1

TECHNOLOGIES DE TRANSFORMATION NON THERMIQUES ET QUALITÉDES PRODUITS LAITIERS

Geoffrey Smithers, Cornelius (Kees) Versteeg, et Jay Sellahewa

CSIRO/Food Science Australia

FIL-IDF Semaine de la science et de la technologie laitièreQuébec, Canada

Le 14 mai 2008

VUE D’ENSEMBLEBref historique de la transformation laitière

« L’arbre laitier »Les produits et denrées laitiers de base demeurent le pilier – différenciation critiqueLes produits et ingrédients laitiers du nouveau millénaire –innovation de la transformation

Technologies de transformation laitière du futurTraitement à haute pressionTraitement aux ultrasonsChamp électrique pulséPlasma froid

En résumé : ce qui se pointe à l’horizon et au-delà

2

LAIT – LA MATIÈRE PREMIÈRE QUE NOUS ESTIMONS!

Les constituants protéine et gras attribuent une gamme de propriétés souhaitables aux aliments, un fondement pour les produits/ingrédients laitiers, la nutrition égalementD’autres éléments (peu de lipides, de peptides, de minéraux, de lactose) et la transformation peuvent modifier leur utilité

0,32Mineur (vitamines, acides)

0,65Minéraux

3,9Gras

4,6Lactose

3,3Protéine (caséine, lactosérum)

87,3Eau

Teneur(%, p/p)

Élément

BREF HISTORIQUE DE LA TRANSFORMATION LAITIÈRE

On estime que le lait, le lactosérum et le colostrum sont des aliments précieux depuis des milliers d’années

Environ 800 AV.J.-C. – on transportait le lait dans des panses de veau

Coagulation des protéines, par l’action de l’enzyme naturel chymosine, début de l’industrie du fromage (et du lactosérum)

Transformation, souvent thermique, afin :d’assurer la sécurité et la qualité, prolonger la durée de conservationpermettre l’entreposage, le transport et la distributionrévéler/transformer l’utilité des constituants – produits et ingrédients

L’industrie alimentaire moderne demande encore plus :protéines/peptides, lactose, lipides, minéraux laitiers utiles

3

ARBRE LAITIER EN ÉVOLUTION

Ingrédients du laitLait liquide, concentrés du laitPoudre de lait, substitut de poudre de lait

Produits/ingrédients de protéine du laitFromage, yogourt, autres produits fermentésTotal des protéines du lait, coprécipitésProduits à base de lactosérum et de caséine

Produits de matière grasse du laitCrème, beurre, matières grasses du lait anhydres

Nouveaux ingrédients laitiersMélange de poudre spécialiséPeptides bioactifsFractions protéiniques (p. ex., lactoferrine)

Australian Dairy (1996)

science et technologie de la transformation

PRODUITS LAITIERS DE BASE –L’AVENIR DE LA TRANSFORMATIONGains d’efficacité, améliorations de la qualité, différenciation

Fromage, autres produits fermentésNouveaux coagulants, meilleure culture de départMeilleur goût, faible teneur en grasMaturation plus rapide, prévisibleAméliorations de la qualité, coût peu élevé

PoudresAméliorations de la rentabilité, transformation par membrane, évaporationAméliorations à la transformation par membrane et séchage par pulvérisation – fonctions meilleures et nouvelles

4

« Les consommateurs demandent des aliments miracles qui sont complètement naturels, n’ont aucune calorie, aucun gras ni cholestérol, sont

délicieux, assurent une nutrition totale, coûtent peu, sont produits de façon à respecter l’environnement, sont vendus dans des

emballages verts et qui garantissent des corps parfaits, l’amour et l’immortalité »

– Carol Brookins

LE MARCHÉ DE L’ALIMENTATION ÉVOLUE RAPIDEMENT ET EST EXIGEANT

RÉVOLUTION DES ALIMENTS FONCTIONNELS!

