Les produits laitiers

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1 16 octobre 2013 Master 1 ZMBS221 Les produits laitiers Alain LAGAUDE 16oct13 Alain Lagaude 1

2 De la traite Technologie aux produits lait laitiers Pourquoi un tel arsenal de moyens? Composition (eau, protéines, glucides, lipides, sels, vitamines ) Le lait, un produit complet et complexe Variabilité (race, alimentation, temps écoulé depuis le vêlage ) Instabilité Traitements technologiques Diversité Stabilisation physicochimique et biologique Standardisation et adaptations des procédés 16oct13 Alain Lagaude 2

3 Qualité initiale Technologie du lait Qualité initiale du lait : un point déterminant Refroidir rapidement le lait jusqu à 4 C en moins de 90 min. L agitation, nécessaire pour avoir un refroidissement rapide, ne doit pas rompre la membrane des globules gras (lipolyses). Le développement des bactéries acidophiles est stoppé à 4 C, mais les psychrophiles (Pseudomonas, Flavobacterium) continues à se développer lentement (temps de génération : 0,5 h à 32 C, 12 h à 4,4 C et de 38 h à 0 C). Leur activité lipolytique et protéolytique peut altérer la saveur du lait. Le rôle de la température apparaît dés le premier stade de la production laitière et se confirmera tout au long des procédés. 16oct13 Alain Lagaude 3

4 Technologie du lait Réception du lait germes/ml germes/ml germes/ml germes/ml Dans le trayon lait à la ferme lait à l usine instabilité thermique A la réception à l usine, le lait réfrigéré est clarifié, écrémé, pasteurisé puis standardisé 16oct13 Alain Lagaude 4

5 Traitements de stabilisation Pasteurisation durée de conservation limitée, dénaturation et coût moins importants que la stérilisation La pasteurisation séparée du lait écrémé et de la crème est une pratique courante car elle permet d optimiser les traitements thermiques en fonction du produit. L assemblage réalisé sur les produits pasteurisés permet la standardisation. Barème : 15 s /72-75 C s /88-90 C L hygiène est obtenue (pathogènes non sporulés) mais survie possible des germes thermophiles. Les spores ne sont pas en quantités importantes dans le lait. Couple temps-température : germes plus sensibles en chaleur humide qu en milieu anhydre ; la ph et température diminuent la résistance des germes. 16oct13 Alain Lagaude 5

6 Traitements de stabilisation Contrôle de la pasteurisation Suivi de la température en ligne La température à la sortie du chambreur est prise en compte pour quantifier la pasteusrisation ( chauffage). Une chute de température active une vanne qui renvoi le lait insuffisamment pasteurisé dans le bac d alimentation. La différence de température entre le milieu chauffant et le produit permet d apprécier le taux d encrassement des plaques de l échangeur thermique et de lancer un nettoyage. Le lait est en surpression par rapport au fluide chauffant dans l échangeur thermique. Les disques d enregistrement «température/temps» sont obligatoires et doivent être archivés. A tout moment, il faut pouvoir prouver qu un produit commercialisé a été correctement pasteurisé. Contrôle pasteurisation Phosphatase inactivée par 5 min/66 C et peroxydase 5 min/75 C 16oct13 Alain Lagaude 6

7 Traitements de stabilisation Standardisation La standardisation a pour but d obtenir la quantité de matière grasse voulue dans un lait Facteurs influençant Cycle de lactation Alimentation Climat Génétique Mode de traite Lait de composition variable Solutions Laits de grand mélange Mélange de laits entier et écrémé Ajout de crème, de protéines (caséines, sériques,) Ultrafiltration : concentration des protéines, lipides Uniformité de la matière première Reproductibilité de la fabrication 16oct13 Alain Lagaude 7

