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Lait (1991) 71,141-171© Elsevier/INRA

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Connaissances nouvelles sur les propriétésfonctionnelles des protéines du lait et des dérivés

D Lorient, B Closs, JL Caurthaudan

ENSBANA, Campus Universitaire, département de biochimie et toxicologie alimentaires,21 000 Dijon, France

Résumé - Grâce à une connaissance précise de leurs structures primaire et tridimensionnelle, onsait mieux comprendre les propriétés fonctionnelles des 5 protéines majeures du lait (caséines as1'~ et K, ~-Iactoglobuline et a-lactalbumine) et mieux les utiliser dans des produits carnés, des pâtisse-ries, des sauces et crèmes glacées.On a pu ainsi relier aux propriétés de surface, des propriétés dynamiques telles que la flexibilité, ouhydrodynamiques telles que la viscosité intrinsèque. En mélange, des interactions s'établissententre protéines et molécules protéiques ou non protéiques qui modifient le comportement fonction-nel des protéines du lait, ce qui permet d'expliquer:- l'amélioration des propriétés tensioactives par purification : caséine ~ > caséine as1 = caséine K >caséine entière, ~-Iactoglobuline > a-lactalbumine> lactosérum;- l'amélioration du pouvoir gélifiant des carraghénanes par la caséine K (laits gélifiés);- l'effet des surfactants sur les propriétés tensioactives des protéines dans les émulsions foisonnées(crèmes, glaces).Les propriétés fonctionnelles du lactosérum peuvent être améliorées en modifiant le milieu (électre-dialyse, ultrafiltration, échange d'ions), en dénaturant par voie thermique à pH neutre ou acide, enbatch ou par des traitements en continu (échangeurs à surface raclée, cuisson-extrusion).Les traitements chimiques restent des méthodes de laboratoire utilisées pour expliquer les relationsstructure-fonction. Quant à la protéolyse, elle ne peut s'appliquer que pour améliorer la solubilité.

propriété fonctionnelle / protéine / lait / lactosérum / gel/émulsion / mousse

5ummary - Recent knowledge on the functional properties of milk proteins and relatedproducts. A study of the physica-chemical and functianal properties of milk prateins in isolation ismore straightfarward than in camplex food systems such as meat, baked praducts, sauces or leecream. Caseinates are used for their binding and emulsifying properties, whilst whey pro teins aremastly used for their gelling and faaming praperties. A knawledge of the primary and 3-dimensianalstructures of the 5 main milk proteins (asr, 13-, and x-ceseins, f3-lactaglabulin and a-Iactalbumin), en-ables a better understanding of the functianal behaviaur of pure campanents on their awn or in mix-tures. Surface properties may be related ta dynamic or hydrodynamic behaviaur such as f1exibility orintrinsic viscasity. These in turn depend on the extent of unfalding. Surface-acting praperties are en-hanced by f3-casein, an amphipathic malecule which is naturally unfalded at pH 7, while a rigid 3-dimensianal structure is required for f3-lactaglabulin ta stabilise emulsians and faams. The behaviaurof milk pro teins is changed when they are mixed with ather protein or non-protein malecules (poly-saccharides, lipids, surfactants). Different interactions accur, altering the behaviaur of milk pro teinsby competition or synergistic effects. In the present study, the fallawing situations are cansidered:- the surface-active properties of pure proteins in the fallawing arder: f3-casein > as! casein = K:casein > whale caseinate, {3-lactaglabulin > a-Iactalbumin > whey;- the impravement in the gel/ing capacity of carrageenans and galactamannans by the presence ofx-cesein;- protein-lipid interactions in emulsions;- competition at the milk protein-surfactant interface.

142 D Lorientet al

The following techniques, which have been used for some time ta improve the functional properties ofmilk proteins, are also considered:- changing the medium (electrodialysis, ultrafiltration);- denaturing whey proteins (thermal denaturation at acidic or neutral pH or at the isoelectric point).Recent developments include the adaptation of continuous processes such as thermal denaturationand expansion in scraped surface heat excnsnqets or thermoplastic texturisation by cooker-extruder.Chemical modification of pro teins is still utilised for the elucidation of structure-function relations. Pro-teolysis is only used in the improvement of whey protein concentrate solubility. These advancesshould facilita te the development of new products such as cheese or fat analogues by improving tex-ture compatibility between different protein and non-protein components.

funetional property / protein / milk / whey / gel / emulsions / foam

INTRODUCTION

Les protéines du lait sont de plus en plusutilisées comme ingrédients de texturedans de nombreux aliments intermédiairesou prêts à être consommés. On connaîtassez bien le comportement fonctionnel etindividuel des caséinates et des concen-trés protéiques de lactosérum en solutionaqueuse et de nombreuses revues ontdéjà établi l'inventaire des propriétés d'hy-dradation, de texture et de surface (Chef-tel et Lorient, 1982; Fox et Mulvihill, 1983;Kinsella, 1984; de Wit, 1984; Kinsella etFox, 1985; Modler, 1985; Anderson et al,1987; Colas, 1988; Dumay, 1988; Lemanet Kinsella, 1989). L'abondance des réfé-rences bibliographiques dans ce domaines'explique en grande partie par le fait queles structures primaires et tridimension-nelles des 6 protéines majeures du lait(caséines as1' as2' ~ et K, ~-Iactoglobulineet a-lactalbumine) sont connues. Il devientainsi plus aisé de relier cette structure aucomportement physico-chimique et fonc-tionnel et de prédire les propriétés d'un in-grédient dans un aliment déterminé enfonction des conditions de préparation.Cependant, la formulation des alimentsd'aujourd'hui (produits carnés et de pâtis-series, sauces, desserts, laits fermentés,crèmes glacées) intègre des agents detexture mixtes, spécifiques à une utilisa-tion et dont la composition résulte d'obser-vations empiriques et d'un savoir-faire de

spécialistes des mélanges; il devient impé-rieux de comprendre le comportement desmolécules en mélanges par l'étude deleurs interactions entre elles et avec lesconstituants protéiques ou non protéiquesnaturellement présents dans les matièrespremières.

Après une revue des principales pro-priétés fonctionnelles des protéines du laitet des facteurs les influençant, seront évo-qués les travaux les plus récents portantsur les interactions entre protéines (lai-tières et non laitières) et entre protéines etmolécules non protéiques (polysaccha-rides tensioactifs, lipides). Enfin, il seraabordé l'amélioration des propriétés fonc-tionnelles par les traitements physiques etchimiques.

PRINCIPALES PROPRIÉTÉSFONCTIONNELLESDES PROTÉINES DU LAIT

Le comportement fonctionnel des pro-téines du lait (tableau 1) dépend en grandepartie de:- leur comportement vis-à-vis de l'eau enrelation avec leur structure spatiale et leurspropriétés physico-chimiques (voluminosi-té, hydrophobicité de surface, amphipolari-té);- leur flexibilité en relation avec la struc-ture spatiale et la teneur en eau.

Propriétés fonctionnelles des protéines 143

Tableau 1. Principales propriétés fonctionnelles des protéines du lait. Main funetional properties ofmilk pro teins.

Relation entre structure spatialeet comportement vis-à-vis de l'eau

Les caséines

Associées en micelles dans le lait, ellessont en solutions très stables à la chaleur,mais en revanche, très sensibles au pH etaux sels di- ou polyvalents. La surface dela micelle est très hydrophile, en raisond'une grande richesse de la périphérie encaséine K; cela lui confère des propriétésd'hydratation exceptionnelles ainsi qu'uneexcellente aptitude à la fixation sur lamembrane des globules gras du lait. C'estaussi cette structure qui explique sa coa-gulation enzymatique par la chymosinepuisque la perte de glycomacropeptide,groupement glycosylé très polaire et situéen surface, provoque l'augmentation de

l'hydrophobicité de surface et la coagula-tion.