Dimension du marché mondial >75 G$ (Just-food.com,2006-2007)

États-Unis > 20 G$, 14 % de croissanceAutres marchés – UE, Japon8 % de croissance par année mondialement

Prévision de l’importance du marché mondial > 100 G$ d’ici 2010

L’industrie demande des ingrédients de qualité, économiques, nouveaux et attestés

Les ingrédients laitiers constituent un choix excellent, ils sont nutritifs, fonctionnels et largement disponibles

La science et la technologie de la transformation des éléments laitiers constituent un fondement essentiel à la réussite des produits commerciaux

Marché mondial des aliments fonctionnels

5

« L’accroissement de la demande des consommateurs pour des nouveaux aliments et l’évolution des habitudes alimentaires et des

risques pour la salubrité des aliments ont des conséquences sur l’industrie de transformation des aliments. La population est plus

vieille en moyenne et les consommateurs veulent des aliments frais et peu transformés sans produits de conservation chimique

synthétiques. Afin de répondre à la demande d’aliments salubres et de concurrencer pour que le client accepte leurs produits, les

fabricants examinent de nouvelles méthodes de transformation et de conservation des aliments. »

– Don Zink, Nestlé

L’AVENIR DE LA TRANSFORMATION DES ALIMENTS (LAITIERS)

Transformation à haute pression

6

QU’EST-CE QUE LA TRANSFORMATION À HAUTE PRESSION (THP)?

Très haute pression exercée par l’eau (jusqu’à 700 MPa = 100 000 psi)

répartie également et instantanément dans l’ensemble d’un aliment (à base d’eau)empêche d’écraser les aliments

Désactivation microbienne (et enzymatique dans une certaine mesure) sans goût désagréable, décoloration, et autre perte de qualité associée à la chaleur

EFFETS DE LA HAUTE PRESSION

Comme ci-dessus, les équilibres peuvent être modifiésSystèmes alimentaires

Certaines modifications de la conformationMacromolécules

Non affectées en généralPetites molécules (p. ex., saveurs)

Désactivés ou activés sélectivementEnzymes

Nombreux désactivés, certains facilementVirus

Cellules végétatives – désactivéesSpores bactériennes – non désactivées (pour le moment)Spores fongiques – certaines sont désactivées

Microorganismes

DésactivésParasites

EffetMatériau

7

DÉSACTIVATION PAR THP DE LA SALMONELLE

Jus de Valence, pH 4,2

Pression (MPa)

cfu/

ml initial

103

105

107

300 450 600525375

> 300 sec

< 15 sec15 sec

30 sec45 sec

LISTÉRIOSE SOUS PRESSIONFuite du contenu des cellules par des trous dans les membranes

Contrôle450 MPa, 300 s 600 MPa, 180 s

8

ÉTAT DES PROTÉINES SOUS PERSSION

Pression atmosphérique 100-200 MPa

>300 MPa

>1000 MPa >3000 MPa

Effets sur les liaisons covalentes

Globule fondueMonomèreOligomère Déplié

Note : l’eau se transforme en glace >1000 MPa à température ambiante

Agrégation

EFFET DE LA THP SUR LES CASÉINESAccroissement des caséines surnageantes – dissociation/retrait des micellesPartiellement réversible en fonction de la variation du temps (et de la température)

(a)

0

20

40

60

80

UM HM PM200 PM400 PM600% Non

-sed

imen

table Individu

al Pro

tein

(w/w

in UM

)

a-caséine surnageante (verte),κ-caséine (violette), ß-caséine (rouge/brun)

% P

roté

ine

indi

vidu

elle

non

séd

imen

tabl

e

9

EFFET DE LA THP SUR LES PROTÉINES DE LACTOSÉRUM

0,0

1,0

2,0

3,0

0 10 20 30Temps (min)

Con

cent

ratio

n (g

/Lalpha 600 beta 600alpha 300 beta 300alpha 150 beta 150

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 10 20 30Temps (min)

