monde industriel. Il n’existait jusqu’alors que peu ou pas de travaux scientifiques et techniques sur le séchage par atomisation et notamment sur l’inci- dence des paramètres de séchage et des caractéristiques physico-chimiques et microbiologiques des concentrés sur la qualité des poudres obtenues. Les indus- triels ont acquis, souvent de façon empirique, une certaine maîtrise du séchage du lait et par la suite du lactosérum. Aujourd’hui, face à la diversité et à la complexité des préparations à sécher, une démarche plus rigoureuse basée sur des approches physico-chimiques et thermodynamiques s’impose. Elle passe notamment par une meilleure connaissance biochimique des produits avant séchage, des transferts d’eau au cours du séchage, des propriétés des poudres et des facteurs d’influence.

2 – PLACE DES OPÉRATIONS D’ÉLIMINATION D’EAU DANS LA STABILITÉ DES ALIMENTS

Nous pouvons envisager trois stratégies pour assurer la stabilité biologique d’une matière première agricole ou d’un aliment (figure 1).

Destruction de l’agent biologique soit par un apport énergétique qui induit une dénaturation des enzymes et des constituants cellulaires soit par des trai- tements physiques, chimiques, enzymatiques.

Séparation de l’agent biologique basée sur des différences de masse volumi- que ou sur les caractéristiques de taille de ceux-ci.

Inhibition des enzymes, microorganismes et réactions par diminution de la disponibilité de l’eau (baisse de l’aw), qui limite le transfert des substrats et facteurs de croissance et celui des métabolites ou produits de la réaction qui s’accumulent dans l’environnement réactionnel. Nous pouvons aussi faire de l’inhibition en créant des conditions physico-chimiques limitantes (pH, pres- sion d’oxygène, inhibiteurs bactériens, etc.).

Ainsi, la production de poudres laitières a pour objectif premier de stabiliser les ingrédients laitiers à l’aide de différentes opérations technologiques unitaires pour détruire (traitement thermique), séparer (centrifugation, microfiltration) et inhiber les agents biologiques par diminution de l’aw (concentration par filtration tangentielle, concentration par évaporation sous vide, cristallisation, séchage sur cylindre et séchage par atomisation). Les opérations technologiques les plus fréquemment mises en œuvre dans l’industrie laitière sont présentées dans la figure 1.

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Les matières premières sont traitées thermiquement dès leur entrée puis soumi- ses à des traitements de centrifugation pour éliminer soit la matière grasse, soit les éléments dispersés : sels minéraux, fines de caséines. Les matières premières clari- fiées et traitées thermiquement peuvent entrer directement dans diverses formules ou être soumises à des opérations de concentration différentielle (microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration). Les concentrés ainsi obtenus peuvent être, après for- mulation éventuelle, soumis à une homogénéisation puis à une concentration sup- plémentaire par évaporation sous vide pour être finalement séchés soit par atomisation, soit par passage sur cylindres chauffants.

Dans ce chapitre, nous nous attacherons à développer le contexte, le principe et les problématiques scientifiques relatifs aux opérations de concentration par évapo- ration sous vide, de cristallisation du lactose, de séchage par atomisation ainsi que de réhydratation des poudres laitières.

3 – CONCENTRATION PAR ÉVAPORATION SOUS VIDE (ESV)

Hormis les concentrés à très haute teneur en protéines (viscosité > à 200 mPa.s), la plupart des produits laitiers sont préalablement concentrés par évaporation sous vide avant d’être séchés. La concentration par évaporation consiste à placer un liquide dans des conditions de température et de pression qui permettent la vapori- sation du solvant. Ce procédé permet par conséquent de réaliser une concentration

Stabilisation Biologique

Froid : Réfrigération, Congélation, ...

Molécules à action bactériostatique : Polyphénols (Fumage), Sulfites, ...

Ajout d’additifs : Sels, Glucides, ...

Pressage

Cryo-Concentration Ébullition

Entraînement

Évaporation sous vide Séchage sur cylindres Sublimation

Lyophilisation Séchage par atomisation Égouttage

Filtration, ...

Séchage par fluidisation

Liquide Vapeur

INHIBITION

Blocage de l’eau Diminution de l’aw

Traitement thermique DESTRUCTION SÉPARATION

Bactofugation

Microfiltration Ionisation, Haute pression ...

Solide

Élimination de l’eau Molécules issues de fermentations lactiques, acétiques, alcooliques, ...

Poudre

Figure 1

Stratégie de stabilisation biologique des aliments.