Sous forme de caséinates alcalins, sansla présence de cations divalents, les mo-nomères de caséine o.s1' o.s2, ~ et K, peu-vent s'associer en pseudo-micelles volumi-neuses (Payens, 1982). N'ayant pas destructure tridimensionnelle stabilisée pardes ponts disulfure, les caséines o.s1, et ~ont une structure très dépendante du pH etde la présence de cations divalents; en mi-lieu neutre et alcalin, leur voluminosités'accroît considérablement et les associa-tions disparaissent (tableau Il). Ceci se tra-duit par des propriétés exceptionnelles deviscosité et de surface. Les monomèrestrès flexibles peuvent s'adsorber facile-ment aux interfaces eau/air (mousse) oueau/huile (émulsion) et offrent aussi denombreux sites polaires hydratables et

Propriétés Caséines Protéines du lactosérum

Solubilité Insolubles à pH 4,6

Viscosité Solutions très visqueuses à pHneutre et alcalin Viscosité minimaleau pHi (4,6)

Hydratation Rétention d'eau élevée avec for-mation de colle à forte concentrationMinimum au pHi

Gélification Pas de gélification thermique saufen présence de calcium. Gélificationde la micelle par la chymosine

Propriétés Excellentes propriétés émulsifiantesémulsifiantes surtout à pH neutre et alcalin

Propriétés Bon foisonnement mais faible stabi-moussantes lité des mousses K > ~ > as1

Rétention Bonne rétentiond'arômes

Très solubles à tous les pH Insolublesà pH 5 si thermodénaturées

Solutions peu visqueuses sauf si ther-modénaturées

Rétention d'eau s'accroissant avec ladénaturation

Thermogélification à partir de 70°C:influence du pH et des sels

Bonnes propriétés émulsifiantes saufà pH 4 à 5 si thermodénaturation

Bon foisonnement et excellente stabili-lité des mousses ~Lg > œl.a

Rétention très variable avec l'état dedénaturation

144

surface; il semble que l'hydrophobicité desurface soit corrélée aux propriétés émulsi-fiantes alors que l'hydrophobicité moyennele serait plutôt aux propriétés moussantes.On explique cela par le fait que la tensioninterfaciale entre l'eau et l'huile est plusfaible que la tension superficielle entrel'eau et l'air; dans une mousse, les molé-cules sont plus déplissées et ce sont bientous les tronçons hydrophobes de la molé-cules qui sont susceptibles d'être adsor-bés. Les caséines étant toujours très dé-plissées aux interfaces, sont toutes trèstensioactives en raison de leur forte hydro-phobicité moyenne (surtout la caséine ~).

o Lorient et al

apolaires hydrophobes, sauf à proximitédu pH 4,6 pour lequel les caséines précipi-tent. En général, l'ordre d'efficacité dé-croissante de la tensioactivité suit celui del'état de plus en plus structuré : caséine ~> caséine Œs1' > caséine K. On attribueaussi ces excellentes propriétés de sur-face à l'amphipolarité des 2 constituantsmajeurs Œs1 et ~; en effet, Lee et al (1987)montrent que la caséine ~ perd ses pro-priétés de surface par élimination enzyma-tique des parties C terminales (193-209)très hydrophobes et N terminales (1-25)très hydrophiles. Shimizu et al (1983)avaient aussi observé pour la caséine Œs1que l'élimination enzymatique des régionsN terminales (1-40) hydrophiles et C termi-nales (134-199) hydrophobes altérait lespropriétés tensioactives. De plus, on cons-tate sur la figure 1 que les protéines globu-laires telles que ~-Iactoglobuline s'adsor-bent moins rapidement aux interfaces.Certains auteurs tels que Nakai (1983),Townsend et Nakai (1983) ont essayé decorréler l'hydrophobicité aux propriétés de

Tableau Il. Viscosités intrinsèques des caséines.Intrinsic viscosity of caseins. .

L.:esprotéines du lactosérum

Beaucoup plus structurées par leurs pontsdisulfures, la ~-Iactoglobuline et l'Œ-lactalbumine sont des protéines globu-laires dont la structure spatiale est peu in-fluencée par le pH et les sels. Même sielles ont une hydrophobicité moyenne éle-

Caséines Viscosité intrinsèque ml/g Conditions

10,211,87,79,3

19

19,2

11,3

K

2322,2

9,515,131

0,01 mol.l-1 KCI, pH 7, 37°C0,01 mol.l-1 KCI, pH 7, 4°C0,1 mol.l-1 KCI, pH 7, 20°C0,1 mol.l-1 KCI, pH 7, 4°C0,1 mol.l"! KCI, pH 76 rnol.l"" Gu HCI, 20°CpH 12, 25°C

0,1 rnol.F'Naôl, pH 7

1 = 0,2, pH 7, 4°C6 mol.l-1Gu HCI, pH 7, 4°C

0,1 rnol.l" NaCI,pH 7, 25°CpH 125 mol.l-1 Gu HCI, pH 7

(d'après Fox et Mulvihill, 1983)


20

_-------caséine~

__ ---====--=== Caséine CJ:S1Caséine ~

P Lactoglobullne

20 60

Temps (min)

Fig 1. Cinétique d'augmentation de la pressionde surface exercée par les caséines à l'interfaceeaulair à pH 7 concentration protéique: 2.10-3g.l-1.Surface pressure versus time of casein solutionsat pH 7. Protein concentration: 2.t(}-3 q.t:',

vée, leur surface est très polaire ce qui,quel que soit le pH, les rend très solubles(jusqu'à 300 gll pour la ~-Iactoglobuline).Comme la plupart des protéines globu-laires, les protéines de lactosérum et plusparticulièrement la ~-Iactoglobuline géli-fient très facilement à la chaleur en raisond'une dénaturation (interactions hydro-phobes, échange de ponts disulfures) etentraîne un changement de structure spa-tiale (Dumay, 1988); les gels, granuleux etopaques en milieu acide, élastiques ettranslucides en milieu neutre et alcalin,possèdent une excellente rétention d'eau,surtout en milieu neutre et alcalin. Les trai-tements thermiques sont à la base d'ungrand nombre de procédés d'améliorationdes propriétés fonctionnelles (Chef tel etLorient, 1982). Leur structure très com- .

pacte, stabilisée par des ponts disulfure,les rend aptes à former des fims interfa-ciaux épais et rigides (surtout au pHi: 5,2pour la ~-Iactoglobuline) même si leur apti-tude à s'adsorber est plus faible que celledes caséines; il en résulte d'excellentespropriétés stabilisantes des mousses etémulsions à tous les pH. Naturellement, laplupart des propriétés fonctionnelles desprotéines globulaires dépendent de l'étatplus ou moins dénaturé. Par traitementthermodénaturant, on peut ainsi accroîtrele pouvoir de rétention d'eau, ainsi que lespropriétés tensioactives, à condition qu'onopère à des pH différents des pHi (5,2pour la ~-lactoglobuline, 4,8 pour l'a-lactalbumine). La ~-Iactoglobuline agit engénéral comme un meilleur agent ten-sioactif que l'a-lactalbumine, surtout si elleest purifiée (Closs, 1990): ces résultatssemblent contradictoires à ceux de de Witet al (1988), mais il se pourrait qu'une dé-naturation partielle des concentrés protéi-ques étudiés par ces auteurs suffise àaccroître assez considérablement les pro-priétés tensioactives de l'a-lactalbumineselon les observations de Closs mention-nées à la fin de cet article. La corrélationentre hydrophobicité de surface et proprié-tés de surface s'applique assez bien pourla ~-Iactoglobuline : meilleures propriétésmoussantes en raison d'une forte hydro-phobicité moyenne, propriétés émulsi-fiantes satisfaisantes à l'état dénaturé enraison d'une faible hydrophobicité de sur-face. Cependant, ces conclusions dépen-dent beaucoup des méthodes de mesurede l'hydrophobicité de surface (Shimizu etal,1986).

