Article pp.483-491 du Vol.26 n°6 (2006)

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Focus

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^es

Entretiens de Nutrition Institut Pasteur de Lille

Extraits

Produits laitiers : actualités nutritionnelles

Rédacteur en chef invité :

Jean-Michel Lecerf

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SCIENCES DES ALIMENTS, 26(2006) 483-491

FOCUS : Produits laitiers – actualités nutritionnelles

Traitements technologiques et enrichissement du lait

Impact nutritionnel

I. Birlouez-Aragon, A. Charissou, S. Damjanovic

SUMMARY

Milk fortification and processing – Nutritional impact

Milk is nowadays fortified with various nutrients (vitamins, minerals, essential fatty acids and fibres...) in order to better fulfil the nutritional needs of population subgroups (infants, children, pregnant women, elderly...). On the other hand, long-term storage of food is better adapted to our modern lifestyle, explaining the preponderance of UHT milk (heat-treated for 3-6 sec at 130- 135°C) (> 80% sails) over pasteurized milk.

Protein quality is however highly conditioned by the reactions occurring during the heat treatment, which induce modifications by many thermally-oxi- dized substrates (lactose, some vitamins and essential fatty acids).

Exogenous enrichment of milk with such heat-sensitive substrates could favour these reactions and originate a higher protein quality loss. This was confirmed by our analysis on infant and growth formulas, as well as fortified milk for adults.

Lysine is the main amino-acid modified by these reactions (average 15- 20%, and up to 50% in some formulas), due to the presence of a free amino group, which rapidly reacts with carbonyl-containing substrates, which are produced from oxidation of lactose, vitamin C and essential fatty acids.

Moreover, the amine group in vitamins also react with the same carbonyl compounds, modifying the vitamin function. Little is known on the biological impact of such newly formed compounds.

Storage of fortified milk for 3-4 months at ambient temperature, despite of preserving the microbiological and organoleptic quality, is also associated to development of such reactions initiated during sterilization, further altering the physico-chemical and nutritional properties of milk proteins.

Milk is considered as an ideal vector for nutritional supplementation, allo- wing correcting the deficiencies of our occidental diets. However, the heat treatment presently applied to milk in order to ensure a prolonged shelf life, significantly limits this objective. Developing alternative technologies which

Institut National Agronomique Paris-Grignon et Institut Polytechnique Lasalle – Beauvais.

* Correspondance : Ines.birlouez@lasalle-beauvais.fr

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would better respect the product quality, as well as controlling the nutrient degradation during the process, should allow milk to really be an efficient vector for nutritional supplementation.

Keywords

milk, vitamins, heat treatment, nutritional quality, Maillard reaction.

RÉSUMÉ

Les laits se diversifient de plus en plus par enrichissement en diverses vitamines, minéraux, acides gras essentiels et fibres. Ils sont censés ainsi mieux répondre aux besoins nutritionnels de sous-groupes de populations (enfants, femmes enceintes, personnes âgées…). Par ailleurs, les contraintes de la vie moderne expliquent l’engouement des Français pour les laits de longue conservation, UHT (> 80 % des ventes), obtenus grâce à l’application d’un traitement de très courte durée (3-6 sec.) à très haute température (130-135 °C).

La qualité des protéines du lait souffre cependant des réactions mises en jeu au cours de ces traitements thermiques. Elles sont modifiées par divers substrats qui s’oxydent rapidement à la chaleur (lactose, certaines vitamines, acides gras insaturés). Dans les laits enrichis, l’apport exogène en ces substrats fragiles, pourraient favoriser ces réactions de modification des protéines. C’est ce que montrent nos analyses réalisées sur les laits infantiles et de croissance, et sur quelques laits enrichis pour adultes.