8 Traitements thermiques de stabilisation Homogénéisation : diamètre des globules gras Le diamètre des globules gras est compris entre 2 et 5 µm (des diamètres de 0,1 µm sont nombreux mais ont une masse globale faible ; les globules gras de 10 µm sont rares). Pour une stabilité de quelques jours une taille de 1 à 2 µm est suffisante pour éviter l écrémage ; pour plusieurs semaines (lait stérilisé) le diamètre doit être compris entre 0,2 et 0,7 µm. L homogénéisation se fait généralement en deux phases successives ( 200 bar éclatement des globules gras et 50 bar pour dissocier les agrégats qui se reforment après la détente). Vitesse de passage dans l orifice calibré est de 100 à 250 m.s -1 d où une chute de la pression qui voisine zéro dans la fente (< pression de vapeur du liquide) = phénomène de cavitation. Le lait homogénéisé est plus blanc, plus visqueux, à une augmentation de la capacité de moussage et de la tenue de la mousse ; un goût crayeux est perceptible si beaucoup de protéines se fixent à basse température sur les globules gras. On pasteurise avant homogénéisation pour éliminer les lipases responsables d un rancissement rapide (fractionnement des GG). Il ne faut jamais mélanger du lait cru et du lait homogénéisé. 16oct13 Alain Lagaude 8

9 Traitements de stabilisation Stérilisation Des traitements beaucoup plus sévères sont appliqués pour augmenter la durée de conservation sans atteindre les zones de chauffage responsables de goût de cuit ou de diminution de la valeur nutritionnelle. Le couple temps/température de traitement doit être choisi en fonction de la valeur létale ciblée, mais aussi en fonction de la valeur d inactivation des enzymes thermostables. La durée de conservation du lait UHT est influencée par la température d entreposage puisque la totalité des enzymes n est pas inactivée. 16oct13 Alain Lagaude 9

10 Traitements thermiques de stabilisation Stérilisation La durée de conservation du lait UHT est influencée par la température d entreposage puisque la totalité des enzymes n est pas inactivée. Une température de 10 C à 15 C ralentit les réactions enzymatiques, physiques (séparation de gras) et chimiques, responsables de changements dans le produit fini. Le couple temps/température de traitement doit être choisi en fonction de sa valeur létale, la valeur d inactivation des enzymes thermostables, la conservation des qualités organoleptiques et nutritionnelles Le type de conditionnement influe aussi sur la durée de conservation (matériau complexe) 16oct13 Alain Lagaude 10

11 Traitements thermiques de stabilisation Spores bactériennes : stérilisation pratique F = 8,0 min ; ζ = 10 C Choix traitement UHT Enzyme thermorésistante (N/N 0 = 10 %) F = 8,0 min ; ζ = 33 C t (min) ,1 Destruction des germes thermorésistants Zone de stabilisation thermique Destruction des enzymes thermorésistantes T ( C) Courbes de destruction thermique simultanée de micro-organismes thermorésistants et d enzymes thermorésistantes : dans ce cas, il est préférable de travailler à une température modérée associée à un temps long. 16oct13 Alain Lagaude 11

12 Traitements de stabilisation Conditionnement Tetra Pack Une haute cadence de production : emballages/heure en format un litre et emballages/heure en format de 20 cl. Des économies de coût d exploitation peuvent atteindre 20 % par rapport à des systèmes existants. 16oct13 Alain Lagaude 12

13 Traitements de stabilisation Machine Tetra Pack 16oct13 Alain Lagaude 13

14 Traitements de stabilisation Défauts des laits de consommation Le goût de cuit : T > 79 C, recirculation trop prolongée ou accumulation de dépôts dans la section chauffage. Le goût de chauffage s atténue après 2 ou 3 jours d entreposage. La lumière et l oxydation de la matière grasse provoquent des saveurs diverses. La rancidité a pour origine les acides gras libérés par les lipases thermostables produites par les bactéries psychrophiles. L épaississement ou la gélification pendant le stockage est dû à l action de certaines protéases provenant de bactéries sporulées survivantes (éliminé si 150 C / 2,4 s). Homogénéisation x10 la surface des globules gras. Il n y a pas assez de phospholipides ou de protéines sériques pour stabiliser l émulsion. Pour compenser ce manque, des caséines sont intégrées à la surface des GG ce qui provoque des agrégats de MG à très haute température aboutissant à une sédimentation pendant le stockage ; l homogénéisation après le traitement UHT résout ce problème mais doit être réalisée en asepsie. 16oct13 Alain Lagaude 14