Relations entre flexibilitéet structure spatiale

La flexibilité des molécules est une pro-priété dynamique qui est étroitement liée àl'état d'hydratation et à la structure spa-

146

les caséines as1 et ~ que pour les ca-séines K et surtout très supérieure à celledes groupes marqués sur les protéinesglobulaires (~-Iactoglobuline et a-lactalbumine). Closs (1990) montre, parailleurs, que la mobilité de l'a-lactalbumineest supérieure à celle de la ~-lactoglobuline et que les effets sont lesplus marqués à proximité des pHi, en rai-son de la diminution des répulsions élec-trostatiques. La plus grande mobilité de l'a-lactalbumine serait due principalement aupositionnement des marqueurs nitroxydessur des groupes aminés à proximité desextrémités C et N terminales très libres etflexibles, ce qui n'est pas le cas pour la ~-lactoglobuline (groupes e NH2 situés dansles zones très structurées).

Un déplissement de la ~-Iactoglobulineet de l'a-lactalbumine par réduction et car-boxyméthylation des ponts S-S accroîtégalement la flexibilité des molécules,alors que la dénaturation thermique nesemble pas avoir d'effets significatifs saufsi les protéines précipitent, auquel cas lamobilité est fortement réduite. Ces obser-vations sur la mobilité et la flexibilité peu-vent être facilement reliées non seulement

o Lorient et al

Fig 2. Évolution de la fermeté et de la perte en eau des gels de concentré protéique de lactosérumen fonction du pH et pour diverses teneurs en protéines (d'après Dumay, 1988).• 7,6%; 119,4%; .12%.Influence of pH and protein concentration on firmness and 1055 of water of whey protein concentra tegels (Dumey, 1988).

tiale. On peut d'ailleurs assez bien suivrel'état d'hydratation d'un caséinate parl'augmentation par hydratation de la mobi-lité d'une chaîne latérale aminée (Blond etLe Meste, 1988) (fig 3). La mesure de laflexibilité des molécules peut être effec-tuée par de nombreuses méthodes physi-ques ou physico-chimiques: fluorescence,spectroscopie infrarouge, résonance ma-gnétique nucléaire (RMN) et résonanceparamagnétique électronique (RPE) (Kai-varainen, 1985). Pour cette dernière mé-thode, la mobilité des chaînes latérales semesure grâce au marquage des chaînespar des radicaux nitroxydes doués de pro-priétés paramagnétiques. La flexibilité estexprimée par la fréquence de réorientationdes résidus aminés de la protéine mar-quée qui dépend de 2 types de mouve-ments : les mouvements des groupes N-Oet la flexibilité de la protéine elle-même.

Pour les caséines, Colas et al (1988)ont démontré que la mobilité des chaîneslatérales de caséine restant en solution estmaximale aux environs du pHi (fig 4).Dans un article plus récent, Le Meste et al(1990) montrent aussi que la mobilité desgroupes marqués est plus importante pour

FERMETÉ DES GELS

15 IN)

10

• pH

80

PERTE EN EAU OES GELS

(g d'•• u/g de ~I)70

50

40

30

20

10

8 pH

100l~ 80:ë0eXl.5 60cooCCJQI'CC 401:0Co0

0:. 20

0


1

Teneur en eau s/s de matière sèche

3

à la structure plus ou moins déplissée desmolécules, mais aussi aux comportementsinterfaciaux puisque les propriétés ten-sioactives sont les meilleures lorsque lamobilité est la plus élevée (protéinesflexibles telles que les caséines ou les pro-téines globulaires déplissées, pHi, pré-sence de sels, etc).

La mesure de flexibilité apprécie doncl'état dynamique de la protéine et son apti-tude à interagir avec d'autres molécules demême nature ou de nature différente (eau,sels, glucides, lipides, tensioactifs).

Voluminosité et flexibilité peuvent êtredes indicateurs précieux de la potentialitéfonctionnelle des protéines.

Fig 3. Processus de mobilisation des chaines ç aminées de la caséine marquées par des groupes ni-troxydes. Mesures de la mobilité par RPE (d'après Blond et Le Meste, 1988).Influence of the water content on the mobility of ç amino side chains of casein, labelled with nitroxidegroups. Mobility measured by ESR (Blond and Le Meste, 1988).

COMPORTEMENT FONCTIONNEL DESPROTÉINES DU LAIT EN MÉLANGES

Interactions des protéines entre elles

Propriétés de surfacedes caséinates en mélange

D'après la figure 6, on constate qu'en gé-nérai, les constituants purifiés sont sou-vent plus tensioactifs que le mélange (ca-séine entière) à partir duquel ils ont étéisolés.

Si on constitue des mélanges en pro-portion variable des caséines

148 o Lorient et al

-10'.'"o'\vU


P + H °2~VOieB

P-P-H201 + H2Or ~.==~.Pli ° lVoie A /

•

graisse (émulsion)arômesair (mousse)

Propriétés fondamentales du système Propriétés fonctionnelles

Facteurs de l'environnement(pH - sels - t' - agents dénaturants)

.~

AComposition en AA - répartition(charge - équilibre hydrophilehydrophobe)

.- - - - - - -~- - - - - -ConformationFlexibilitéEtat d'association

Propriétés de texture

structure (gel. fibre)tendretérétention d'eaujutosité

Histoire de la protéine(purification - conservation ..)

Structure du solvantInteractions hydrophobesInteractions électrostatiquesLiaisons HForces de Van der Waals

• Interactions avecles autres composants

• Comportement en solution

solubilitémouillabilitéviscosité

P: protéine

POp: interaction protéine-protéine

p-H,01 : interaction protélne-Hsë "liée"

H, Or: H,Oretenu dans la matrice protéique par des phénoménes capillaires

Voie A : interactions pop favorisées

Voie B : interactions P-H,Ofavorisées

Fig 5. Relations entre structure, propriétés physico-chimiques, dynamiques et fonctionnelles (d'aprèsBlond et Le Meste, 1988).Relationships between structure, physico-chemical, dynamic and functional properties (Blond and LeMeste, 1988).

mères de caséines as1 et [3. Ces observa-tions ne sont valables qu'à pH au moinségal à 6, car à un pH proche de 4,5 c'est lasolubilité plus ou moins grande de chaqueconstituant qui gouverne les propriétésmoussantes (Closs et al, 1990).