Con

cent

ratio

n (g

/L

PeptidesBSAlactoferrine

Stockmann et al. (2004)

Dénaturation importante (~75 %) de ß-lactoglobuline à 600 MPa, 10 min

EFFET DE LA THP SUR L’ACTIVITÉANTIMICROBIENNE DE LA LACTOFERRINE (LF)

Wan et al. (2005)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

contrôle deculture

contrôle de LFnon traitée

LF 600 MPa,5 min

Échantillon de LF

Déc

ompt

es v

iabl

es d

e Ty

phim

uriu

m(L

og C

FU/m

l)

La haute pression n’a pas d’effet mesurable

sur les fonctions antimicrobiennes de

la lactoferrine

10

EFFET DE LA TH SUR LA LACTOPÉROXIDASE (LP)

Wan et al. (2005)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0 5 10 15 20 25 30 35

Temps (min)

Abs

orba

nce

(405

nm)

Contrôle de lactopéroxidase non traitéeLactopéroxidase à 600 MPa, 5 min

Sous condition de pasteurisation à froid à

l’aide de la haute pression, 75 % de la LP

est retenue

TRANSFORMATION EN SEMI-CONTINU DES LIQUIDES SOUS THP

Production type = 3 000 L/h

11

DÉVELOPPEMENTS COMMERCIAUXGarnitures à sandwiches à base de lait provenant d’EspagneProduit de colostrum pasteurisé à froid de Nouvelle-Zélande

DÉVELOPPEMENTS COMMERCIAUXDesserts laitiers provenant de Meidi-Ya au Japon Cultures probiotiques pasteurisées à froid à longue conservation provenant de la Nouvelle-Zélande

12

INSTANTANÉ DES INSTALLATIONS DE THP À FOOD SCIENCE AUSTRALIA

Screening Trial

Time (s)

0 10 20 30 40 50 60 70

CFU

/ml

100

101

102

103

104

105

106

107

2472 2655 2657 2345 2340 2343 2542 2341 2342

35 L, 100 000 psi,0 à 121 °C, usine pilote de qualité alimentaire

2 et 3 L (contenu), 90 000 psi, études remises en question (vrais pathogènes, vrais aliments)5 mL kinétique,

100 000 psi, -20 – 21 °CÉquipe d’experts multidisciplinaires!

ÉVENTUELLES APPLICATIONS LAITIÈRES POUR LA THP

Il ne s’agit pas d’une panacée, ce sont des produits créneaux et/ou des applications pour des marchés spécifiquesFabrication de yogourt/desserts laitiers/smoothies

Moins de synérèse, texture plus ferme, moins de solidesDurée de conservation, amélioration des activités probiotiques

FromageVitesse de maturation accrue, cessation à un moment précisTexture amélioréeSécurité des fromages au lait cru (nécessite une approbation réglementaire)Fromage à caillé frais, tartinades au fromage, conservation plus longue

Améliorer l’utilité des poudres spécialisées/spécifiques (p. ex., solubilité)Bioactifs du lait, de colostrum et de lactosérum (p. ex., lactoferrine et autres)

Pasteurisation à froid tout en maintenant la bioactivité

13

Ultrasons

PRINCIPES DES ULTRASONSLes ultrasons entraînent des milliers d’expansions et de contractions d’infimes bulles, naturellement présentes dans un liquide, des milliers de fois chaque seconde jusqu’à ce que les bulles s’effondrentAu moment de la cavitation, la température à l’intérieur de la bulle atteint 5 000 °K et 2 000 bars de pression La bulle

14

ULTRASONS – DÉPLACEMENT RAPIDE!Ondes sonores de plus de 18 kHzBesoin d’un medium pour se propagerÉquipement varie de 20 à 1 000 kHzConception technique et compréhension de l’application très spécialiséesAccroissement de la puissance (sonique) –ultrasons à haute puissance (UHP)Commercialement échelonnable