La lysine est l’acide aminé qui réagit le plus (en moyenne 15-20 % mais jusqu’à 50 % dans certaines formules) en raison de la présence d’un groupement amine réactif libre qui, à la chaleur, se lie rapidement avec l’ensemble des composés (dits carbonylés) d’oxydation des sucres, vitamine C et acides gras essentiels. De plus, les vitamines réagissent également à partir de leur groupement amine avec ces mêmes composés, ce qui modifie leur fonction. Peu de données existent sur l’impact biologique des nouveaux composés générés par ces réactions.

Malgré une bonne préservation des qualités microbiologique et organolepti- que du produit, la conservation 3-4 mois à température ambiante continue à dégrader ces substrats fragiles et à altérer les propriétés physico-chimiques et nutritionnelles des protéines.

Le lait apparaît pour beaucoup comme l’aliment idéal support des diverses supplémentations nutritionnelles censées corriger les déséquilibres de nos rations alimentaires. Cependant, les barèmes thermiques tels qu’ils sont appliqués aujourd’hui, limitent sensiblement l’objectif visé. Le développe- ment de technologies de stérilisation plus respectueuses du produit formulé et la maîtrise des niveaux de dégradation des nutriments ajoutés semblent la condition pour que le lait soit réellement un vecteur efficace des supplé- ments nutritionnels.

Mots clés

lait, vitamines, traitement thermique, qualité nutritionnelle, réaction de Maillard.

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Traitements technologiques et enrichissement du lait – Impact nutritionnel 485

1 – INTRODUCTION

Le lait des mammifères est considéré comme un aliment complet, puisqu’il constitue l’aliment exclusif du petit. Le lait de la mère est cependant si parfaite- ment adapté aux besoins nutritionnels de chaque mammifère en croissance que le lait de vache ne peut être l’aliment idéal du nourrisson ou du jeune enfant. C’est pourquoi, de nombreux ajustements nutritionnels sont nécessaires lors de la fabrication des formules infantiles et des laits de croissance. Une baisse de la teneur en protéines, une augmentation de la concentration de lactose, le remplacement des graisses laitières par des graisses végétales riches en acides gras polyinsaturés, en particulier en acides gras oméga 3, et enfin un enrichissement en vitamines, minéraux et quelques microconstituants fonction- nels permettent de simuler la composition du lait de femme.

De manière plus générale, le lait est considéré, de par sa bonne image d’aliment complet, comme un véhicule de choix des supplémentations visant des groupes spécifiques de populations adultes. Ainsi, le lait fait l’objet de déroga- tions pour des supplémentations en vitamine D, en acides gras oméga 3 ou encore en fer, magnésium et vitamines. Des dérogations sont nécessaires dans la mesure où la réglementation qui régit l’enrichissement nutritionnel exige que l’aliment support de la supplémentation contienne au moins 15 % des ANC pour le nutriment considéré. Or, le lait de vache ne contient significativement ni vitamine C, ni acide gras oméga 3, ni fer ou magnésium.

Si l’importance de la supplémentation pour la santé publique peut justifier une telle dérogation, il semble cependant que les implications technologiques de telles opérations aient été sous-estimées. En effet, l’ensemble des micronutriments est ajouté au lait avant le traitement de stérilisation. Or, les étapes de fabrication des formules enrichies incluent des traitements de pasteurisation, suivie de stérilisation ou atomisation, qui favorisent les interactions entre les nutriments ajoutés et les protéines du lait. De plus, ces réactions semblent se poursuivre lors de la conservation à température ambiante. Nous prendrons l’exemple des laits infantiles et de croissance, formules particulièrement complexes, pour mettre en évidence les réactions majeures qui contribuent à altérer la qualité nutritionnelle. Puis, nous évaluerons plus largement la qualité nutritionnelle de laits enrichis pour adultes, par comparaison avec le lait de vache conventionnel, en utilisant un outil de caractérisation globale de la qua- lité, la fluorescence, corrélée à la qualité nutritionnelle des protéines.