Propriétés de surface des protéinesde lactosérum en mélange

En général, l'activité émulsifiante et la ca-pacité moussante des protéines purifiéessont supérieures à celles du lactosérum té-

150

POUVOIR MOUSSANT (%)1,200

1,000

.rH 7800

600

400

700

o

D Lorient et al

Fig 6. Capacité moussante de la caséine et des fractions en fonction du pH. Concentration protéique:5 g.I-1 (d'après Schmitt, 1990).Foaming capacity of whole casein and casein components versus pH. Protein concentration: 5 g.r1(Schmitt, 1990).

moin, à la même concentration protéique(minimum au pHi pour l'activité émulsi-fiante, maximum au pHi pour la capacitémoussante) (fig 8). Il en est de même pourles stabilités émulsifiantes et moussantes(Closs, 1990) (figs 9 et 10). En mélange,on constate que la p-Iactoglobuline est ad-sorbée majoritairement sur les globulesgras, sauf à pH acide (tableau III d'aprèsLeman et Kinselia, 1989), quels que soientles rapports de concentration des 2 pro-téines. Dickinson et al (1989a) observentégalement un comportement identique,mais il semble qu'après un long équilibre,les 2 protéines soient présentes à l'inter-face. Ces protéines forment des films in-terfaciaux élastiques et visqueux (1 100 et

350 mN.s.m-1 pour la p-Iactoglobuline etl'a-lactalbumine respectivement) contre100 mN.s.m-1 pour la gélatine, 8 mN.s.m-1pour le caséinate et 0,5 mN.s.m-1 pour lacaséine p. Une viscosité aussi élevéefreine les remaniements interfaciaux. Engénéral, la viscosité de surface de mé-lange est toujours plus faible que lasomme des viscosités des constituants(Dickinson, 1986) ce qui expliquerait nosobservations sur les émulsions. On peutexpliquer les médiocres propriétés ten-sioactives du lactosérum par cet effet mé-lange négatif et aussi par la présence desubstances antisurfactantes (lipides, lipo-protéines, immunoglobulines). La clarifica-tion du lactosérum permet l'élimination de


2,400

2,200

2,000

1,800

1,600

1,400

1,200

10 401,OOO-+--~--~-~-~-~--~-~-~-~~--,

o 60

1. COURBE OBSERVEE 1. CASEINE TEMOIN 14-COURBE THEORIQUE 1Fig 7. Indice d'activité émulsifiante des mélanges de fractions caséiniques (pH 8; fraction volumiquede l'émulsion 0,25; concentration protéique 2,5 g.I-1 (d'après Cayot, 1989).Emu/sifying activity index of mixtures of casein components (pH 8; vo/umina/ fraction of the emu/sion,0.25; protein concentration 2.5 g.rl (Cayo t, 1989).

20 30

ces substances et accroît considérable-ment les propriétés tensioactives; demême l'enrichissement en /3-lactoglobulinede concentrés protéiques (procédé Sphé-rosil) explique les excellentes propriétéstensioactives de ceux-ci.

Les interactions observées sont souventaccrues par l'élévation de température sur-tout si celle-ci atteint les températures dedénaturation et provoque une gélification

50 70 80 90 100POOIlCOOIŒ Il CASElNE BITA

par échange de ponts disulfures; ces inter-actions ont été étudiées aussi bien sur desprotéines pures isolées (Shimada et Chef-tel, 1988; Paulsson et Dejmek, 1990; Rel-kin et Launay, 1990) sur des mélanges /3-lactoglobuline / {X-lactalbumine bien carac-térisés ou des concentrés de protéines delactosérum (de Wit et Klarenbeck, 1984).Elles montrent qu'elles se font principale-ment par échange de ponts disulfures à

152 D Lorient et al

25

........20E

.--... 4000Q)III

'-'"Q)

III 300III:J0E-2 200Q)

"0Q)

>1 100EQ)

0


o2 4.5 4.8 5.1 75.4

pH

lilliI B-Lactoglobuline A GY< -Lactalbumine 0 Lactoserum

Fig 9. Stabilité de mousse des protéines de lactosérum en fonction du pH. Concentration protéique1 9.1-1.Foaming stability of whey pro teins versus pH. Protein concentration: 1ç.t:',

cher de la formation du complexe ~-lactoglobuline-caséine x (Haque et al,1987), elle-même due à l'établissementd'un pont disulfure intermoléculaire (Janget Swaisgood, 1990). D'autres auteursconstatent également que la surface de lamicelle adsorbe la ~-Iactoglobuline et l'a-lactalbumine au cours du chauffage; cesprotéines se trouvent sous forme de fila-ments (en microscopie électronique) et li-mitent la dissociation de la micelle aucours de l'acidification lactique, d'où uneincidence sur la texture d'un coagulum telque le yaourt (Mottar et al, 1989). Par mar-quage des protéines du lactosérum au14C, Noh et Richardson (1989) peuvent

ainsi suivre l'incorporation successive de la~-Iactoglobuline puis de l'a-lactalbuminedans les micelles de caséine lors de traite-ments thermiques analogues à la pasteuri-sation, au préchauffage ou à la stérilisationUHT.

Interactions entre les protéinesdu lait et les autres protéines:compétition aux interfaces

Les caséines peuvent agir en compétitionaux interfaces avec une protéine sansstructure ordonnée comme la gélatine.Celle-ci est moins hydrophobe et plus poly-

154 o Lorient et al

CI) a-Lactalbumine

~ Lactoserum

GI 8-Loetoglobuline A~ 8-Laetoglobuline 8

2 7pH

Fig 10. Influence du pH sur la coalescence des émulsions de protéines sériques. Concentration pro-téique 1 g.I-1.Influence of pH on the coalescence of whey protein emulsion. Protein concentration 1q.t:'.

Tableau III. Concentration relative (%) des protéines de lactosérum dans la fraction protéique adsor-bée sur la surface du globule gras d'émulsions à différents pH.Relative concentration of whey proteins in the protein fraction adsorbed on the fat globule surface ofemulsions at various pH values.

pH

Protéines 3 5 7 9

~-Lactoglobuline 12,9 16,6 46,1 61,6a-lactalbumine 48,3 24,4 11,0 9,9Caséine + immunoglobulines 34,1 40,0 31,3 20,1Sérumalbumine 1,0 10,6 2,7 1,0Transferrine + lactoferrine 3,7 8,4 8,9 7,4

(d'après Leman et Kinsella, 1989)

100

90

80

706050

4030

20

10

o


Fig 11. Quantité de protéines adsorbées dans la phase apolaire d'émulsions en fonction du pH.Concentration protéique 1 g.l-1.Influence of pH on the amount of adsorbed pro teins during the apolar phase of the emulsions. Pro-tein concentration: 1 g.l-l.

3.50

~:i-!= 3.00ou00

156 o Lorient et al

taire: tensioactivité pour la caséine, stabi-lisation du film interfacial pour la gélatine àcondition que la caséine ne soit pas enconcentration trop élevée ("" 25%).

Dans le cas de mélanges ~-lactoglobuline-gélatine, on constate que la~-Iactoglobuline est moins apte à freinerl'adsorption interfaciale de la gélatine quela caséine. Cependant, dans des émul-sions à base de lait (crèmes glacées), lesmicelles de caséine peuvent participer à laréticulation du système gélifié comme lefont les protéines du lactosérum après ho-mogénéisation. Après lavage des globulesgras, ce sont les protéines du lactosérumqui sont désorbées préférentiellement.Une dénaturation thermique peut retardercette désorption. Dans les mélanges ca-séine + gélatine, les films interfaciaux for-més sont moins visqueux que ce qu'on au-rait pu attendre sur la base des viscositésde surface des composants purs.