ULTRASONS DANS LES SYSTÈMES BIOLOGIQUES

Désintégration et dispersion des colloïdes

Dispersion de membrane cellulaire/particule – rhéologie

Rupture cellulaire - biodisponibilité, extraction

Rupture intracellulaireViabilité

Transfert de masseExtraction, infusion

ExcitationFermentations

Inte

nsit

écr

oiss

ante

Nuage à bulle àl’extrémité de la

sonotrode

15

EFFETS DES ULTRASONS

Réduction des dimensions et réactions possiblesSystèmes alimentaires

Rupture des structures, l’utilité peut être touchéeMacromolécules

Réactions des radicaux libres, la saveur peut être affectée

Petites molécules

Désactivés/activés sélectivementEnzymes

NonVirus

Peu d’effet en isolationPeut augmenter sensiblement les effets des autres traitements (p. ex., faible chaleur)

Microorganismes

OuiParasites

EffetMatériau

MODIFICATION D’UN PRODUIT PAR ULTRASONS – EXEMPLE LAITIER I

Gestion de la viscosité

Épaississement et dilutionGélationLiaison de l’eau

Réduction de la dimension des particules et agglomération

Répartition de la taille des particules

0.01 0.1 1 10 100 1000 3000 Taille des particules (µm)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Volume

(%)

Lait entier non traitéHomogénéisation ultrasonique du lait entier

Mawson, Simons, Bates et al. (2005)

Clivage des polymère hydrocolloïdaux - nanousinage

Gestion de la cristallisation

16

UTILISATION DU LACTOSÉRUM –AMÉLIORATION DU FLUX ULTRASONIQUE –EXEMPLE LAITIER II

Améliorations de 20 à 70 % du cycle de production, certains avantages pendant le nettoyageAucun dommage apparent aux membranes ni aux solutions de lactosérum

Mawson, Simons et al. (2006)

0

5

10

15

20

25

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000Taux d’écoulement transversal (ml/min)

Flux

de

perm

éatio

n(l/

m2h)

Flux en état stable après perméation de 6 % de lactosérum à 300 kPa de pression

transmembrane

avec ultrasons

sans ultrasons

INSTANTANÉ DES POSSIBILITÉS DE L’UHP À FOOD SCIENCE AUSTRALIA

25 kHzSonotrodes de laboratoire focalisée et radiale (400 W et 1 kW)Cellules de laboratoire à écoulement continuCuve de réaction cinétique de laboratoireBuse de pulvérisation à ultrasonsSonotrodes commerciales à écoulement continu, focalisées et radiales (8 kW)Système de cuve pour projet pilote (8 kW)

40 kHzRéservoir de 20 litres (500 W)Cellule commerciale à écoulement continu à focalisation pentagonale (500 W)

1 MHzTransducteur de plaque de réservoir

Couteau à découper ultrasonique (1 kW, 20 kHz)

17

APPLICATIONS FONCTIONNELLES DE L’UHP DANS LA TRANSFORAMTION LAITIÈRE

Extraction, séparationÉmulsification, mélangeActivation-désactivation des enzymesCristallisationDégasage et démoussageVaporisation/couchageEncapsulationMélange à cisailllement élevé, homogénéisation, modulation de la viscositéSéchage à basse températurePasteurisation à température plus basse?

Nuage à bulle àl’extrémité de la

sonotrode

Rentable!

Champ électrique

pulsé

18

QU’EST-CE QUE LA TRANSFORMATION PAR CHAMP ÉLECTRIQUE PULSÉ (CEP)

Application d’impulsions à haute tension (jusqu’à 50 kV/cm) au produit/liquide visé

Le produit/liquide fait partie du « circuit électrique »Quelques courtes impulsions, temps de traitement en microsecondesDifférentes formes d’ondes possibles, efficacité variableDésactive surtout les cellules microbiennes végétatives

Certaine production de chaleur simultanée, contrôle de température importantSe prête aux flux liquides, fonctionnement en continuAppareils commerciaux de petite taille (2 000 L/h) et plus gros (10 000 L/h) disponibles - commercialisation en cours (jus et eau) . . . le secteur laitier est-il le prochain?

