Récupération des phospholipides du babeurre par microfiltration

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1 Récupération des phospholipides du babeurre par microfiltration MORIN Pierre a, BRITTEN, Michel b, JIMÉNEZ-FLORES Rafael c, POULIOT Yves d a Agropur Coopérative St-Hubert, Québec, Canada b Centre de Recherche et de Développement sur les Aliments, Agriculture et Agroalimentaire Canada, St-Hyacinthe, Québec, Canada c Dairy Products Technology Center, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, Californie, USA d Centre STELA, Institut des Nutraceutiques et des Aliments Fonctionnels (INAF), Université Laval, Québec, Canada Résumé Le babeurre, coproduit de fabrication du beurre, est riche en phospholipides et autres composés mineurs associés à la membrane du globule de gras laitier (MFGM). Ces composés possèdent d'excellentes propriétés fonctionnelles et certaines propriétés biologiques uniques. Nos travaux visaient à développer une approche de séparation des composés de MFGM par microfiltration. Plusieurs conditions de filtration (température, diamètre de pores, type de babeurre) on été étudiées. Les résultats on démontré que la présence de micelles de caséines dans le babeurre nuisait à la séparation de la MFGM en raison des tailles comparables des composés. L'utilisation d'un babeurre obtenu bar barattage d'une crème de lactosérum dépourvue de caséine a permis d'améliorer la séparation de la MFGM. Enfin une approche de lavage de la crème avant le barattage a permis une concentration efficace des composés de la MFGM par microfiltration et ce en plus de générer des flux de perméation 2 fois plus élevés que dans les procédés étudiés auparavant. Les procédés étudiés dans ce projet ont permis de mieux comprendre la séparation des composés de la MFGM à partir de babeurre et de produire des fractions pouvant potentiellement être exploitées pour leur propriétés fonctionnelles et nutraceutiques. Mots-clés : babeurre, microfiltration, phospholipides, caséines 1. Introduction Dans le contexte industriel laitier actuel, l utilisation et la valorisation de l ensemble des solides du lait demeure un aspect clé de la profitabilité des entreprises. Cependant, des coproduits comme le babeurre de crème douce ne trouvent que très peu de voies de valorisations. Le babeurre de crème douce est habituellement séché par atomisation et stocké pour une période de temps relativement longue en raison de la faible demande. La stabilité oxydative faible de ce produit rend difficile et peu souhaitable son utilisation dans les formulations alimentaires. Au Canada la production de poudre de babeurre fluctue entre 2.4 et 3.0 million Kg depuis les 5 dernières années (Statistiques Canada, 2010). Tout comme dans le cas du lactosérum, le potentiel économique de la fabrication du beurre pourrait être amélioré de façon importante si son coproduit était valorisé à son plein potentiel. Auteur à qui la correspondance devrait être adressée : pierre.morin@agropur.com Axx-1

2 La composition de babeurre est souvent rapportée comme étant similaire a celle du lait écrémé ce qui n est pas totalement le cas. La composition chimique du babeurre est proche de celle d un lait écrémé mais sa composition fine révèle une concentration unique en composés associés à la membrane du globule de gras (MFGM). Ces composés possèdent des propriétés fonctionnelles (Sodini et al, 2006) et nutraceutiques (Spitsberg, 2005) à fort potentiel. Le fractionnement du babeurre afin d en isoler la portion riche en MFGM est possiblement la clé permettant d atteindre la pleine valorisation de ce coproduit. Seulement quelques technologies industrielles sont disponibles afin de permettre le fractionnement du babeurre. Parmi celles-ci, la microfiltration tangentielle (MF) est probablement celle qui présente le meilleur potentiel de succès. L industrie laitière est d ailleurs déjà un utilisateur important de la MF dans des procédés de fabrication de laits longue