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La Technologie laitière en 2010
Jean-Louis MauboisI N R A F
Québec 2010 1
I.N.R.A. FranceJean-louis.maubois@rennes.inra.fr1
Points majeurs
Emergence et quasi généralisation des technologies séparatives à membranetechnologies 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
Québec 2010 2
Une maîtrise de la matière première pour des mécanisations poussées
Un fractionnement étendu, alicaments
2
Points majeurs 2
Des technologies pours’approcher du risque hygiénique 0
Adapter goûts et textures des produits aux exigences et aux contraintes de la
commercialisation:consommateurs
Québec 2010 3
consommateurs, distribution,
export
Technologies de maîtrise de la matière première
Maîtrise de la flore contaminanteDepuis plus de 50 ans traitements thermiquesDepuis plus de 50 ans, traitements thermiques
Pasteurisation 72°C - 15 sUltra 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
Québec 2010 4
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
3
Autre technologie d’épuration pour les laits dits ESL: la double bactofugation
Proposée parTP et GEA
MaisRD ≠ 2
Québec 2010 5
Principe de la Microfiltration
• Technique de tamisage des particules d di èt d 12 à 0 1avec pores de diamètre de 12 à 0,1 µm
• Technique fort ancienne en frontal (eau)mais colmatage rapide
avec liquides alimentaires
Québec 2010 6
même en circulation tangentielle
4
Application aux liquides alimentaires, fin des années 80
grâce à 2 innovations majeuresM b é i à h t é i t• Membrane céramique à haute résistance mécanique (dérivée séparation UrF6) France
Al2O3 double couche et support à taille croissante de granules
• Nouveau concept hydraulique: PTU Suèdeobtenue par recirculation à co-courant du microfiltrat
Québec 2010 7
pou 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
Retentat: Contient
MicrofiltrationMicrofiltrationProcede de separation par membrane pores: ∅1,4 µm - Pression: 0,5 bars Procede de separation par membrane pores: ∅1,4 µm - Pression: 0,5 bars
les bactéries et CS
Lait écrémé cru
Québec 2010 8Microfiltrat:Lait sans bactéries
cru
5
Québec 2010 9
Québec 2010 10
6
Séparation sélective des bactéries par MF
MF alternative intéressante aux traitements thermiquesMF alternative intéressante aux traitements thermiquesProcédé 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
Québec 2010 11
• UTP valeur: 0.5 bar• Facteur de réduction volumique: 20 ext. to 200
Séparation sélective des bactéries: performances
Flux: 500 l.h-1.m-2
Taux de PermeationTaux de PermeationProtéines: 99.0 % avec FCV 20,
99.4 si FCV 200légère rétention des micelles de grande
taille
Québec 2010 1212Brésil Juillet 2008 12
Solides totaux: 99.5 % avec FCV 20, 99.9 % si FCV 200
7
Séparation sélective des bactéries: performances
Rétention des cellules somatiquesRéduction décimale:
DR = log TCmilk – log TCMF milk
3.5 flore mésophileDR plus élevée (même > 6.0) observée
Québec 2010 1313Brésil Juillet 2008 13
selon la nature de la flore contaminante4.5 pour les bactéries sporulées
Séparation sélective des bactéries pathogènes
par MFRéductions décimales
Listeria monocytogenes 3.4Brucella abortus 4.0Salmonella typhimerium 3.5Mycobacterium tuberculosis 3.7
Québec 2010 14
Contaminations usuelles: 1 to 10 CFU/mldonc dans lait écrémé MF
moins de 1 CFU/litre!!