2 – LES RÉACTIONS MISES EN JEU DANS LES FORMULES INFANTILES ET DE CROISSANCE

Les lipides insaturés, le lactose et la vitamine C ajoutés au lait sont très sensibles à la chaleur et tendent à se dégrader par thermo-oxydation. Ces réac- tions sont favorisées par le pH du lait, proche de la neutralité. Ces divers nutriments se décomposent alors en composés réactifs, contenant des groupe-

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ments carbonyle qui attaquent les résidus amine libre des acides aminés et des protéines du lait. Cette réaction est connue sous le nom de réaction de Maillard et est proportionnelle à la charge thermique appliquée au lait. Cette réaction entraîne une modification des acides aminés qui se manifeste, dans le cas où celui-ci est essentiel, par une baisse de la qualité nutritionnelle de la protéine.

En effet, l’acide aminé modifié est partiellement absorbé (de l’ordre de 30 %) mais n’est pas incorporé dans les protéines nouvellement synthétisées. L’acide aminé le plus réactif est la lysine, mais l’arginine et la cystéine sont également touchés.

La réaction de Maillard sur la lysine est l’une des plus étudiées, de telle sorte que des indicateurs pertinents ont été sélectionnés, dont l’impact biologique est en cours d’évaluation. La lactulosyllysine (LL), produit formé au cours de la réaction précoce de Maillard par l’addition de lactose sur la lysine peptidique, est dosée par HPLC sous la forme de furosine, obtenue après hydrolyse acide de la protéine. Ce composé constitue la forme majeure de blocage de la lysine.

L’un des produits de réaction entre la lysine et la vitamine C oxydée est un dérivé de l’acide oxalique (OMA) qui peut être dosé par ELISA. On ne connaît cependant pas l’impact biologique de ce composé. Enfin, la carboxyméthylly- sine (CML) est un composé de la réaction avancée de Maillard, commun à plu- sieurs voies possibles de dégradation. En effet, LL, OMA et le méthylglyoxal issu de la peroxydation lipidique secondaire sont autant de substrats de la CML (figure 1). La carboxyméthylysine semble être activement captée par des récep- teurs (appelés RAGE) de la superfamille des immunoglobulines et serait respon- sable de l’activation de cascades réactionnelles pro-inflammatoires. La lysinoalanine est quant à elle un produit de réaction entre la dehydroalanine, formée par dégradation de la phosphosérine ou de la cystine, et la lysine. Ce produit pourrait avoir des effets délétères au niveau du rein.

Une première étude nous a permis d’évaluer le taux de dégradation de la vitamine C dans des formules liquides de croissance après stérilisation de type UHT indirect (132 °C, 6 sec) ou en bouteille (110 °C, 20 min). Nous observons une diminution de 20 et 40 % de la vitamine après application des deux procé- dés (UHT et stérilisé bouteille) respectivement (GLIGUEM et BIRLOUEZ-ARAGON,

Lactose

Ascorbate AGPI Fer

Fer OH^•

Acide oxalique monoalkylamide

(OMA) Lactulosyl-

lysine _OH

Fer •

CML Carboxyméthyllysine Composés

carbonylés R-C-R’

O

R-C-C -R’

O O

Lysine protéique

Figure 1

Les voies de formation de la CML dans les formules infantiles.

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2003). Parallèlement, le lactose et les acides gras polyinsaturés s’oxydent ; mais le taux de dégradation est tellement faible au regard de la concentration initiale, que les dosages ne permettent pas de mettre en évidence de baisse significative. En revanche, les composés issus de la réaction entre produits de dégradation avec lysine sont clairement détectés et révèlent la réalité de ces réactions. On constate que ces composés sont plus de trois fois plus concen- trés dans les formules infantiles que dans le lait de vache de grande consommation (tableau 1). Les laits en poudres sont plus touchés par la réaction précoce de Maillard, détectée par la furosine, alors que dans les laits liquides, la réaction semble se déplacer vers l’étape avancée (OMA et CML). Ceci résulte sans doute de l’application de plus fortes températures pour la stérilisation des formules liquides. Cependant, le taux de blocage de la lysine est similaire dans les laits en poudre et dans les laits liquides (tableau 1). Il est vrai qu’une fraction des résidus lysine bloqués par la réaction précoce est restaurée au cours de la réaction avancée par scission de la liaison imine.