SYSTÈME DE TRANSFORMATION ÀCEP

Intensité de 20 à 50 kV/cmDurée des impulsions – 1 à 10 microsecondesDurée totale du traitement – 10 à 50 microsecondes

Charging Resistor High Voltage Switch

Supply Power

Food

CapacitorEnergy Storage

ChamberTreatment

PompeContrôle de température

Contrôle de température

Réservoird’alimentation

Réservoirde stockage

Générateur d’impulsions

Chambre de traitement

Circuit d’alimentation à haute tension

Condensateur

19

DOMMAGE AUX CELLULES APRÈS TRAITEMENT PAR CEP

Cellule de contrôle Cellule traitée au CEP

Barbosa-Canovas, Washington State Univ.

Saccharomyces cerevisiae (levure) dans le jus de pomme

Désactivation de microflore naturelle dans le lait cru : CEP vs non traité vs chaleur seulement

Wan et al. (2006)

CEP DANS LES SYSTÈMES LAITIERS – I

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

34,2 32,5 28,1 24,0 PEF off 72 °C15 sec

63 °C30 min

Traitement au CEP (kV/cm) sur lait cru incubé, monoimpulsion, 55 °C, 1 ml/sec

Déc

ompt

e va

labl

e (lo

g cf

u/m

l)

0

15

30

45

60

LP (m

g/L)

DBT L&M Eb LP

20

Désactivation des microflores introduites dans le lait écrémé : CEP vs chaleur seulement

0

2

4

6

8

25 30 35 40 45 50 55 60 65

Temperature (°C)

Res

idua

l VC

(log

CFU

/ml)

PEF offPEF

0

2

4

6

8

25 30 35 40 45 50 55 60 65

Temperature (°C)

Res

idua

l VC

(log

CFU

/ml)

PEF offPEF

0

2

4

6

8

50 55 60 65 70 75 80 85

Temperature (°C)

Res

idua

l VC

(log

CFU

/ml)

PEF offPEF

Pseudomonas fluorescens ATCC948

Salmonella typhimurium ATCC14028

Enterobacter faecalis ATCC19433

0

2

4

6

8

45 50 55 60 65 70 75 80 85Temperature (°C)

Res

idua

l VC

(log

CFU

/ml)

PEF offPEF

Listeria monocytogenes NCTC11994

CEP DANS LES SYSTÈMES LAITIERS – II

Wan et al. (2006)

réduction 5 log 50 °C

réduction 6 log <70 °C

réduction 6 log <60 °C

réduction 5 log <55 °C

POSSIBILITÉS DU CEP À FOOD SCIENCE AUSTRALIA

Système de laboratoire (provenant de Ohio State University) utile pour les premiers travaux d’établissement de la portée

Jusqu’à 10 L/h

Système de laboratoire (provenant de Ohio State University) utile pour les premiers travaux d’établissement de la portée

Jusqu’à 10 L/h

Système pour projet pilote (provenant de DiversifiedTechnologies) utile pour « la validation de principe » et des projets pilotes

Jusqu’à 300 L/h, 1 000 L/h pour liquides à faible conductivité

Système pour projet pilote (provenant de DiversifiedTechnologies) utile pour « la validation de principe » et des projets pilotes

Jusqu’à 300 L/h, 1 000 L/h pour liquides à faible conductivité

21

UTILISATIONS LAITIÈRES POSSIBLES POUR LE CEP

Pasteurisation à plus faible température

Conservation prolongée des liquides pasteurisés

Maintien de l’activité biologique/efficacité des ingrédients laitiers bioactifs (p. ex., lactoferrine, lactopéroxidase, immunoglobulines) pendant la pasteurisation

Meilleure stabilité thermique de certaines protéines laitières?