15 Stabilisation par diminution de l a w Concentration et séchage Les traitements thermiques ne sont pas la seule alternative pour augmenter la conservation du lait. La stabilisation biologique du lait est une nécessité mais ne résout pas tous les problèmes. Le volume de stockage, le transport à prix modéré sont aussi à prendre en compte et peuvent être résolus tout en assurant la stabilité biologique. La diminution de l activité de l eau est une alternative. Trois voies sont envisageables : La concentration (52 % d humidité) Le séchage (3,5 % d humidité) La fromagerie (58 à 30 % d humidité) 16oct13 Alain Lagaude 15

16 Stabilisation par diminution de l a w Concentration Le lait subit toujours un traitement thermique (pasteurisation) avant concentration. Le coût énergétique de l élimination de l eau par vaporisation représente une part significative dans le coût de revient du produit final. La concentration est menée jusqu à une teneur en MS de 50 %. Une matière sèche importante permet d obtenir une poudre plus dense (moins d air). Pour la production de poudre de lait entier, le concentrat est homogénéisé (200 & 50 bar) avant d être séché. 16oct13 Alain Lagaude 16

17 Stabilisation par diminution de l a w Évaporateur à simple effet Évacuation des buées (vapeur secondaire) Échangeur thermique à plaques Séparateur statique Récupération du concentré 1 kg vapeur primaire = 0,9 kg de vapeur secondaire 16oct13 Alain Lagaude 17

18 Stabilisation par diminution de l aw Tour d atomisation 16oct13 Alain Lagaude 18

19 Transformation du lait Transformations du lait 16oct13 Alain Lagaude 19

20 Transformation du lait en fromage Lait & fromages Les microorganismes sont largement utilisés pour améliorer la conservation d un aliment. En fait, ce n est que l exploitation d un processus naturel (prolifération d une flore contaminante banale) compatible avec l alimentation humaine (non pathogène ou toxinogène, occupation et modification du milieu gênant les contaminants indésirables, modifications de la composition et du goût acceptées par le consommateur). Le lait est un produit que nous savons stabiliser et transformer en produits dérivés par des déstabilisations contrôlées (yaourt, fromage, dessert lacté ). Effets négatifs de la réfrigération pour la fromagerie Stabilité de la phase colloïdale Réponse plus lente à la présure Stabilité de l émulsion (MG) Séparation de la phase grasse Lipolyse Libération d AG activité bactériostatique vis-à-vis des ferments Flore lactique, flore psychrophile déséquilibre flore, enzymes thermorésistantes 16oct13 Alain Lagaude 20

21 Transformation du lait en fromage Fromages Le fromage est une forme de conservation du lait (modification de la composition, du ph et de la teneur en eau) ce qui est défavorable à la prolifération des germes. Trois étapes standardisation coagulation tranchage & brassage Matière grasse, protéines Acidification, présure sortie du lactosérum Thermisation Pasteurisation La coagulation est due à une déstabilisation des micelles Acidification lactique : déminéralisation de la micelle (perte des ponts phosphocalciques) Action de la présure : modification de la réactivité de surface (hydrolyse de la κ-caséine). L élimination du sérum Présure Q 10 3 ; coagulation Q Les fromages à pâte dure résultent d une petite taille de tranchage associée à un chauffage de l ordre de 38 à 60 C avec des temps de brassage relativement long (15 45 min). Le caillé est pressé après moulage. 16oct13 Alain Lagaude 21

22 Acidification à 25 C par ferments lactiques Lactosérum de caséine Lait écrémé ph 4,6 Précipitation de la caséine, séparation dans un décanteur centrifuge et lavage Concentration lactosérum 6,5 % =>50-60% ; atomisation (150 C<T<250 C) : température de vaporisation varie entre 65 et 75 C. Chambre de séchage (eau 6%)+ lits fluidisés interne et externe (4%). Valorisation du lactosérum Origine du lactosérum Acidification à 45 C acides (HCl, H 2 SO 4 ) Lactosérum de fromagerie pâte demi-dure Lait standardisé (ex MG=2,5%MH=40%) Pasteurisation ex 15s à 72 C 30 C présure + levain lactique, mélange repos (30 min/30 C) découpage égouttage Lactosérum égoutté : 0,2 à 0,5% MG + des fines de caillé (sédiments utilisés pour production de fromages fondus) 1/3 du lactosérum éliminé et remplacé par de l eau à 40 C = contraction des particules du caillé => expulsion du lactosérum pendant le brassage et l égouttage Lactosérum présure (Gouda ph 6,4, camembert ph 6,0) 16oct13 Alain Lagaude 22