Tableau 1

Niveau de quelques marqueurs de la réaction de Maillard dans les laits infantiles.

3 – IMPACT DE L’HYDROLYSE DES PROTÉINES OU DU LACTOSE

On a recours à l’hydrolyse partielle ou totale des protéines dans le cas d’allergies aux protéines de vache. Cette hydrolyse aboutit à libérer un nombre considérable de fonctions amine libres, qui pourront réagir ensuite avec les composés carbonylés. Si l’on considère spécifiquement les produits formés à partir de la lysine, on note plus de furosine, de CML et d’OMA et donc plus de lysine bloquée (tableau 2).

Dans le cas d’une malabsorption du lactose, on peut être amené à ajouter au lait de la lactase pour hydrolyser le lactose et favoriser la digestibilité du lait.

Le lactose qui ne contient qu’une fonction réductrice est alors scindé en glu- cose et galactose, contenant chacun une fonction réductrice qui double la quantité de furosine formée pour un même traitement thermique appliqué. En effet la fructosyllysine et la galactosyllysine se transforment tous deux en furosine après hydrolyse acide de la protéine.

Perte en lysine Furosine OMA CML

% mg/100 gP UR µg/gP

Laits UHT grande consommation 3,7 + 0,6 65 + 25,2 traces traces Laits infantiles UHT 20,7 + 7,7 159 + 69,2 4,1 + 0,54 13,9 + 2,1 Laits infantiles en poudre 16,9 + 8,0 257 + 95,6 2,85 + 0,62 11,8 + 1,6

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Tableau 2

Effet de l’hydrolyse des protéines sur quelques indicateurs de la réaction de Maillard.

4 – EFFET DE LA CONSERVATION SUR LA RÉACTION DE MAILLARD ET LA QUALITÉ NUTRITIONNELLE DES FORMULES INFANTILES

On a longtemps considéré que le stockage des aliments liquides stériles de longue conservation avait un impact négligeable sur la qualité du produit. En fait, depuis quelques années, il a été montré que la température de conservation et l’emballage jouaient un rôle majeur dans la stabilité du produit. La per- méabilité de l’emballage à l’oxygène conditionne le niveau d’oxydation des composés les plus sensibles, alors que la température de stockage est un fac- teur clé du développement de la réaction de Maillard, même au-dessous de 25 °C. Malgré les faibles vitesses des réactions, la longue durée de conservation permet une augmentation significative des produits de Maillard et du blocage de la lysine des protéines. De plus, la dénaturation protéique continue de se développer, notamment du fait des interactions protéines-lipides et protéines sucres.

La figure 2 montre la dégradation de la vitamine C dans des laits de croissance au cours de la conservation, selon que l’emballage est une bouteille 3 ou 6 couches. On constate que très rapidement la vitamine C est oxydée par l’air qui pénètre au travers de l’emballage 3 couches, et totalement dégradée après 1 mois de conservation. En revanche, cette dégradation est fortement ralentie dans l’emballage 6 couches malgré une perte de 60-70 % au bout de 4 mois.

La vitamine C est en effet particulièrement fragile dans ces laits en raison du pH relativement élevé (en comparaison par exemple avec des jus de fruits) et de la présence de fer, activateur connu des réactions d’oxydation radicalaire.

La figure 3 révèle l’influence très importante d’un vieillissement accéléré (48 heures à 60 °C) sur les indicateurs de la réaction de Maillard et la lysine dis- ponible. Les poudres ont été incubées après ouverture, si bien que la poudre est alors exposée à la présence d’air et de traces d’humidité, favorables à l’oxydation des lipides et de la LL. La lysine bloquée diminue de 25 % en moyenne, de manière non significativement différente selon le type de lait, liquide ou en poudre, hydrolysé ou non. La furosine augmente de plus de 2 fois dans les laits liquides hydrolysés ou non, alors que la CML n’augmente que de 40 % en moyenne. Les formules liquides hydrolysées restent les produits les plus modi- fiés par la réaction de Maillard.