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des éléments non volatils du produit traité. L’évaporation simple effet consiste à introduire le liquide à concentrer préalablement porté à sa température d’ébullition dans une enceinte sous vide (corps d’évaporation). Le vide imposé correspond à la pression de vapeur saturante à la température fixée pour l’ébullition du produit : par exemple, si celle-ci est de 70 °C, la pression régnant dans le corps d’évaporation est de 31 156 Pa. Dans ce contexte, toute chaleur fournie au produit se traduira par la vaporisation d’une partie de liquide. Le corps d’évaporation constitue donc un échangeur de chaleur. Dans la pratique, l’énergie fournie à cet échangeur (faisceau tubulaire en général) provient de vapeur à une température de 5 à 10 °C supérieure à celle du produit.

Dans l’industrie laitière, les évaporateurs sous vide sont « à flot tombant », ce qui signifie que le liquide, introduit au sommet de l’appareil, ruisselle sous forme de film de faible épaisseur (ordre de grandeur du mm) à l’intérieur des tubes. Le mélange liquide – vapeur est séparé dans une caisse de séparation attenante au corps d’éva- poration. On collecte ainsi d’une part la vapeur secondaire (encore appelée buées de vapeur) et d’autre part le liquide concentré. On récupère généralement l’énergie contenue dans les buées de vapeur, soit pour réchauffer le produit entrant, soit pour chauffer un deuxième corps d’évaporation (c’est le principe de l’évaporation multiple effet). Les énergies mises en jeu lors de la concentration simple effet se répartissent entre la chaleur sensible pour amener le produit à sa température d’ébullition (70 °C en l’occurrence) et la chaleur latente permettant d’évaporer une fraction d’eau. Le rendement de l’opération de concentration par évaporation est, en l’absence de toute récupération d’énergie, très faible. Aussi, l’essentiel des efforts effectués au plan technique a eu pour objet d’améliorer ce rendement par le préchauffage des solutions, la récupération de la chaleur des condensats et des concentrés, l’utilisa- tion du vide, l’utilisation de système « multiple effet » et l’utilisation de la thermo- compression et/ou de la recompression mécanique de vapeurs [7, 8].

4 – CRISTALLISATION DU LACTOSE

Le lactosérum est un produit intéressant par ses teneurs en lactose, en protéines riches en acides aminés indispensables (lysine et tryptophane) et par la présence de nombreuses vitamines du groupe B comme la thiamine, la riboflavine. La production de sérum correspond à 9 fois le tonnage de fromages fabriqués. L’industrie du lactosérum s’est donc considérablement développée. Cette évolution s’est faite, d’une part, pour des raisons économiques, les industriels laitiers désirant valoriser ce co-produit contenant la moitié de la matière sèche du lait mise en œuvre dans la fabrication fromagère, d’autre part pour des raisons environnementales.

Par rapport à la production de poudres de lait (écrémé ou enrichi en matière grasse) et concentrés protéiques laitiers, la transformation des lactosérums liquides en poudre implique une étape supplémentaire se situant après la concentration par évaporation sous vide et avant le séchage par atomisation. Il s’agit de la cristallisa- tion du lactose. Du fait de la haute teneur en lactose des lactosérums, la cristallisa- tion de ce disaccharide conditionne fortement le comportement de ces produits au cours de l’opération de séchage.

En effet, le lactose amorphe, très hygroscopique, est souvent à l’origine des pro- blèmes de collage en tour de séchage et de mottage au cours du stockage des pou- dres de lactosérums. En revanche, le lactose cristallisé est non hygroscopique et de

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ce fait améliore considérablement le déroulement des opérations technologiques mises en œuvre ainsi que la qualité des poudres de lactosérum. Aussi, la qualité des poudres est fortement tributaire de la cristallisation (qualitative et quantitative) du lactose. Par conséquent, la maîtrise et le contrôle de la cristallisation du lactose est une condition nécessaire pour améliorer l’aptitude au séchage et donc la qualité des poudres de lactosérum. Ceci est surtout valable pour les poudres de lactosérum exemptes de matières grasses. Par contre, concernant les poudres de lactosérum enrichies en matière grasses, il existe un véritable dilemme. De nombreuses études ont montrée que la cristallisation du lactose était certes nécessaire pour limiter l’hygroscopie de ces poudres, mais qu’elle était aussi néfaste. En effet, les cristaux de lactose limitent l’enrobage de la matière grasse favorisant ainsi la présence de matière grasse libre (non enrobée par une matrice protéique/glucidique) à la surface du grain, ce qui a comme conséquence de diminuer la coulabilité de ces poudres au cours du séchage et de favoriser l’oxydation de la matière grasse au cours du stoc- kage [9].

5 – SÉCHAGE PAR ATOMISATION

5.1 Contexte et problématiques

Comme cela a été dit préalablement, le séchage par atomisation est considéré dans le domaine de l’agro-alimentaire comme une « boîte noire » car la vitesse des transferts d’eau et de chaleur est telle que la compréhension des mécanismes de transferts d’eau au sein d’une gouttelette semble difficile à aborder et qu’entre autre nous manquons de connaissances biochimiques du produit à sécher, de connais- sances technologiques du procédé utilisé, de connaissances des interactions

« procédés-produits ».