Il existe bien d'autres systèmes protéi-ques où l'addition de protéines laitièresmodifie le comportement rhéologique dumilieu. Les systèmes œuf/lait, protéines decéréales/lait, protéines de soja/lait, bienque complexes, devraient susciter un inté-rêt de la part des physico-chimistes carune meilleure connaissance de la compati-bilité de ces ingrédients au cours de lapréparation des aliments s'avère néces-saire au moment de la formulation.

Interactions des protéines du laitavec les polysaccharides

Il serait difficile de citer tous les travaux re-latifs à ce thème, puisque les polysaccha-rides gélifiants sont utilisés depuis plu-sieurs dizaines d'années pour stabiliser lesprotéines du lait contre la précipitation parles ions Ca2+. On peut faciliter la gélifica-tion des protéines dans les desserts lai-tiers, entremets et crèmes glacées. Demême, il est bien connu qu'on peut précipi-

ter une protéine par un polysaccharidechargé négativement (alginate, carraghé-nane, carboxyméthylcellulose, etc) dans lebut de "extraire sous forme d'isolat (Led-ward, 1978; Cherry, 1982).

Les études les plus importantes portentsur les interactions entre caséines et le x-carraghénane et l'aptitude de ce polysac-charide à stabiliser les caséines contrel'action des ions Ca2+ et à gélifier en leurprésence si les conditions de concentra-tions sont remplies.

Initialement, il avait été établi que l'inter-action entre la caséine x et le l(-carraghénane était de nature électrostati-que car la caséine l( possède une régiontrès fortement chargée positivement ca-pable d'interagir avec les groupes sulfatedu l(-carraghénane. Des études plus ré-centes montrent que le l(-carraghénane estaussi capable de stabiliser vis-à-vis desions Ca2+ toutes les protéines sensibles àces ions, même à un pH proche du pHi :caséines Cls1 et ~, paracaséine, protéinesde soja, d'arachide et de coton.

D'autres travaux visent à étudier les in-teractions avec des polysaccharides épais-sissants tels que les gommes (caroube ouguar, xanthane) et peut être avec un nou-veau gélifiant possédant des charges posi-tives aminées, le chitosane.

Interactions entre protéineset surfactants

En plus des macromolécules amphipo-laires telles que les protéines, des petitesmolécules surfactantes peuvent s'adsorberaux interfaces eau/huile. La façon dont ces2 types de molécules se répartissent entrel'interface et les 2 phases détermine la for-mation, la stabilité et la texture des émul-sions alimentaires (sauces pour salades,crèmes glacées, etc); ces molécules en-trent en compétition pour occuper des


sites à l'interface et abaisser la tension in-terfaciale.

La présence de surfactants de faiblemasse moléculaire peut intervenir sur laformation et la stabilisation d'émulsions etmousses alimentaires de différentes ma-nières selon Dickinson et al (1990) :- la présence de surfactants provoque, aucours de l'homogénéisation, une diminu-tion de la taille des gouttelettes d'huile enraison d'un abaissement plus important dela tension interfaciale;

- les surfactants déplacent de l'interfaceles protéines impliquées dans la flocula-tion, accroissent la dispersion des goutte-lettes et diminuent la viscosité de l'émul-sion;

- les surfactants peuvent interagir avec lesprotéines adsorbées en formant un filmépais et résistant;

- la stabilisation de l'émulsion peut êtreaussi assurée par la présence de cristauxliquides aux interfaces eau-huile ou eau-air.

Les émulsions sont déstabilisées parl'accroissement du regroupement des glo-bules par rupture partielle des couchesprotéiques interfaciales durant le battageou le foisonnement.

Les surfactants interagissant avec lesprotéines sont classés en 3 catégories :

- les surfactants anioniques sont surtoutreprésentés par des acides organiques àlongue chaîne hydrocarbonée. Parmi eux,le sodium dodécyle sulfate (SOS) est lar-gement utilisé pour solubiliser des macro-molécules hydrophobes dans l'eau. Lafixation du SOS sur les protéines par inter-action hydrophobe a été exploitée pour lamesure de l'hydrophobicité de surface(Kato et al, 1984) des protéines; en effet, àfaible concentration de surfactant, le tauxde fixation est proportionnel à l'hydrophobi-cité de surface. Dans le cas de la caséine,il décroît lorsque le pH s'élève en raison de

l'accroissement des répulsions électrostati-ques entre protéine et SOS;

- les surfactants cationiques sont moinsbien connus. En général leur fixation enfonction du pH et de la force ionique cor-respond à un comportement purementélectrostatique seulement à faible concen-tration en surfactant;

- les surfactants non ioniques peuvent êtreutilisés pour extraire des protéines mem-branaires sans modification de la confor-mation native; leur interaction est très effi-cace avec les protéines lipophiles : lesmono- et diglycérides sont représentésdans cette catégorie.

En général, à concentration massiqueégale, des petites molécules arnphipo-laires sont plus tensioactives que les pro-téines; en effet, elles déplacent les pro-téines de la surface des gouttelettesd'émulsions au-delà d'une concentrationcritique. On peut suivre ce déplacement enenregistrant la tension interfaciale en fonc-tion du logarithme de la concentration ensurfactant. Sur la figure 13, on constatequ'un accroissement de la concentrationen surfactant (ici, l'octaoxyéthylène dodé-cyléther) dans l'eau abaisse la tension in-terfaciale jusqu'à une valeur seuil mini-male. En présence de caséinate à faibleconcentration, la tension interfaciale initialeest plus faible, mais elle évolue de lamême façon en atteignant la même valeurseuil pour la même concentration, ce quiveut dire que toute l'interface est saturéepar le surfactant.

Il est difficile de prédire les différencesde comportement des surfactants; en effet,Dickinson et al (1989b) constatent quedans des émulsions laitières contenant del'alcool, le taux de déplacement du caséi-nate adsorbé à la surface d'une goutteletted'huile est similaire pour les 2 types de sur-factants étudiés: monostéarate de glycérol(non ionique liposoluble) et stéaroyle lacty-late de sodium (anionique et soluble dans

158

'tjmNm"

Fig 13. Tension interfaciale d'une solution decaséinate et d'un surfactant (octaoxyéthylèneéther) à l'interface eau - n tétradécane (tampon20 mmol/I imidazole pH 7, 25 "C) en fonction dulogarithme de la concentration du surfactant(d'après Woskett, 1989) .• : surfactant seul 0 : 0,1% de protéine.Influence of the surfactant concentration on theinterfacial behavior of the casein (P 20 mmot.r!imidazole butter, pH 7, 25 OC) (Woskett, 1989)..: Surfactant alone; 0: with O.1% protein.

l'eau). Même à forte concentration en sur-factant (2%) le déplacement n'est pascomplet. Laliberté et al (1988) avaient éga-Iement observé que le monostéarate deglycérol ne peut déplacer totalement d'uneinterface eau-air la couche de caséinate; ilsemble que le caséinate et le monoglycé-ride forment un complexe stable en sur-face.

Rôle des microstructuresdans les interactions aux interfaces:exemple des mousses de lait etdes crèmes fouettées (crèmes glacées)(Anderson et Brooker, 1988)

Mousses de lait écrémé

Ce sont des structures complexes conte-nant des protéines du lait et dont la forma-

D Lorient et al

tion et la stabilité sont influencées par latempérature, la teneur en lipides et la pré-sence de surfactants lipidiques comme lesmonoglycérides et les phospholipides. Desobservations par microscopie électroniquemontrent que les lamelles de bulles d'airformées dans le lait sont composées d'unecouche interfaciale de 5 nm d'épaisseur àlaquelle sont fixées des micelles de ca-séine (fig 14.1). Au cours du temps, la sur-face des bulles diminue en raison de la co-alescence; cette évolution serait associéeà l'accroissement des concentrations inter-faciales des constituants ou à la désorp-tion de ceux-ci à l'interface; de plus, onobserve des plissures en surface desbulles, ce qui perturbe les liaisons entreles bulles.

