La Technologie laitière en 2010 Jean-Louis Maubois INRA I.N.R.A. France Jean-louis.maubois@rennes.inra.fr1 Québec 2010 1 Points majeurs Emergence et quasi généralisation des technologies séparatives à membrane Une nouvelle approche des transformations du lait qui ne génèrent plus des sous-produits mais des co-produits qui participent à une valorisation globale des composants du lait Une maîtrise de la matière première pour des mécanisations poussées Un fractionnement étendu, alicaments Québec 2010 2 1
Points majeurs 2 Des technologies pour s approcher du risque hygiénique 0 Adapter goûts et textures des produits aux exigences et aux contraintes de la commercialisation: consommateurs, distribution, export Québec 2010 3 Technologies de maîtrise de la matière première Maîtrise de la flore contaminante Depuis plus de 50 ans, traitements thermiques Pasteurisation 72 C - 15 s Ultra Haute Température au moins 138 C - 5 s Destruction des pathogènes et de la microflore thermosensible mais laissent dans le lait: cellules mortes «cadavres bactériens» et leur potentiel enzymatique ainsi que les formes de résistance bactériennes, les spores D où des altérations des composants du lait, effets cumulatifs maintenant par MF Québec 2010 4 2
Autre technologie d épuration pour les laits dits ESL: la double bactofugation Proposée par TP et GEA Mais RD 2 Québec 2010 5 Principe de la Microfiltration Technique de tamisage des particules avec pores de diamètre de 12à01 0,1 µm Technique fort ancienne en frontal (eau) mais colmatage rapide avec liquides alimentaires même en circulation tangentielle Québec 2010 6 3
Application aux liquides alimentaires, fin des années 80 grâce à 2 innovations majeures Membrane céramique à haute résistance mécanique (dérivée séparation UrF6) France Al 2 O 3 double couche et support à taille croissante de granules Nouveau concept hydraulique: PTU Suède obtenue par recirculation à co-courant du microfiltrat ou plus récemment par gradient de porosité du support membranaire (GP Exekia) ou variation continue de l épaisseur de la couche membranaire (Isoflux Tami) ce qui conduit à une réduction de l investissement Québec 2010 7 Microfiltration Procede de separation par membrane pores: 1,4 µm - Pression: 0,5 bars Retentat: Contient les bactéries et CS Lait écrémé cru Microfiltrat: Québec 2010 8 Lait sans bactéries 4
Québec 2010 9 Québec 2010 10 5
Séparation sélective des bactéries par MF MF alternative intéressante aux traitements thermiques Procédé appelé «Bactocatch» Paramètres de fonctionnement: vitesse: 7 m/s température: 37 C à 50 C membrane Sterilox avec un pore1.4 µm UTP valeur: 0.5 bar Facteur de réduction volumique: 20 ext. to 200 Québec 2010 11 Séparation sélective des bactéries: performances Flux: 500 l.h -1.m -2 Taux de Permeation Protéines: 99.0 % avec FCV 20, 99.4 si FCV 200 légère rétention des micelles de grande taille Solides totaux: 99.5 % avec FCV 20, 99.9 % si FCV 200 Québec 2010 12 Brésil Juillet 2008 12 6
Séparation sélective des bactéries: performances Rétention des cellules somatiques Réduction décimale: DR = log TC milk log TC MF milk 3.5 flore mésophile DR plus élevée (même > 6.0) observée selon la nature de la flore contaminante 4.5 pour les bactéries sporulées Québec 2010 13 Brésil Juillet 2008 13 Séparation sélective des bactéries pathogènes par MF Réductions décimales Listeria monocytogenes 3.4 Brucella abortus 4.0 Salmonella typhimerium 3.5 Mycobacterium tuberculosis 3.7 Contaminations usuelles: 1 to 10 CFU/ml donc dans lait écrémé MF moins de 1 CFU/litre!! Québec 2010 14 7
Par rapport aux traitements thermiques Elimination totale des cellules somatiques 0 protection de Listeria monocytogenes 0 Enzymes de ces cellules (Protéases et lipases) thermorésistantes 0 risque éventuel BSE Pas de cadavres bactériens 0 Enzymes dégradant les composants du lait Québec 2010 15 Industrie des laits de consommation Applications actuelles MF Lait cru: Lait Marguerite (seulement en France). Mélange de lait écrémé MF avec crème 95 C, 20s. Durée de vie commerciale: 15 jours à 4 C-6 C. Lait pasteurisé dit ESL. Mélange de lait écrémé MF et de crème HTST (72 C-15s). Durée de vie 35 jours à 4 C-6 C. Futur? Ultima lait (TP). Mélange de lait écrémé traité avec une membrane MF spéciale (stérile) chauffé à 96 C-6s mixé avec crème UHT, conditionnement aseptique. Durée de vie à température ambiante 6 mois Québec 2010 16 Brésil Juillet 2008 16 8