5.2 Thermodynamique de l’eau et de l’air

Le séchage a pour objectif de préserver les constituants biologiques par abais- sement de l’aw en éliminant l’eau par entraînement. Cela consiste à placer un corps humide dans un courant d’air (ou un autre gaz) suffisamment chaud et sec. Dans ces conditions, il s’établit spontanément entre ce corps et le gaz un écart de tempé- rature et de pression partielle d’eau tel qu’un transfert de chaleur s’effectue de l’air vers le produit sous l’effet de l’écart de température et qu’un transfert d’eau s’effec- tue en sens inverse du fait de l’écart de pression partielle d’eau entre l’air et la sur- face du produit.

L’air sert à la fois de fluide chauffant et de gaz vecteur pour l’eau enlevée.

Entrant chaud et sec dans la tour de séchage, il en ressort humide et refroidi. Le séchage est un phénomène d’évaporation de l’eau superficielle entretenu par la montée capillaire de l’eau de l’intérieur de la gouttelette vers la surface. Tant que l’humidité moyenne est suffisante pour alimenter régulièrement la surface, la vitesse d’évaporation est constante, sinon elle diminue. La vitesse de séchage est propor- tionnelle à trois facteurs : la surface d’évaporation, la différence entre les pressions partielles de l’eau, au niveau de la particule et de l’air de séchage et la vitesse de migration de l’eau de l’intérieur de la particule vers sa surface.

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La cinétique de séchage est sous la dépendance d’un transfert de chaleur de l’air vers le produit et de masse du produit vers l’air, qui peut se formaliser en régime stationnaire. En début de séchage, la température de la gouttelette est égale à Th, température humide et sa pression partielle de vapeur d’eau de la gouttelette est égale à Pe0 (pression de vapeur d’eau saturante à Th). En fin de séchage, la cinéti- que décroît car la pression partielle de vapeur d’eau de la gouttelette diminue en tendant vers Pe (pression partielle de vapeur d’eau à T, température sèche) et sa température augmente en tendant vers T [10, 11].

6 – RÉHYDRATATION

6.1 Contexte et problématiques

Les ingrédients laitiers secs étant de plus en diversifiés en terme de composition et de propriétés physiques (granulométrie, masse volumique, écoulement, etc.), les utilisateurs ont de plus en plus de mal à déterminer les conditions de leur réhydrata- tion. Les poudres laitières constituent des milieux à multi-composants protéique, glucidique, lipidique, et minéral dont la « réactivité » vis-à-vis de l’eau est particuliè- rement complexe. Au cours de la réhydratation, les premières molécules d’eau peu- vent diffuser par la mise en jeu de différents mécanismes de transfert d’humidité.

L’effet capillaire sera prépondérant dans une particule de poudre extrêmement poreuse alors que la diffusion sera le phénomène principal de transfert d’humidité dans un milieu dense. Dans les deux cas, le processus de transfert d’humidité s’accompagne d’une solubilisation ou re-dispersion progressive des différents constituants dans le milieu aqueux entraînant la variation concomitante des condi- tions de réhydratation (pH, force ionique) par la solubilisation des minéraux et l’apparition d’interactions solutés-eau et solutés-solutés.

L’aptitude à la réhydratation des poudres est dépendante du caractère hydro- phobe ou hydrophile des constituants et de leur répartition dans le grain, du diamè- tre des pores et de la présence de zones particulièrement visqueuses (les cinétiques de diffusion seront complètement différentes dans une structure à l’état amorphe visco-élastique ou vitreux). La variation des caractéristiques physico-chimiques de l’environnement aqueux (pH, force ionique) en cours de réhydratation doit égale- ment être prise en compte dans le processus dynamique de réhydratation des cons- tituants, protéiques en particulier. La présence d’insolubles dans le milieu doit être explicitée en relation avec la composition initiale du produit laitier, le procédé d’obtention des poudres laitières (notamment le barème température), la structure des particules de poudre, la cinétique de réhydratation des différents constituants.

La compréhension des phénomènes de réhydratation nécessite une bonne con- naissance de l’évolution de chaque constituant durant le processus d’obtention des poudres puis au cours de leur réhydratation et une bonne maîtrise de la composition des poudres laitières et du procédé d’atomisation. Le lactose joue un rôle important, de par sa réactivité (réactions de Maillard) et de par sa température de transition vitreuse qui intervient dans les conditions de séchage et de conservation des pou- dres laitières. Depuis 10 ans, de nombreuses études relatent ces phénomènes de réhydratation [12, 13].