conservation (Saboya & Maubois, 2000) et d épuration bactérienne du lactosérum de fromagerie (Madec, Méjean & Maubois, 1992). Nos travaux effectués dans les dernières années ont permis d évaluer le potentiel de la MF comme outil de fractionnement mais aussi les obstacles importants limitant son utilisation. La combinaison de différentes approches accessibles à l industrie laitière a aussi été étudiée afin d améliorer le fractionnement. Globalement, le but de ce projet était de développer une approche de fractionnement permettant de produire une fraction enrichie en MFGM tout en permettant de valoriser les autres solides du babeurre. 2. Matériels et méthodologies Les laits, crèmes et babeurres utilisées au cours de tout les travaux étaient de sources industrielles et étaient transformés dans les installations du Centre STELA (Université Laval, Québec, Canada) et du Dairy Products Technology Center (CalPoly, San Luis Obispo, Californie, USA). Dans le cadre de ces travaux, deux unités de MF différentes ont été utilisées. Un module de type Bacto-Catch TM (Tetra-Pak, MSF Type 1, Lund, Suède) équipée de membranes Membralox (Bazet, France) ayant des diamètres de pores de 1.4, 0.8, 0.50 et 0.1 µm. Le module permettait de fonctionner en mode de pression transmembranaire uniforme (UTP). Ce module a servi pour la majorité des travaux. L autre module (non UTP) de MF était équipé de deux membranes Tami Sunflower Design de 0.45µm (Tami Industries, Nyons, France). Le contenu détaillé de chacune des sections expérimentales sont décrits en détails dans Morin et al, 2004,2006, et Pour chacune des sections expérimentales, les analyses de composition protéiques (Kjeldahl, SDS-PAGE) ainsi que de la fraction phospholipidique (HPLC-ELSD) ont été effectuées. 3. Résultats 3.1 Utilisation de la MF pour le fractionnement : effet de la température de filtration et du diamètre de pores Dans la première partie de nos travaux, nous avons évalué l impact de la température de MF et du diamètre de pores sur la rétention des composés par la membrane (Morin et al. 2004). La température de filtration a eu un impact évident sur les flux de perméation avec une chute de flux de perméation en MF par un facteur 10 en passant de 50 C à 4 C. Les flux observés à 50 C étaient de l ordre de L.h -1.m -2. L impact de la température a aussi été observé sur les résultats de transmission des composés au travers de la membrane (Figure 1.). L abaissement de la température de filtration provoque une hausse marquée de la transmission des phospholipides. Les explications de cette hausse de transmission sont liées à un affaiblissement des interactions hydrophobes qui favorisent la dissociation des fragments de MFGM couplé à un ralentissement de la cinétique de colmatage de la membrane de filtration. Les compositions des perméats et rétentats obtenus dans cette étude sont présentés au Tableau 2. Axx-2

3 Transmission % ((Cp/Cr) *100) Temperature ( C) Figure 1. Transmission de protéines ( ), lipides ( ) et phospholipides ( ) en MF (0.8 µm) de babeurre frais à différentes températures (Adapté de Morin et al., 2004) L utilisation de la MF à 0.8µm a permis d augmenter la richesse en phospholipides du babeurre tout en retirant une partie de la protéine totale. À 50 C, il a été possible de doubler la quantité de phospholipides dans le rétentat de MF alors que la protéine totale n augmentait que de 23% et ce pour un facteur de concentration volumétrique de 8X. Bien que l on parvienne à concentrer une partie des phospholipides en MF, il apparaissait évident de cette étude que la MF seule à 0.8µm induit des pertes significatives en phospholipides dans le perméat de MF. Le choix du diamètre de pores utilisé pour le fractionnement du babeurre devenait donc important sur le taux de transmission des espèces. Différents diamètres de pores ont été testés dans la même étude mais les résultats obtenus dans cette portion de travaux n ont démontré que le peu d effet de la MF sur séparation nette des composés de la MFGM (phospholipides) des autres composés du babeurre. Ces résultats confirmaient ceux obtenus par Surel et al. (1995). Tableau 1. Composition du babeurre et des produits du fractionnement en MF selon la température de procédé (Adapté de Morin et al., 2004) Protéines (% ES) Lipides (% ES) PPL (% ES) 1 Babeurre Perméat MF 0.8 µm Rétentat MF 0.8 µm 7 C 25 C 50 C 7 C 25 C 50 C a 4.81 a a 5.22 a a 6.05 b a 9.02 a b b b ab 3.94 % des PPL 2 PE PI PC SM a,b Les valeurs en colonnes d une même ligne avec un exposant différent sont significativement différentes (P < 0.05). 