Séparation sélective des bactéries par MF: procédé 100 Lait entier cru Ecrémage centrifuge 37 à 60 C 10 crème 90 lait écrémé Traitement thermique Microfiltration 1,4µm mélange Lait cru MF 15 j à 4 C Fromagerie homogeneisation 85.5 microfiltrat +4,5 mf 4.5 retentat 2nd MF Conditionnement 4.05 mf 96 C-5s 0.45 ret. aseptique Lait Ultima HTST Lait pasteurisé >6 mois Québec 2010 à DLC allongée à 20 C 17 Brésil Juillet 2008 35 j à 4 C 17 Québec 2010 18 Brésil Juillet 2008 18 9
Développements mondiaux Lait liquide pasteurisé Lait cru traité par MF + pasteurisation ti HTST = ESL milk Canada: > 50 % du marché GB, Lux, Germ, Swe, DK, Finland, Fr, Chine, Brazil (?), Argentina, etc Lait UHT Lait cru traité par MF + réduction intensité du TT (<140 C-4s) UHT = meilleur goût Québec 2010 19 Brésil Juillet 2008 19 Publicité Dans Hypermarché À Toronto (Can) Québec 2010 20 Brésil Juillet 2008 20 10
Mengniu October 2008 21 Mengniu October 2008 22 11
Le pré-traitement du lait par MF 1,4 µm améliore la qualité hygiénique du lait de fromagerie et permet de maîtriser le processus de fabrication en fromagerie de lait cru MAIS? Québec 2010 23 23 Comment transformer du lait MF 1,4 µm en fromage Laits MF 1,4 µm = laits morts qui, additionnés de ferments lactiques classiques conduisent à des fromages sans défaut majeur mais à goût neutre et non typé; ou qui révèlent une non activité, ex = ouverture mal répartie de l emmental Challenge = reconstituer l écosystème microbien capable de conduire à la typicité fromagère souhaitée doit avoir 3 propriétés:.transformer le lait en un milieu de culture satisfaisant par une hydrolyse limitée des caséines β et κ.transformer le lactose en acide lactique selon une cinétique spécifique.transformer les composants du caillé pour obtenir les texture et flaveur recherchées Québec 2010 24 24 12
Identifier l écosystème microbien spécifique Un travail de recherche Conséquent mais passionnant Au moins 3 années chercheur par variété de fromage Nécessite une approche multidisciplinaire conduite de manière cinétique mais spécifique à chaque variété Québec 2010 25 25 Ecosystèmes microbiens Grâce à l épuration bactérienne par MF, nombreux biais (flore native, cadavres ) éliminés et quelques q résultats obtenus Camembert: Hafnia alvei Emmental: Propionibacterium freundenreichii + S. thermophilus + Lactobacillus helveticus ou Lb. delbrueckii ssp. lactis supportant le cycle thermique du procédé de fabrication + NSLAB (Lb paracasei, plantarum) Québec 2010 26 13
Connaissances acquises sur écosystèmes spécifiques Camembert: Hafnia alvei Emmental: Propionibacterium ib i freundenreichii + S. thermophilus + Lactobacillus helveticus ou Lb. delbrueckii ssp. lactis supportant le cycle thermique du procédé de fabrication + NSLAB Cheddar: NSLAB Cantal: souches de levures particulières (cf thèse I de Freitas (Dec 2006) Québec 2010 27 Brésil Juillet 2008 27 Cantalet fabriqué à partir de lait microfiltré (I. De Freitas, 2006) Québec 2010 28 Brésil Juillet 2008 28 14
Intérêts de la séparation des C.S. Traçabilité: Seul composant du lait contenant tout le patrimoine génétique de la vache, AOC, fraudes (mélanges, etc) Technologie Amélioration de la qualité des fromages: suppression des activités lipasique and proteasique, pas d effet protecteur sur la destruction thermique des Listeria Science fromagère Création de micro-hétérogénéités? Attraction des cellules des levains lactiques? Effet sur leur croissance en raison du relargage des composants intracellulaires? Effet de l activité catalase sur le potentiel Redox? Québec 2010 29 Technologies de maîtrise de la matière première Obtention d une matière première de composition constante t pour mécaniser voire automatiser les transformations notamment fromagères Teneur en MG par écrémage Teneur en protéines par UF Teneur en caséine par MF Teneur en lactose par Diafiltration Québec 2010 30 15