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7 – LES POUDRES ENRICHIES EN MATIÈRE GRASSE

Pour des raisons économiques, fonctionnelles ou nutritionnelles, les industriels laitiers ont diversifié leur production en réalisant des poudres de lait à 26 % de matière grasse (MG), des poudres de beurre à 82 % de MG, des poudres de lait infantile ou des lactoremplaceurs (à base de lactosérum). Concernant les poudres de beurre, il s’agit de poudre ne comportant pas plus de 82 % de matière grasse.

L’eau a été remplacée par différents ingrédients : maltodextrine (support de séchage), lécithine (émulsifiant), saccharose (dépresseur d’activité de l’eau), citrate trisodique (fluidifiant) [10].

Le développement de ces poudres laitières enrichies en matière grasse est tel qu’il faut maintenant envisager de s’intéresser de plus en plus aux conséquences physico-chimiques et nutritionnelles des différents procédés mis en œuvre pour la fabrication de ces poudres sur la matière grasse, et plus particulièrement sur les conditions de formation ou non de la matière grasse libre dans le produit.

En effet, si la matière grasse libre est recherchée dans des applications bien par- ticulières (chocolaterie, …), la matière grasse libre pose des problèmes de qualité sérieux dans les autres cas : elle entraîne à la fois une diminution de la conservation des poudres par l’oxydation des lipides et une diminution de leurs propriétés physi- ques de dispersibilité, solubilité, mouillabilité et écoulement.

La récente synthèse bibliographique réalisée par Vignolles et al. 2008 [9] fait ressortir deux groupes de facteurs prépondérants dans la maîtrise de la qualité des poudres de lait enrichies en matière grasse : la composition et le procédé de fabrication. Concernant la composition, plusieurs questions doivent être posées.

En effet, au niveau de la matière grasse, quel est son point de fusion ? Quelle est sa concentration ? Y a-t-il présence ou non de phospholipide ? Au niveau des protéines : Quelles sont les types de protéines utilisées ? Caséines, caséinates, protéines de lactosérum (concentré, isolat), +/– dénaturées ? Enfin, le lactose est-il cristallisé ou amorphe ? Concernant le procédé de fabrication, quel est le comportement de la matière grasse au cours de l’homogénéisation, de la cristal- lisation du lactose, du séchage par atomisation, du stockage et de la réhydratation ?

L’étude bibliographique montre ainsi qu’il y a encore peu d’études spécifiques aux poudres enrichies en matière grasse de manière à mieux comprendre l’interac- tion du procédé de séchage avec la nature de la matière grasse, avec la présence ou non de molécules tensio-actives de nature lipidique et avec le comportement des protéines aux interfaces depuis la formation de l’émulsion jusqu’au stockage et à la réhydratation [9].

Ainsi, il apparaît que les caractéristiques physiques et physico-chimiques des émulsions destinées à être séchées (taille des gouttelettes et viscosité) et des pou- dres obtenues (oxydation, réhydratation, écoulement) seraient des paramètres clés à suivre dans le cadre de recherches relatives à la nutrition.

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8 – CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Les qualités et propriétés d’usage des poudres laitières dépendent de la nature physico-chimique de la matrice et des paramètres technologiques mis en œuvre sans que le poids de l’un et de l’autre puisse facilement être identifié. La composi- tion physico-chimique de la poudre dépend essentiellement de celle de la matrice de départ (approche « Physico-chimique »), et ses propriétés physiques et qualités d’usage dépendent essentiellement des opérations technologiques mises en œuvre (approche « Génie des Procédés »). Toutefois, il ne faut pas oublier qu’un des objec- tifs de la déshydratation est d’assurer la stabilisation biologique des constituants du lait par abaissement de l’activité de l’eau (aw) par élimination de l’eau sous forme liquide (concentration par filtration) et vapeur (concentration par évaporation et séchage), dans un environnement donné. L’eau a donc un rôle majeur au cours du séchage, mais également au niveau de la concentration par filtration ou de l’évapo- ration sous vide, la cristallisation, la fluidisation, la réhumidification, le stockage voire la réhydratation, étape ultime du processus.

Compte tenu des interactions entre l’eau et les constituants de la matrice et de la réactivité de la matrice et des caractéristiques rhéologiques sur la diffusion de l’eau, nous ne pouvons pas dissocier l’approche « Physico-chimique » de l’appro- che « Génie des Procédés ». Pour une composition physico-chimique de matrice donnée, les questions de recherche de base sont alors de deux ordres :

– En quoi les procédés mis en œuvre modifient les transferts d’eau et donc la qualité et les propriétés d’usage de la poudre ?

– En quoi, la composition physico-chimique de la matrice modifie les transferts d’eau et donc la qualité et propriétés d’usage de la poudre ?

La résultante de cette réflexion aboutit au fait que l’amélioration de la qualité des poudres laitières et de leurs propriétés d’usage ne peut se faire qu’au travers de l’étude des « interactions procédés-produits » au niveau de la dynamique de l’eau avant, pendant et après le séchage.

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