23 Récupération des ingrédients du lactosérum Ultrafiltration, échange d ions fractionnement protéines Nanofiltration dessalement, désacidification Produits laitiers lactosérum 35% Pn = analogue de lait 60% Pn = remplace blanc d œuf 80% Pn = produits à base de viande Microfiltration concentration protéines (25 à 80% MS) Microfiltration : bactéries et globules gras Sel de lait pauvre en Na + /K + =1/3 Déminéralisation (sels = goût défavorables) Électrodialyse, échange d ions, diafiltration Délactosage ( 50% lactose & sels 20%) solubilité = f(t) => concentration => froid = cristallisation 80% Poudre lactosérum délactosée & déminéralisée poudre de lait (%lactose, % protéines, %lipides, % minéraux 16oct13 Alain Lagaude 23

24 Valorisation du lactosérum Propriétés des Protéines sériques Les propriétés fonctionnelles des protéines sériques (solubilisation, émulsification, foisonnement, gélification) nous renseignent avant tout sur l historique du processus et de la composition du produit de protéines sériques mis en cause. Solubilité absorption Boissons viandes / boulangerie - pâtisserie d eau viscosité soupes/sauces gélification viande/poisson Propriétés émulsifiantes préparations pour nourrissons saucisses Absorption MG garniture foisonnée propriétés foisonnantes liaison des arômes liaison des minéraux aliments composés alicaments L évolution des technologies permet aujourd hui de séparer de plus en plus finement les différentes protéines du lait. Leurs multiples propriétés fonctionnelles, nutritionnelles ou thérapeutiques sont ainsi exploitées de façon optimales avec dans de nombreux cas des combinaisons de certaines d entres elles (synergie). 16oct13 Alain Lagaude 24

25 Autres applications de la filtration Standardisation des laits Produits laitiers pour la fromagerie : La concentration est limitée à 1,2 à 1,5 afin que la lait est une composition constante pendant toute l année. La concentration concerne peu les protéines sériques et surtout les caséines et les minéraux associés (meilleur contrôle de l acidification et du ph final. pour les yaourt : Un mélange de lait concentré x2 fois et de protéine sérique (x8) permet d augmenter la viscosité du produit tout en conservant une teneur en lactose et en MS relativement faibles. Stabilisation microbiologique et écrémage Procédé Bactocatch repose sur une microfiltration (Ø = 1,4 µm) pour réaliser l épuration microbiologique (rétention de 99 %) et l écrémage (rétention 98 %) simultanés du lait entier cru. Le débit de perméation de 500 L.h -1.m -2 pendant plusieurs heures. Le rétentat (10 % du volume) subit un traitement thermique avant d être remélangé au lait épuré par microfiltration. Le mélange final ne présente pas de modifications organoleptiques significatives. 16oct13 Alain Lagaude 25

26 Produits laitiers Délactosage L élimination du lactose peut être réalisée à partir de lactosérum doux (élimination préalable de la crème et des fines) qui est concentré par évaporation à 50 C jusqu à % MS. Deux techniques peuvent être utilisées : Cristallisation dans le lactosérum concentré sous vide Cristallisation dans le lactosérum déprotéiné concentré (perméat de UF concentré). La cristallisation se fait sous agitation modérée après ensemencement avec des cristaux. La température passe de 50 C et d une concentration de 40 à 45 % (solubilité de 17,5 %) à 10 C (solubilité de 6 %). La sursaturation donne du lactose α-monohydrate qui est récupéré dans un décanteur centrifuge. 16oct13 Alain Lagaude 26