LI LIH PI PIH

Lysine (mg/gP) 73,6 + 8,6 51,1 + 0,7 57,1 + 0,8 62,7 + 5,6

Furosine (mg/100gP) 196,6 + 75,8 359,5 + 103,3 321,2 + 80,4 284,5 + 214,6

CML (µg/gP) 14,2 + 6,9 40,2 + 20,2 10,8 + 1,45 20,1 + 8,8

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5 – CONCLUSION

En conclusion, le lait est sans doute un vecteur symboliquement idéal pour une supplémentation nutritionnelle, tant son image d’aliment pur et complet est ancrée dans les mentalités. Cependant, sa composition physico-chimique (pH, forte teneur en protéines réactives et en lactose), les traitements de séchage ou de stérilisation et le stockage de longue durée qu’il subit fragilisent les nutriments ajoutés. Ceux-ci se dégradent alors et génèrent des composés indésira-

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Teneur en vitamine C (mg/L)

0 1 2 4

Temps de conservation (mois)

UHT Stérilisé

Figure 2

Déclin de la teneur en vitamine C au cours de la conservation de laits de croissance en emballage 6 couches.

0 20 40 60 80 LI

LIH

PI PIH

Lysine (mg/gP) t = 0 Lysine (mg/gP) t = 48

0 500 1 000 LI

LIH

PI PIH

Furosine (mg/100 gP) t = 48 Furosine (mg/100 gP) t = 0

0 10 20 30 40 50 60LI

LIH

PI PIH

CML (μg/gP) t = 48 CML (μg/gP) t = 0

Figure 3

Évolution de trois indicateurs de la réaction de Maillard au cours du vieillissement accéléré de formules infantiles en poudre (PI, n = 3) ou liquides (LI, n = 12)

hydrolysées (PIH, n = 3 et LIH, n = 2) ou non.

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bles. La première conséquence est un blocage de la lysine protéique, acide aminé essentiel, qui résulte en une baisse de la valeur biologique des protéines.

La deuxième conséquence est la formation de composés dits néoformés, qui soulèvent des questions de sécurité alimentaire. La carboxyméthyllysine en particulier est suspectée moduler la réponse inflammatoire et l’autoimmunité, alors que les composés carbonylés issus de l’oxydation des sucres et des lipides ont une activité cytotoxique in vitro. Enfin, la lysinoalanine pourrait perturber le fonctionnement rénal. Même si l’impact physiologique de ces composés n’est pas démontré in vivo, la prudence veut que l’on cherche à minimiser la formation de tels composés.

Les laits infantiles et de croissance sont les laits dont la formulation est la plus complexe et, à ce titre, constituent donc un exemple caricatural des réac- tions qui peuvent être mises en jeu dans les laits enrichis de grande consommation. On retrouve cependant dans la grande majorité des laits enrichis en vitamines, fer ou acides gras essentiels destinés à la population adulte, une augmentation de la réaction de Maillard, évaluée globalement par fluorescence.

Nous avons de bons arguments pour penser que les nutriments sensibles sont les acides gras poly insaturés, la vitamine C et les ions métalliques fer et cuivre.

Cependant, d’autres micronutriments faisant l’objet d’enrichissement ne sont pas fragiles ou réactifs, comme par exemple le calcium et le magnésium.

La maîtrise de la formulation et le développement de technologies alternati- ves plus douces et respectueuses de la composition physicochimique, comme la microfiltration, les microondes ou encore les hautes pressions et champs électriques pulsés devraient permettre d’améliorer la qualité des laits enrichis.

Un contrôle systématique des composés néoformés dans ces laits nous semble nécessaire pour, d’une part favoriser les stratégies d’amélioration de la qualité et, d’autre part, pour justifier le bien-fondé des allégations nutritionnelles associées.

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