1 PPL = phospholipides 2 Pourcentage de chaque espèce sur la totalité des phospholipides (PE = phosphatidylethanolamine, PI = phosphatidylinositol, PC = phosphatidylcholine, SM = sphingomyeline). 3.2 Approches visant à améliorer le fractionnement - prétraitement du substrat La complexité de la séparation des composés de la MFGM du babeurre réside dans les tailles similaires des composés à séparer (Surel et al. 1995; Morin et al,2004). En effet, la partie caséique du babeurre gêne fortement la séparation. Différents travaux visant à éliminer cette fraction à l aide d agent séquestrant (Corredig et al, 2003) ou d hydrolyse enzymatique (Roesh et Corredig, 2002) ont donné des résultats intéressants. Cependant, d un point de vue industriel, la caséine du babeurre pourrait avoir une valeur importante surtout au niveau fromager. Des approches de modification chimique ou enzymatique de la caséine risquent de réduire de façon substantielle la profitabilité d une telle séparation. Une séparation préalable de la caséine du babeurre serait potentiellement plus rentable. Deux approches différentes ont Axx-3

4 été étudiées dans le cadre de nos travaux, soit l utilisation de babeurre de crème de lactosérum et le lavage de la crème avant barattage Babeurre de crème de lactosérum Lors de la fabrication fromagère, une partie du gras laitier est perdu dans le lactosérum et ce gras est récupéré dans une crème de lactosérum. Plusieurs industriels laitiers produisent un beurre de crème de lactosérum et doivent donc composer avec du babeurre comme coproduit. Le babeurre de crème de lactosérum ne contenant que des traces de caséines, ce dernier constituait donc un substrat idéal pour en récupérer la MFGM par MF (Morin et al., 2006). Un système pilote (0,7 m 2 de surface de membrane) équipé de membranes Tami Sunflower de 0,45µm a été utilisé pour cette partie des travaux. Les résultats ont démontré que l absence de caséine dans le produit induisait des flux de perméation environ 2 x plus élevé dans le cas du babeurre de crème de lactosérum. Les données de transmission des composés on démontré que la membrane de 0,45µm permettait à la fois de retenir les protéines de la MFGM de façon acceptable tout en favorisant la transmission de protéines du lactosérum (Figure 2, bande 5 versus 10). Figure 2. Profil SDS-PAGE (12% acrylamide) de babeurre de lactosérum (1), perméats de babeurre de lactosérum (2 &4), rétentats de babeurre de lactosérum (3&5), babeurre de crème douce (6), perméat de babeurre de crème douce (7&9), rétentat de babeurre de crème douce (8 &10), MW: marqueurs de poids moléculaire, XO: xanthine oxidase, BTN: butyrophiline, PAS 6/7: periodic acid Schiff 6/7, CN: caséines, β-lg: bêta-lactoglobuline. Les protéines ont été identifiées selon Mather (2000). (Adapté de Morin et al., 2007) L intérêt de cette approche est double car non seulement on parvient à enrichir le rétentat de MF en fragments de membrane de globule de gras mais on crée aussi un perméat délipidé d une pureté relativement importante en protéines du lactosérum pouvant donc être utilisé pour la fabrication de concentré de protéines du lactosérum et de lactose. La faible production de beurre de lactosérum demeure cependant limitant d un point de vue industriel Babeurre de crème lavée Bien que l écrémage du lait génère une crème à un taux faible de caséines, l ensemble de celles-ci sont