27 Produits laitiers Lait concentré non sucré Pour un lait concentré non sucré, l évaporation est plus limitée que pour un lait concentré sucré. Un traitement thermique sévère ( C voire 130 C/30s) évite la prise en masse pendant la stérilisation. L évaporation est limitée à une élimination de 4 % d eau c est-àdire jusqu à une densité de 1,15. Une homogénéisation, une refroidissement rapide à 8 C (pas de risque de cristallisation du lactose), ajout de citrate ou de phosphate (< 0,2%) pour augmenter son pouvoir tampon et évite le caillage pendant la stérilisation. Le barème de stérilisation est de 20 min à 115 C sous agitation. 16oct13 Alain Lagaude 27

28 1 h 3 h 5 h 7 h Schéma De synoptique la traite aux produits laitiers Lait concentré non sucré : Schéma synoptique Filtration Refroidissement Stockage en cuve Chauffage Concentration Homogénéisation Refroidissement Stockage en cuve Mise en boîtes & sertis Stérilisation Refroidissement Étiquetage Palettisation Réception du lait 9 h Distribution 16oct13 Alain Lagaude 28 Température du lait ( C)

29 Produits laitiers Boisson chocolatée 8,7 % Lait à 3% MG ou lait écrémé Pour 100 kg de lait : +1,6 kg cacao +6,5 kg sucre chauffage 15 min à 90 C suivi d une homogénéisation à 20 MPa / 70 C + stabilisant (0,02% k-carraghénane) Mise en bouteille et stérilisation à 30 min 120 C Micelles de caséine = sensation en bouche (Ø Pn sériques trop petites) Réduction des particules de cacao et des globules gras = dispersion fine Réseau protéines laitières + carraghénane = stabilité + viscosité 16oct13 Alain Lagaude 29

30 Crème et beurre Matière grasse du lait Grande variabilité (quantité et composition) et grande complexité de ces constituants (437 combinaisons possibles entre glycérol et les acides gras. Les triglycérides présentent des températures de fusion et de solidification propres. Les globules gras ont une taille comprise entre 0,5 et 15 µm (moyenne 2,6 µm) ; la densité de la matière grasse est de 0,95 et celle du lait écrémé de 1,034 (remontée de la crème). Obtention de la crème (MG > 30 % p/p) L augmentation de la température du lait diminue la viscosité du lait ce qui est favorable à la vitesse de séparation ; la température doit rester inférieure à 60 C pour éviter la liquéfaction de la matière grasse qui rend le globule gras fragile. 16oct13 Alain Lagaude 30

31 Crème et beurre Butyrateur La crème, projetée sur une paroi cylindrique par un batteur tournant à grande vitesse, forme une mince pellicule dont une face est en contact avec l air. C est à cette interface où se rassemblent les globules gras et la MG libre. L agglomération est obtenue sans présence de mousse (Europe occidentale). Inversion de phase par concentration : la crème chauffée à C et concentrée jusqu à 82-83% MG ce qui favorise le contact entre les globules gras. Le brassage favorise l exsudation de MG liquide et l agglomération des globules gras (Europe du nord) Rhéologie du beurre Beurre allégé Si une contrainte mécanique est appliquée au beurre (brassage, malaxage ) la fermeté du produit diminue à T C constante. Si ce même produit est laissé au repos à T C constante, il recouvre progressivement et partiellement sa fermeté : comportement thixotropique (problèmes de transferts) Ce sont les pouvoirs d émulsion et de rétention d eau des protéines laitières qui sont utilisés dans cette technologie. Le mélange émulsionn é d eau (qui représente jusqu à 50% du produit) et de la matière grasse butyrique est stabilisée sur le réseau protéique. 16oct13 Alain Lagaude 31

32 Crème et beurre Méthode traditionnelle et méthode NIZO Crèmes à environ 40% de matière grasse et pasteurisées à 72 C NIZO Crèmes maturées 4 à 10 h à 8-10 C Procédé traditionnel Crèmes ensemencées en ferments lactiques mésophiles et maturées 12 à 20 h à C Butyrateur Injection de ferment acidifiant Injection de ferment aromatique Eau Butyrateur Injection d eau Beurre acide et aromatique Babeurre doux Beurre acide et aromatique Babeurre acide La durée de fabrication du beurre par la méthode NIZO est écourtée et ce procédé permet d obtenir un babeurre doux qui conserve sa valeur nutritive et commerciale 16oct13 Alain Lagaude 32