Ultrafiltration Retentat:lait concentre en proteínes:préfroma ge lait entier Permeat: Eau Lactose Sels Mineraux caseíne Proteínes de sérum Matiere grasse Pression: 4 a 5 bars Pores: 2 a 50 nm Québec 2010 31 Automated production of curd using an ALPMA continuous, integrated coagulating machine (1) Belt cleaning device (2) Milk inlet (3) Introduction spacing plate (4) Spacing plate (5) through-shaped conveyor belt with water fim (6) Spacing plate cleaning (7) Electrostatic curd detaching device (8) Spacing plate return transport (9) Water pump (10) Curd cutter (longitudinal) (11) Curd cutter (transverse) (12) Vis-sans-fin Québec de 2010 séparation (13) Stirring device (14) Stirring device (15) 32 Curd discharge device (16) Belt cleaning device 16
Camembert cheeses obtained from milk standardized in total proteins by UF Québec 2010 33 Procédé de fabrication Hansen, 1977 Lait standardisé pasteurisé (3,5%MG;3,4%TP;12,5%MS) Préchauffage à 50 C et UF (FCV:5,1) Rétentat (17,8%MG;16,4%TP;39,5%MS) Traitement thermique (77 C-1min) et Homo (50-75 bars) Refroidissement (27 C) Levains (2 à 3%) Présure (0,1%) Moulage en 3 étapes (si 12 pièces recherchées) Québec 2010 34 17
Moulage du fromage Feta Sel sec Temps 0: pulvérisation de saumure sur le contenant et distribution de 1/3 du volume en Prefromage emprésuré. Temps 12 minutes: pulvérisation de saumure sur la première couche coagulée, puis distribution de la 2 ème couche. Temps 24 minutes: pulvérisation de saumure sur la 2 ème distribution de la 3 ème couche. couche coagulée, puis Temps 60 minutes: insertion d un croisillon (= 12 pièces), puis addition de sel sec (lactosérum exsudé + sel = saumure). Québec 2010 35 UF Cast Feta cheese Québec 2010 36 18
Québec 2010 37 Québec 2010 38 19
Québec 2010 39 Utilisation du babeurre en fromagerie Co-produit de la fabrication du beurre. Sa composition est voisine de celle d un dun lait écrèmé dilué mais avec une teneur élevée en (0.2%) phospholipides (Cf diapo suivante) Très mauvaises propriétés de coagulation par la présure en raison du traitement thermique intense appliquée à la crème avant barrattage UF permet la fabrication de nombreuses variétés de fromage avec une texture très onctueuse à l aide de ce produit Par exemple, les «Recettes de Mme Loyk Québec 2010 40 20
Québec 2010 41 Québec 2010 42 21
Native casein separation by CFMF Whole or skimmilk CFMF 0,1 µm 50 C Uniform transmembrane pressure >7 m/s Microfiltrate Retentat Ideal whey,sterile,crystal clear Micellar e casein TS 59,3 According to VCF lactose 45,0 TNM 6,3 casein content β-lg 3,0 Consequences NPN 1,9 Ca 0,33 TS, TNM, Ashes, Ca Na 0,38 lactose, whey proteins Decimal phages reduction 2,8 Québec 2010 43 Séparation sélective de la caséine micellaire Paramètres du procédé Membrane Sterilox céramique, diamètre canaux 4 mm Température : 50 C mais le procédé fonctionne à 35 C Vitesse de recirculation du rétentat MF : 7.2 m.s- 1 Pression Transmembranaire : 500 mb Flux de Perméation : 75-80 l.h -1.m -2 Facteur de concentration volumique: 3:1 Temps entre 2 nettoyages : 10 h Dénombrement bactérien dans le MMF : stérile Virus: selon Gauthier & al (1992) D.R. =3 Québec 2010 44 22
Standardisation du lait de fromagerie en caséine Taux d extraction considéré optimal: 20% Ce qui accroît la teneur en caséine de 25 g.l -1 à 31.2 g.l -1 Conséquences: Amélioration des coagulations présure et acide Caillé + ferme (K 20 10 min vs 23 min) + positif si lait chauffé et s égouttant mieux Moins de fines de caillé, de matière grasse dans le lactosérum Accroissement du rendement fromager: + 2 to 4% Peut requérir des petits ajustements des paramètres de transformation à cause de l accroissement de la capacité tampon du caillé (sels Ca liés à la caséine Fromages + riches en CMP Québec 2010 45 Optimisation de la transformation fromagère par extraction préalable du microfiltrat de lait (MMF) Un nouveau co-produit le MMF hautement t valorisable et un lactosérum classique de meilleure qualité (moins de fines et de MG) Québec 2010 46 23