Meilleure extraction des éléments (rôle possible du fractionnement de la MGMGL?)

Plasma froid

22

QU’EST-CE QUE LE PLASMA FROID?Le plasma est un gaz excité au point où il perd des électrons

Gaz pleinement ionisé de faible densité

Également connu sous le nom de quatrième état de la matière

Contient en général des ions, des atomes, des singulets, des photons et des électrons

Le plasma froid est un gaz partiellement ionisé entre 30 et 60 °C

En général conservé sous vide, bien qu’un plasma froid àpression atmosphérique est réalisable

SYSTÈMES À PLASMA FROIDSystème prototypique des Pays-Bas (fourni par Hennie Mastwijk, ATO, les Pays-Bas)

Système prototypique des Pays-Bas (fourni par Hennie Mastwijk, ATO, les Pays-Bas)

Banc prototypique à micro-ondes àplasma froid mis au point par le professeur Tran et InnovativeFoods Centre à FSA

Banc prototypique à micro-ondes àplasma froid mis au point par le professeur Tran et InnovativeFoods Centre à FSA

23

PLASMA FROID À MICRO-ONDES

Atmospheric and low pressure cool plasma treatment of B.subtilis

012345678

0 200 400 600 800

Treatment time (seconds)

Red

uctio

n lo

g nu

mbe

r

Atmospheric,Loughborough (UK)UV, Loughborough (UK)Low pressure,Swinburne (AUS)

Prototype d’appareil pilote à plasma froid à micro-ondes mis au point par le professeur Tran et Innovative FoodsCentre à FSA

Prototype d’appareil pilote à plasma froid à micro-ondes mis au point par le professeur Tran et Innovative FoodsCentre à FSA

Le plasma froid désactive les spores microbiennes!Le plasma froid désactive les spores microbiennes!Unités de différentes

dimensions (laboratoire, sur banc et pilote)

Hygiène et traitement des pathogènes améliorés sur les surfaces de l’équipement et des aliments (viande, fruit) et des poudres (produits laitiers)

AVANTAGES ET DÉFIS

Désactivation microbienne efficace sur les surfaces irrégulièresDurée d’exposition courte nécessaireFaible énergie nécessaireAucun résidu chimiqueChangement superficiel minimal

Obstacles...Profondeur de pénétrationAccroissement de l’effetOxidation superficielle qui pourrait limiter l’application

Facteurs esthétiques...

24

APPLICATIONS LAITIÈRES POSSIBLES DU PLASMA FROID

Pasteurisation et désinfection superficielle de ce qui suit :

Formes irrégulièresPoudres de laitÉquipement de transformation du laitMatériaux d’emballage

Enduit superficielDéposition de vitamines et de composés bioactifs sensibles à la surface des aliments (laitiers et non laitiers)

EN RÉSUMÉ…Le marché de l’alimentation est exigeant, évolue rapidement

Révolution fonctionnelle des aliments, occasion florissante

Efficacité des procédés, améliorations de la qualitéconstantes

Les innovations de la transformation seront le fondement des produits et ingrédients laitiers nouveaux et différents

THP, ultrasons, CEP, plasma froid

À l’horizon et au-delàStérilisation à haute pression de produits sensibles à la chaleurGénéralisation de la modulation du comportement des ingrédients à l’aide des technologies émergentesCEP pour l’extraction

25

REMERCIEMENTSCollègues de Science et technologie et leurs équipes

Équipe IFC, Mary Ann Augustin, Jason Wan, Kirthi De Silva, Louise Bennett, Roderick Williams, Lloyd Simons, Raymond Mawson, Sandani Udabage, Peerasak Sanguansri, Darren Bates, et autres

FinancementCSIRO, Food Science Australia,Victorian Govt., Dairy Australia,Monash Univ., Melbourne Univ.,Swinburne, Food Futures Flagship

Compagnies laitières australiennes

MERCI!