retrouvées dans le babeurre. Une approche de lavage de la crème peut permettre de réduire fortement le taux protéique de la crème (Britten et Lamothe, 2005). Cette approche a été testée dans nos travaux sur le fractionnement du babeurre (Morin et al., 2007). Après une première séparation de la crème du lait entier par centrifugation, la crème était diluée avec un perméat d ultrafiltration de lait pour être ensuite séparée de nouveau par centrifugation. Les compositions des crèmes normale et lavée, ainsi que celles de leurs babeurres sont présentés au Tableau 2. On note que le lavage de crème permet de réduire par un facteur 2 le taux de protéine de la crème et donc générer un babeurre ayant un contenu protéique 3X plus faible. Axx-4

5 Tableau 2. Composition des crèmes et babeurres des procédés normaux et de lavage de crème (Adapté de Morin et al., 2008) Crèmes Babeurres Normale 1 Lavés Crème normale Crème lavée Extrait sec (%) ± ± 0.17 ** 6.38 ± 0.06 Protéines (%) ± ± 0.05 ** 0.91 ± 0.14 Lipides (%) ± ±0.02 ** 0.33 ± 0.01 Phospholipides (%) n.d. n.d 0.13 ± 0.00 ** 0.05 ± 0.01 Distribution des espèces de phospholipides (%) PE PC PS PI SM ± 0.55 ** ± 1.92 ** 6.18 ± 0.45 * ± ± ± ± ± ± ± 1.20 Cendres (%) ± ±0.06 ** 0.47 ± Un seul lot de crème analysé *,** Différence significative (p< 0,05) ou hautement significative (p<0,01) entre les deux type de babeurres Du point de vue de la conduite de la MF, la réduction du taux de caséines du babeurre a permis d améliorer les flux de perméation par un facteur 2 avec des flux moyens à l équilibre de près de 200 L.h - 1.m -2 pour le babeurre de crème lavée. Cet effet a été attribué à une baisse significative de la résistance causée par le colmatage réversible de la membrane. La caséine du babeurre tend normalement à s accumuler à la surface de la membrane et crée un gâteau de filtration qui limite les flux en plus de limiter la transmission des solides. Le fractionnement du babeurre de crème lavée permet d obtenir une concentration sélective des fragments de MFGM de façon beaucoup plus efficace que les autres techniques de fractionnement évaluées dans nos travaux. En effet, le rétentat de MF contient une teneur 5X plus élevée en phospholipides que le babeurre initial dans le cas du babeurre de crème lavée alors que ce facteur de concentration n atteint que 2,9X dans le cas du babeurre de crème normale. L intégration de ce type de fractionnement dans un procédé de fabrication de concentré de protéines totales du lait ou Milk protein concentrate (MPC) est envisageable à grande échelle. Un avantage important est qu il permettrait de récupérer plus de 98% de la protéine du lait pour l obtention du MPC alors qu un procédé normal permet une récupération d environ 93% en raison de la perte de protéines dans la crème (Figure 3). % Récupération de protéines pour la fabrication de MPC Lait 550 Kg 3.3 % prot Kg prot. 1ère Séparation % Écrémé 490 Kg 3.5 % prot Kg prot. Crème 60 Kg 2.1 % prot Kg prot % Perméat d'uf 305 Kg (~ 0 % prot.) Écrémé 305 Kg 0.24 % prot Kg prot. 2ième Séparation Crème 60 Kg 0.87 % prot Kg prot. Barattage Babeurre 35 Kg 0.91% prot Kg prot Beurre 25 kg 0,8% prot, 0,20 Kg prot Microfiltration 4X, 0.8µm 0.82 % Perméat 18.8 Kg 0.80% prot Kg prot. Retentat 8.75 Kg 1.94 % prot Kg prot % Diafiltration 6X, 0.8 µm Perméat DF 37.6 Kg 0.27 % prot Kg prot. Concentré MFGM 8.75 Kg 0.75 % prot Kg prot % Figure 3. Diagramme d écoulement de la fabrication de MPC avec intégration du lavage de la crème et fractionnement en MF du babeurre de crème lavée. Axx-5