33 Conclusion Le travail sur les matières premières et les formulations associé aux évolutions technologiques ont abouti à une nette évolution des produits laitiers en particulier au niveau de leur qualité. Un secteur économique très dynamique avec une capacité d innovation remarquable. La production de produits de grande distribution coexiste avec des produits à forte valeur ajoutée. 16oct13 Alain Lagaude 33

34 ANNEXES 16oct13 Alain Lagaude 34

35 Crème et beurre Préparation de la crème désacidification L acidité est ramenée à D pour éviter des problèmes (gratinage) lors de la pasteurisation (crème de ramassage 90 D! ). Dégazage et pasteurisation Le dégazage (vide de -700 mm Hg) élimine les gaz dissous avant la pasteurisation. La pasteurisation se fait dans un système à plaques : bonne qualité C/ 5-20 s (72 C/ 30s) ou sévère C/10-50 s (lipases). Un deuxième dégazage après la pasteurisation (-400 mm Hg) pour la désodorisation (produits volatiles provenant des aliments, des activités fermentaires ou du goût de cuit lié au traitement de la crème). Matière grasse globulaire liquide 16oct13 Alain Lagaude 35

36 Maturation physique Maturation biologique Crème et beurre Maturation de la crème La maturation suit la pasteurisation correspond à un cycle thermique aboutissant à une cristallisation (6-7 C : vitesse de refroidissement conditionne la structure du cristal) suivie d une phase de grossissement des noyaux cristallins (9-15 C/12h : vitesse de refroidissement et agitation = type de cristal dominant) puis un retour à la température de barattage (10-13 C : stabilisation de la matière grasse). Le polymorphisme cristallin de la matière grasse laitière Il existe 3 formes cristallines différentes : α, β et β. Ces formes cristallines induisent une stabilité thermique et une consistance différentes dans le corps gras. La cristallisation prolongée des crèmes entraîne une rupture partielle du film membranaire. La matière grasse liquide se répand alors et couvre la surface du globule gras. Ces globules gras hydrophobes ne se repoussent plus expliquant la formation d amas irréversibles. Cristallisation dirigée des triglycéride (solidification partielle) Elle n est pas indispensable. Les ferments lactiques (Streptococcus lactis, S. cremoris ) acidification (conservation, rendement) et développement d arômes ; ph 4,7-4,8 atteint. Parfois remplacée par la méthode NIRO. 16oct13 Alain Lagaude 36

37 Barattage inversion de phase Incorporation d air Globules gras à l interface Micrograins de beurre Lavage et malaxage Crème et beurre Beurre L utilisation de la baratte (discontinu) ou du butyrateur (continu) permet le passage de l émulsion «huile dans l eau» (crème) à l émulsion de type «eau dans l huile «(beurre). Le barattage provoque une incorporation d air dans la crème ce qui génère une formation de mousse abondante. Les globules gras, sous l effet de la tension superficielle, se rassemblent à l interface air-phase aqueuse. Certaines membranes des globules gras, fragilisées par la maturation, éclatent sous l action mécanique et libèrent leur matière grasse liquide. Les globules gras se rassemblent en raison de leur hydrophobisation progressive dues à la sortie de la matière grasse à bas point de fusion qui jouera le rôle de liant. Quand la pression dues à la présence de micrograins de beurre et la quantité de matière grasse exsudée (rôle d antimousse) sont suffisants, la mousse tombe. C est la fin de l inversion. Les grains de beurre ont la taille et la consistance permettant le lavage, le malaxage (au cours du malaxage de l eau est injectée pour le réglage de l humidité ; on injecte aussi les ferments acidifiants puis les ferments aromatiques : méthode NIRO) et la séparation du babeurre (composition très proche du lait écrémé). 16oct13 Alain Lagaude 37