Consequences: Increase of cheese yield + 2 to 4 % Recent study of Papadatos & al., 2003, J. Dairy Sc. shows: Extraction of MMF prior to cheesemaking gives an increased net revenue of 0.91 $/100 kg Cheddar of 1.00 $/100 kg Mozzar for a plant treating 430 000 l per day May request slight adjustments of cheese parameters because of higher buffering capacity of curd Less classical whey ( curd fines and fat) higher CMP content Québec 2010 47 Valorisation du microfiltrat de lait La concentration du MMF ou lactosérum idéal par UF et DF permet l obtention d un H Q WPI Proteins/MS = 0.975 (Maubois & al., 2001) Ayant des propriétés techno-functionelles (moussage et gélification) meilleures que celles des WPI et WPC obtenus à partir from de lactosérums classiques Hautes qualités nutritionnelles 0 traitement thermique (athlètes,régimes amaigrissants) Matière première idéale pour la préparation des protéines individuelles (majeures et mineures) du lactosérum à finalité nutraceutique (Maubois & al., 2001) Québec 2010 48 24
La MF 0,1 µm permet de purifier la caséine micellaire pour: Enrichissement du lait de fromagerie Matériau de charge pour les fromages fondus Remplacement des caséinates Teneur en Ca élevée 2.9 % = Accroissement de la capacité tampon (yoghourt; levains) de la valeur nutritionnelle Ca assimilable Préservation de la motilité des spermatozoïdes (dilueur de sperme INRA 96) Matériau de départ pour préparer les caséines individuelles (β α S ), le caséinomacropeptide ou leurs dérivés pour des fonctions nutraceutiques Québec 2010 49 UF Thermisation à la ferme Objectifs Réflexion globale l sur la valorisation de chaque composant du lait = peu de valorisation de l eau, du sucre et des sels or, à la ferme, bon utilisateur, la vache Réduction des coûts du transport ferme vers usine: optimum par 2 Nécessité de maintenir possibles toutes les transformations Québec 2010 50 25
Québec 2010 51 Québec 2010 52 26
Les vaches apprécient le perméat Québec 2010 53 Circuit «court» Québec 2010 54 27
Crèmes et beurres Développement de nouvelles fonctionnalités (moussage, viscosité, tenue à la cuisson) des crèmes par modifications de la structuration de la MG (taille et membrane) et par la composition de la phase non grasse. Fractionnement par cristallisation différentielle pour des beurres adaptés: beurres frigotartinables, beurres pâtissiers MGLA «re-globulisée li» pour usages classiques ou industriels Nutrition et structure globulaire du beurre? Québec 2010 55 Deshydratation Amélioration significative des qualités physico-chimiques chimiques et nutritionnelles des poudres par minimisation de l intensité des traitements thermiques au niveau de la concentration (ESV multiple effet) et de la tour d atomisation (lits fluidisés multiples) Québec 2010 56 28
Deshydratation Remplacement Cyclone par FAM (Filtre à manche) Standardisation des airs amonts de séchage : Refroidissement puis désorption par zéodratation ou mélange Si et LiCl Mesure de l HR-HA-Débit d air en ligne de manière à anticiper le collage et optimiser la teneur en eau des poudres (Schuck et al. 2005, 2008) Détermination et optimisation des paramètres de séchage grâce à un couplage de séchage par désorption avec un logiciel INRA (SD2P ) Québec 2010 57 La nouvelle industrie du lactosérum Quelle évolution!! D un sous produit destiné aux porcs ou épandu à un produit source transformé en une palette diversifiée de dérivés pour l alimentation humaine et infantile: WPC, WPI, Prot. Indiv., lactose, alcool, sels de Ca et même eau «biologique» Québec 2010 58 29
Technologies à membrane et Lactosérum Classical whey Lipid agregation MF 0.1 µm Phospholipid Enriched retentate Casein Enriched retentate Pre-Treatment t UF Defatted whey milk NF UF UF MF 0.1 µm Partially Demineralized Whey Concentrate Whey Protein concentrate t permeate NF Partially demineralized concentrate Defatted Whey protein concentrate Lactose recovery diafiltration Whey Protein isolate Québec 2010 59 Technologies et environnement Moins énergivores pas de changement d état t de l eau Minimisation des Traitements thermiques Moindre consommation d eau Usines «sèches»?? Eau du lait OI Québec 2010 60 30
Conclusions Progrès des connaissances en Science du Lait et des technologies notamment séparatives devraient permettre d offrir aux consommateurs du 3ème millénaire des produits laitiers: sans risque hygiénique de haute qualité maîtrisée à valeur nutritionnelle adaptée préservant leur santé Québec 2010 61 31