Les micelles ne représentent qu'unepartie de l'interface air-sérum; la ~-lactoglobuline, l'a-lactalbumine et la ca-séine ~ y sont préférentiellement adsor-bées; la caséine ~ serait adsorbée d'abordsurtout si, à basse température, elle peutêtre déplacée de la micelle; les 2 autresprotéines se fixeraient alors en formantdes films mixtes.

Pour expliquer la façon dont les mi-celles s'adsorbent, on peut considérer quela ~-Iactoglobuline adsorbée est en partiedénaturée et démasque des groupes thiolslibres; ceux-ci réagiraient ensuite avec lesgroupes thiols de la caséine K située à lapériphérie de la micelle; d'autres types d'in-teractions pourraient être impliqués (hydro-phobe ou électrostatique). La présence demicelles ne serait pas un facteur de stabili-té des mousses laitières puisque celles-cise déstabilisent 3-4 fois plus vite que lesmousses de sérum. Les lipides du lait ré-duisent le foisonnement à cause de l'ad-sorption à l'interface eau-sérum de molé-cules tensioactives et de globules grasentiers. De plus les produits de lipolysesont des agents anti-mousse; les mono- etdiglycérides sont surtout responsables de


Fig 14. Schémas représentant les interfaces eau/air et eau/huile dans les laits et crèmes; 1 : interfaceair-eau dans le lait écrémé; 2 : interface air-eau dans Je lait non écrémé; 3 et 5 : interface air-eau dansle lait non écrémé montrant l'étalement des globules gras et les lipides liquides; 4 et 6 : interfaceseau-globules gras montrant la fixation des micelles de caséines (d'après Anderson et Brooker, 1988).Schemes showing water/air and water/oil interfaces in milks and creams. 1: Air/water interfaces inskimmed milk. 2: Air/water interface in whole milk. 3 and 5 : Air/water interface in whole milk showingthe spreading of fat globules and Iiquid fat. 4 and 6: Water fat globule interface showing the adsorptionof the casein micelles (Anderson and Booker, 1988).

3

GLOBULES

GRAS

2

·~LGLOBULES\GRAS ~

lM4

MEMBRANE DU GLOBULE

GLOBULE

GRAS

MICE lLES

6

160

14.5). La membrane au contraire reste enplace du côté aqueux et forme une struc-ture continue avec les protéines de l'inter-face air-sérum. Les stades suivants impli-quent un accroissement progressif du tauxd'agglomération des globules gras et dunombre de globules adsorbés, ainsi quedes modifications dans le nombre et lataille des bulles. L'adsorption des globulesest suivie par un étalement des lipides àl'interface et si les taux de liquide sont suf-fisants, les bulles s'effondrent en attei-gnant la surface de la crème; les globulessont libérés puis s'agglomèrent en raisonde l'absence partielle de membrane.

Durant le fouettage, les micelles de ca-séine peuvent être associées à la surfacedes globules surtout dans le lait à bassetempérature mais celà dépend beaucoupde la façon dont la membrane du globuleest modifiée (fig 14.4). En fin de fouettage,la périphérie de chaque bulle est compo-sée de globules gras partiellement agglo-mérés mais il reste un taux variable de l'in-terface d'origine air-sérum.

La stabilité de ces structures est sou-vent dépendante de la teneur en lipides,de la façon dont l'homogénéisation a étémenée et aussi de la présence éventuelled'agents émulsifiants ou de gélifiants (hy-drocolloïdes, amidons modifiés) destinés à

o Lorient et al

Tableau IV. Influence de la caséine sur les propriétés moussantes du lactosérum.Influence of casein on whey foaming properties.

Concentration Foisonnement Stabilitéen caséine f3 (cmê.mrt) (cm.trt)

(mq.mt t) ND 0 ND 0

0 3,5 3,4 86 371 3,3 3,5 35 62 3,1 3,3 32 7

d'après Anderson et Brooker (1988); ND : non dialysé; D : dialysé; ND: non dialysed; D: dialysed

cet effet. Les grandes variations dans letaux de foisonnement des échantillons delait écrémé ne peuvent être dues ni autaux résiduel (très faible) de matièregrasse, ni aux variations saisonnières dela composition du lait, bien que les teneursen phospholipides soient assez fluc-tuantes. On considère plutôt que deschocs à basse température déstabilisent lamicelle avec libération de caséine ~; l'addi-tion de celle-ci à du lactosérum provoqued'excellentes propriétés moussantes, sur-tout si on élimine préalablement le calciumpar dialyse (tableau IV).

Structure de la crème fouettée

La crème fouettée peut être considéréecomme une mousse de lait contenant desglobules gras. L'étape initiale du fouettageimplique une adsorption d'un nombre ré-duit de globules gras à la surface desbulles d'air (fig 14.2). Si des cristaux de li-pides sont présents à l'interface huile-eau,une adsorption irréversible se produit dèsqu'un cristal entre en contact avec l'inter-face air-eau. L'adsorption des globulesprovoque une perte partielle de la mem-brane de globules gras et une partie des li-pides entre directement en contact avecl'air et fait saillie dans la bulle (fig 14.3,

Propriétésfonctionnellesdesprotéines 161

accroître la viscosité et la résistance méca-nique de la phase aqueuse.

Facteurs intervenant sur les propriétésdes crèmes fouettées:

1

- la teneur en protéine requise pour cou-vrir la surface des bulles d'air est faible;seulement 4% des protéines totales de lacrème sont utilisées. L'élimination des pro-téines réduit le temps de fouettage et lafermeté; au contraire, lorsque les crèmessont préparées à partir de lait concentré, lefoisonnement est diminué alors que la fer-meté est accrue;- la teneur en lipides joue un grand rôlesur les propriétés rhéologiques. Lorsque lateneur en lipides passe de 25 à 45%, lacrème devient plus ferme, foisonne plusrapidement, le volume maximal étant at-teint pour un taux de 30%. La compositionlipidique et le point de fusion qui en résultesont également des facteurs importants;- l'état de l'interface huile-eau peut varierconsidérablement : au moment du fouet-tage, si les globules gras sont déjà agré-gés, la crème est ferme, les mousses for-mées sont fermes, peu foisonnées et letemps de fouettage est raccourci;- la composition de l'interface influencegrandement les propriétés foisonnantes;on sait, en effet, que les crèmes non ho-mogénéisées donnent des mousses demeilleure qualité que les crèmes homogé-néisées. En effet, l'homogénéisation romptles membranes naturelles de globules graset accroît la surface de l'interface eau-huilede 5-6 Ifois, la nouvelle interface étantconstituée de protéines plasmatiques ad-sorbées et de caséine. Dans les crèmeshomogénéisées, les micelles de caséineforment des ponts entre globules gras ad-jacents (fig 14.6). La stabilité de cescrèmes est surtout gouvernée par la quali-té de l'émulsion; aussi des émulsifiants telsque monoglycérides, phospholipides peu-

l

vent être utilisés. Ceux-ci forment une in-terface en s'adsorbant plus rapidementque les micelles; ces dernières n'occupentque la place laissée libre ou s'associentaux émulsifiants pour former une interfacemulticonstituants.