6 4. Conclusions L obtention de fractions riches en MFGM est relativement complexe et ne peut-être réalisée par MF en raison de la similarité de tailles des composés en jeu. Cependant, divers pré-traitements peuvent être appliqués afin d optimiser la séparation. L utilisation de babeurre de crème de lactosérum facilite le fractionnement en raison de l absence de micelle de caséines. Cependant, les faibles volumes de ce coproduit par opposition aux volumes de babeurre de crème douce peuvent représenter un obstacle au développement technologique. Le lavage de la crème avant barattage est une autre approche qui peut permettre d améliorer significativement le fractionnement. Cette approche peut-être intégrée dans un procédé de fabrication de concentré de protéines du lait et il présente l avantage de récupérer la fraction protéique perdue dans l écrémage. De cette façon, une installation peut donc produit à la fois un extrait concentré en MFGM, un beurre de crème douce, un concentré de protéines du lait et un perméat de lait. Le frein majeur à l émergence de telles technologies reste cependant les faibles débouchés pour une fraction enrichie en MFGM. Avec l émergence de nouvelles données scientifiques sur les effets santés et fonctionnels de ces composés mineurs, l intérêt pour des fractions enrichie en MFGM ne peut que croitre. Dans le cadre de ces travaux, diverses approches ont été évaluées afin de permettre une séparation de la MFGM de différents substrats par MF. La récupération de phospholipides par MF seule est ardue et les étapes de traitements évaluées sont nécessaire afin d arriver à un fractionnement substantiel. Encore beaucoup de travaux académiques et industriels seront nécessaires afin valider le mode de fractionnement le plus approprié. Références Britten, M., & Lamothe, S. (2005). Influence of cream washing on protein recovery and phospholipid distribution in butter making process. Affiche présentée au 2005 International Dairy Federation World Dairy Summit, Vancouver, BC, Canada. Corredig, M., Roesch, R. R., & Dalgleish, D. G. (2003). Production of a Novel Ingredient from Buttermilk. Journal of Dairy Science, 86(9), Madec, M.N., Méjean, S. & Maubois, J.L. (1992). Retention of Listeria and Salmonella cells contaminating skim milk by tangential membrane microfiltration (Bactocatch process). Lait, 72, Mather, I. H. (2000). A review and proposed nomenclature for major proteins of the milk fat globule membrane. Journal of Dairy Science, 83(2), Morin, P., Jiménez-Flores, R., & Pouliot, Y. (2004). Effect of Temperature and Pore Size on the Fractionation of Fresh and Reconstituted Buttermilk by Microfiltration. Journal of Dairy Science, 87(2), Morin, P., Pouliot, Y., & Jiménez-Flores, R. (2006). A comparative study of the fractionation of regular buttermilk and whey buttermilk by microfiltration. Journal of Food Engineering, 77(3), Morin, P., Britten, M., Jiménez-Flores, R. & Pouliot, Y. (2007). Microfiltration of buttermilk and washed cream buttermilk for concentration of milk fat globule membrane components. Journal of Dairy Science 90: Roesch, R. R., & Corredig, M. (2002). Production of buttermilk hydrolyzates and their characterization. Milchwissenschaft, 57(7), Saboya, L.V.& Maubois, J.L. (2000). Current developments of microfiltration technology in the dairy industry. Lait, 80, Statistiques Canada. (2010). Production de poudres de lait au Canada. Accédé le 22 juin 2010, Spitsberg, V. L. (2005). Invited review: Bovine milk fat globule membrane as a potential nutraceutical. Journal of Dairy Science, 88(7), Sodini, I., Morin, P., Olabi, A., Jiménez-Flores, R. (2006). Compositional and Functional Properties of Buttermilk: A Comparison Between Sweet, Sour, and Whey Buttermilk. Journal of. Dairy Science. 89(2): Surel, O., & Famelart, M. H. (1995). Ability of ceramic membranes to reject lipids of dairy products. Australian Journal of Dairy Technology, 50(2), Remerciements L ensemble des travaux réalisés ont été effectués avec le soutien financier de plusieurs partenaires : Novalait inc, Agriculture et Agroalimentaire Canada, Fonds Québécois sur la Nature et les Technologies (FQRNT), Ministère de Agriculture, des Pêcheries et de l Alimentation du Québec (MAPAQ), Conseil de la Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada, Les Producteurs Laitier du Canada, California Dairy Research Foundation, et Dairy Management Inc. Axx-6