Cas particulier des crèmes glacées

Ce sont des mousses renfermant 50%d'air, 6-12% de lipides homogénéisés et7,5-11,5% de lait écrémé. Le mécanismede formation ressemble à celui des crèmesfouettées. La surface des bulles d'air estrecouverte d'une fine couche d'huile prove-nant de la destructuration des globulesgras. Initialement, les protéines sont adsor-bées à l'interface air-eau, mais une se-conde adsorption et une coalescence desglobules gras se produiraient ensuite. Lesémulsifiants pourraient même accélérer ceprocessus (Goff et Jordan, 1989; Goff etal,1989).

MODIFICATIONS DES PROPRIÉTÉSFONCTIONNELLESET PROCÉDÉS D'AMÉLIORATION

Les propriétés fonctionnelles dépendentde la structure des molécules présentes et,par conséquent, de tous les facteurs quimodifient:- la composition de l'ingrédient considéréen protéines et autres substances de na-ture non protéique (sels, glucides);- la structure des protéines (structure pri-maire et tridimensionnelle) et leur taille (hy-drolyse ou polymérisation).

Les tableaux V et VI classent les procé-dés d'amélioration selon les effets produitssur la structure et les propriétés fonction-nelles; ils reprennent les éléments princi-paux d'une précédente revue (Cheftel etLorient, 1982) en y ajoutant de nouveaux

162 o Lorientet al

procédés de fractionnement et de textura-tion.

Amélioration par modificationde la composition des ingrédientsprotéiques (tableau V)

En général, l'élimination des substancesminérales et de nombreuses substancesdialysables (électre-dialyse, filtration surgel) améliore sensiblement la plupart despropriétés fonctionnelles. Cependant, lesplus grands progrès ont été réalisés surl'ultrafiltration couplée à la diafiltration; ceprocédé qui a surtout été utilisé pour laconcentration, élimine une partie des selset du lactose des matières premières lai-tières et peut être associé aux traitementsthermiques comme pré ou post-traitement.

Parmi les plus récentes améliorationsde la technique, on peut citer son utilisa-tion comme procédé d'extraction de la ca-séine ~ à partir de lait écrémé (Maubois etLéonil, 1989); ces auteurs mettent en jeula dissociation partielle à basse tempéra-ture de la micelle de caséine et la «fuite»de la caséine ~ ainsi que les caractéristi-ques d'état de surface et de perméabilitéde nouvelles membranes minérales. Onpeut ainsi obtenir des concentrés enrichisen caséine ~ et possédant de meilleurespropriétés tensioactives.

Les progrès récents portent aussi surl'utilisation des échangeurs d'ions pour en-richir ou purifier les constituants du lacto-sérum et des caséinates. Le procédéSphérosil qui utilise un échangeur d'anionspermet d'obtenir à l'échelle industrielle dela ~-Iactoglobuline très enrichie (85-95%).Ces concentrés sont d'excellents gélifiantsà une concentration protéique supérieureà 5%, à pH neutre et une température de70-85 -c (Shimada et Chettel, 1988); cesgels fermes et élastiques présentent une

bonne capacité de rétention d'eau. Au pHi(5-5,2), les réactions d'agrégation condui-sent à un coagulum granuleux comme onpeut l'obtenir aussi à un pH > 5,5 en pré-sence d'ion Ca2+ et Mg2+ (Varunsatian etal, 1983). Sous forme partiellement déna-turée à pH neutre, ces concentrés sontaussi d'excellents agents foisonnants etémulsifiants. D'autres supports chromate-graphiques ayant une bonne résistancemécanique (Q Sepharose Fast Flow,DEAE Sephacel, etc) sont très facilementutilisables par des installations en «batch-(Lorient et Linden, 1990). Cette technique,qui est beaucoup moins coûteuse qu'uneinstallation chromatographique et permetde traiter de grosses quantités de pro-téines, pourrait sans doute être transposéeà l'échelle industrielle pour la purificationdes caséines en milieu urée concentrée.

Amélioration par modificationde la structure

Traitements thermiques

Leurs effets dépendent beaucoup de la sé-vérité du traitement et des conditions demilieu (pH, présence de sels en particulierd'ions divalents tels que Ca2+), ce quipourrait expliquer la disparité et parfois lescontradictions apparentes des résultats dela littérature.

Nous avons tenté de mieux comprendrel'effet dénaturant des traitements en fonc-tion du pH sur les propriétés émulsifianteset moussantes de la ~-Iactoglobuline et del'a-lactalbumine purifiées (95%) (figs 15 et16). Dans ces conditions, on constate parélectrophorèse SDS-PAGE, qu'en milieuacide uniquement à partir de 90 °C-30min, des petits peptides apparaissentcomme l'avait déjà observé lung (1988).Par électrophorèse en milieu non disso-ciant, on observe qu'à 70 oC, il y a une mo-

C')(0..-

Tableau V. Influence des traitements de fractionnement sur les propriétés fonctionnelles.Influence of processing on the functional properties.

Traitement Produit Composition moyenne Propriétés fonctionnelles •traité Rendement P(%) La (%) Mi(%) Li (%) S H G CE CM

Modification de la composition

CIl Électrodialyse Lactosérum 35 40-60 2 2,5 90 + + +10000>c Filtration sur gel Lactosérum 50-80 8-25 3-14 e 80-95 0,5-1,8 + +420 + 750~ Ultrafiltration Lactosérum > 90 30-70 15-55 0,4-6 e 90 0,5 + +400 + 900eCl. (+ diafiltration)CIl Ultrafiltration à Lait écrémé0>"0 basse températureCIliE Rétentat 85 5-15 e 95 + +Qi

Perméat 95 0 0 98c e + +c:(caséine fJJ0

Uc:.E Fractionnement par échange d'ionsCIl

'0>Procédé Vistec Lactosérum:al 95 e 3 0,5 98 + +.§. (CM cellulose)e Procédé Sphérosil Lactosérum >90 84-90 0,5 3

O'l

Tableau VI. Influence des traitements thermiques sur les propriétés fonctionnelles. .j>.

Influence of heat treatments on the functional properties.

Traitement Composition moyenne Propriétés fonctionnelles'Produittraité Rendement P (%) La (%) Mi(%) Li (%) S H G CE CM

Modification de la structure par la chaleur

Précipitation au pHi80-100 "C - 30 min lait 95 caséine + prot solubles 0 E - E

85 E 7 2 2-GpHG lactosérum 95 prot solubles 0 E E E

90 E 1-4 2-4 070 -c -30 min 13 Lg - + rQChauffage à pH acide 13 Lg + + aï95 -c 15 min pH 2.3 lactosérum 35-50 20 75 + + ::!.90 oC GOmin pH 2 f3lg + - ~70 -c 30 min pH 2 f3lg + + !ll..

ala stab stabChauffage à pH neutre85-90 "C 20 min pH 7,5 lactosérum 74-98 + +

clarifié90 -c GOmin pH 7 f3lg - + + + ++

aLa - + +70 -c 30 min pH 7 f3lg - + + ++

aLa - + stabChauffage à pH alcalin90 -c 1-2 h pH 9 caséinate 80 + + +

• Solubilité (%); H = Hydratation( ml/g); G = Gélification; CE = Capacité émulsifiante (ml huile/g); CM = capacité moussante (%) .• Solubility (%): H = hydration (mllg); G = gelling; CE = emulsifying capacity (ml oillg); CM : foaming capa city (%).


80

60

40

.....~ 20

• 0-0l: 20~-20L-D>~-40H

-60

-80

...3 \ "'4-

\ ...\... -\ ......... .".--', ,

\ ,, ,, 1, ,,,

I!!l

ACTIVITE EMULSIFIANTE

80

60...0e• 400.....'0

2000~

.. a-Lactalbumine .. a-Lactalbumine -S- 8-Lactoglobuline -fJ- 8-Lactoglobuline70 C - 30 min 90 C-60 min 70 C - 30 min 90 C - 60 min

.....................----------..........",' _-[il

" ... -- "~ 0"""""''--,---ij~..--.---.-------.---r--m;::=--,r-'''''''1'l:o1; -20"i:D

: -40-0H

-60

2 k---8.--~.-

'"'"'"'",'", '"

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-80ST ABJUTE EMULSIFIANTE

dification discrète de structure; les étudessuivantes ont donc porté sur des condi-tions thermiques permettant une destructu-

ration sans hydrolyse (70 °G-30 min,gOoe-60 min) à pH peu acide, neutre et al-calin.

Fig 15. Influence des traitements thermiques effectués à différents pH sur l'activité émulsifiante (a) etla stabilité émulsifiante (b) mesurées à pH 7. Concentration protéique: 1 g.I-1.Influence of heat treatments carried out at different pHs on the emulsifying activity (a) and stability (b)of whey protein solutions (pH 7; protein concentration: 1q.t:',

166

40--c:CIl

ECIlc:c:o

.!!!o....

20

::J"Uc:o:;:c'C -20e>CD

"U

H -40

D Lorient et al

~ 8-Laetoglobuline90 C - 60 min

o 8-Lactoglobuline70 C - 30 min

• a-Lactalbumine90 C- 60 min

ffi!] a-Lactalbumine70 C - 30 min

PropriéœsémuŒmanœs

A 70 "C, 30 min et à pH acide ou prochedu pHi, les 2 protéines présentent uneactivité émulsifiante accrue, celle de la[3-lactoglobuline étant toujours supérieure.À 90 °C-60 min, l'activité émulsifiante estseulement améliorée à pH acide. La stabi-lité des émulsions n'est augmentée par lechauffage, quel que soit le pH, que dans lecas de l'a-lactalbumine. La f3-lacto-globuline étant fortement insolubilisée àpH 5 perd une partie de sa stabilité émulsi-fiante.

o-+----r-,.".."r-fi:L---.r-.~'-,---

Fig 16. Foisonnement des protéines sériques après chauffage à différents pH. Concentration protéi-que: 1 g.I-1.Overrun of whey protein solutions after heat treatment at different pHs (pH 7; protein concentration:1 g.I-I).

Propriétés moussantes

Pour la capacité moussante, les effetsconjugués du pH et des traitements ther-

pH5 pH] pH9

miques paraissent opposés pour les 2 pro-téines : effet améliorant des chauffages àpHi, neutre et alcalin pour la 13-lactoglobuline, effet négatif pour l'a-lactalbumine (surtout à pH 2). Au contraire,la stabilité est surtout améliorée pour l'a-lactalbumine surtout à pH 2 et 5.

Une explication complète de ces effetsparaît difficile car elle doit prendre encompte une baisse de solubilité des pro-téines qui accompagne les taux élevés dedénaturation ainsi que l'effet des sels ren-contrés dans les lactosérums. Ces résul-tats ont surtout le mérite de pouvoir prévoirle rôle respectif de chaque protéine et desa proportion dans le concentré sans biensûr prendre en compte l'effet des interac-tions.

Propriétésfonctionnellesdesprotéines 167

Traitements chimiques

La coupure des ponts disulfure par réduc-tion permet de «modéliser» la dénaturationet le déplissement plus ou moins total desmolécules. lung (1988) et Closs (1990) ontmontré respectivement pour la ~-lactoglobuline et l'a-lactalbumine que la ré-duction accroît l'efficacité tensioactive etmoussante. Kella et al (1989) précisenttoutefois que les molécules sériques, pré-sentant 75% des ponts disulfure réduits,possèdent les meilleures propriétés mous-santes. L'existence d'un rapport optimalstructure ordonnée/structure désordonnéea déjà été signalé par Song et Damodaran(1987).

Les modifications chimiques portant surles chaînes latérales des protéines ont ététrès étudiées et de nombreuses revues ontété publiées (Cheftel et al, 1985; Chobertet Mesnier, 1988).

À l'heure actuelle, elles ne sont utiliséesque pour confectionner des modèles afinde comprendre les relations structure-fonction. Aucune application industriellen'a été envisagée en raison du manqued'informations sur la toxicité des protéinesmodifiées. La phosphorylation chimique etla glycosylation par alkylation réductriceaccroissent considérablement la solubilitéainsi que la viscosité et les activités émul-sifiantes et moussantes des caséinates(Chobert et Mesnier, 1988; Courthaudon etal, 1989; Lorient et al, 1989).

Des modifications des chaînes latéralespar voie enzymatique semblent plus inté-ressantes; la déphosphorylation des ca-séines par les phosphatases et la désami-dation des résidus Gin et Asn modifient lapolarité, la solubilité et les propriétés desurface qui y sont associées.

La transglutaminase conduit quant àelle, à une réticulation et une polymérisa-tion, et par conséquent, à des modifica-tions de propriétés rhéologiques: gélifica-

tian des solutions de caséine as1 et desémulsions qu'elles forment avec l'huile desoja (Nio et al, 1986).

Modification par réduction de la taille

Bien qu'un traitement thermique très limitéà pH 2 puisse améliorer les propriétés desurface de la ~-Iactoglobuline par désami-dation ou hydrolyse (Iung, 1988), la réduc-tion de la taille moléculaire est en généralobtenue par protéolyse. Une revue récentede cet aspect a été publiée par lung et lin-den (1988).

Une protéolyse limitée des protéines delactosérum non dénaturées a peu d'effetsur les capacités émulsifiantes et mous-santes; la stabilité des émulsions et desmousses est même souvent altérée. Ilsemble que les effets positifs observés parcertains auteurs (Iung, 1988; Chobert et al,1988) aient été obtenus sur des concen-trés protéiques de lactosérum en poudredonc déjà dénaturés voire polymérisés;dans ce cas, comme dans celui desgrosses molécules (globulines de légumi-neuses), une dépolymérisation est néces-saire pour accroître les propriétés ten-sioactives et la solubilité.

En ce qui concerne les caséines, Shimi-zu et al (1986) ainsi que Wilson et al(1989) montrent qu'une protéolyse libèredes peptides tensioactifs (par exemple lefragment 1-23 de la caséine as1 et ca-séines y et protéase-peptones libérées dela caséine ~ par la plasmine respective-ment) mais n'ayant aucun rôle stabilisantdes interfaces; cependant, on soupçonnecertains de ces peptides d'être contaminéspar d'autres peptides tensioactifs!

Procédés de texturation

Les traitements de texturation en continuse sont beaucoup développés en vue de

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CONCLUSION

Les progrès récents réalisés dans la purifi-cation des protéines, dans la maîtrise dela composition des concentrés protéiqueset dans la conduite des procédés d'amélio-ration, permettent d'envisager l'utilisationen mélange de nombreuses protéinesd'origine diverse (laitière, carnée, végé-tale, etc), le choix se faisant alors en fonc-tion des propriétés spécifiques de celles-cipour des usages précis à condition biensûr que les chercheurs aient pu maîtriserla compatibilité des ingrédients entre eux.

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