8
Par rapport aux traitements thermiques
• Elimination totale des cellules somatiques0 protection de Listeria monocytogenes0 Enzymes de ces cellules (Protéases et lipases)
thermorésistantes0 risque éventuel BSE
• Pas de “cadavres bactériens”
Québec 2010 15
• Pas de cadavres bactériens0 Enzymes dégradant les composants du lait
Industrie des laits de consommationApplications actuelles MF
• “Lait cru: Lait “Marguerite” (seulement en France). Mélange de lait écrémé MF avec crème 95°C 20sMélange 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 t ité b MF é i l ( té il ) h ffé
Québec 2010 1616Brésil Juillet 2008 16
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
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Séparation sélective des bactéries par MF: procédé
100 Lait entier cru⇓
Ecrémage centrifuge 37 à 60°CEcrémage centrifuge 37 à 60 C
10 crème 90 lait écrémé
Microfiltration 1,4µm
4.5 retentat85.5 microfiltrat+4,5 mf
Traitement thermique
mélange
Québec 2010 1717Brésil Juillet 2008 17
,homogeneisation
Conditionnement aseptique
“Lait cru MF”15 j à 4°C
HTST Lait pasteuriséà DLC allongée35 j à 4°C
2nd MF
0.45 ret.4.05 mf
Fromagerie
96°C-5sLait Ultima
>6 mois à 20°C
Québec 2010 1818Brésil Juillet 2008 18
10
Développements mondiauxLait liquide pasteurisé
L it t ité MF t i ti HTST ESLLait cru traité par MF + pasteurisation HTST = ESL milk
Canada: > 50 % du marchéGB, Lux, Germ, Swe, DK, Finland, Fr,
Chine, Brazil (?), Argentina, etc
Québec 2010 1919Brésil Juillet 2008 19
Lait UHT Lait cru traité par MF + réduction intensité du TT
(<140°C-4s) UHT = meilleur goût
PublicitéDans
HypermarchéÀ Toronto (Can)
Québec 2010 2020Brésil Juillet 2008 20
( )
11
Mengniu October 2008 21
Mengniu October 2008 22
12
Le pré-traitement du lait par MF 1,4 µm améliore la qualité hygiéniqueµm améliore la qualité hygiénique du lait de fromagerie et permet de
maîtriser le processus de fabrication en fromagerie de lait cru
Québec 2010 2323
MAIS ?
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 j g yp qactivité, 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
Québec 2010 242424
.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
13
Identifier l’écosystème microbienspécifique
Un travail de recherche Conséquent mais passionnant
Au moins 3 années chercheur par variété de fromage
Nécessite une approche multidisciplinaire conduite de manière cinétique
Québec 2010 2525
conduite de manière cinétique mais spécifique à chaque variété
Ecosystèmes microbiensGrâce à l’épuration bactérienne par MF, nombreux biais
(flore native, “cadavres”) éliminés et quelques résultats ( ) q qobtenus
• Camembert: Hafnia alvei
• Emmental: Propionibacterium freundenreichii + S. thermophilus + Lactobacillus helveticus ou Lb. delbrueckii ssp.
Québec 2010 26
lactis supportant le cycle thermique du procédé de fabrication + NSLAB (Lb paracasei, plantarum)
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Connaissances acquises sur écosystèmes spécifiques
• Camembert: Hafnia alveiE t l P i ib t i f d i hii• Emmental: Propionibacterium freundenreichii + S. thermophilus + Lactobacillus helveticus ou Lb. delbrueckii ssp. lactis supportant le cycle thermique du procédé de fabrication + NSLAB
• Cheddar: NSLABC t l h d l ti liè ( f
Québec 2010 2727Brésil Juillet 2008 27
• Cantal: souches de levures particulières (cf thèse I de Freitas (Dec 2006)
Cantalet fabriqué à partir de lait microfiltré (I. De Freitas, 2006)
Québec 2010 2828Brésil Juillet 2008 28
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Intérêts de la séparation des C.S.• Traçabilité:
Seul composant du lait contenant tout le patrimoine génétique de la vache, AOC, fraudes (mélanges, etc)
• TechnologieAmélioration de la qualité des fromages: suppression des activités lipasique and proteasique, pas d ’effet protecteur sur la destruction thermique des Listeria
• Science fromagèreCréation de micro hétérogénéités?
Québec 2010 29
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?
Technologies de maîtrise de la matière première
Obtention d’une matière première de iti t tcomposition constante
pour mécaniser voire automatiser les transformations notamment fromagères
Teneur en MG par écrémageTeneur en protéines par UF
Québec 2010 30
Teneur en protéines par UFTeneur en caséine par MF
Teneur en lactose par Diafiltration
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UltrafiltrationUltrafiltrationRetentat:lait concentre en proteínes:préfromage
lait entier
Proteínes Proteínes caseínecaseíne
Québec 2010 31
Pression: 4 a 5 bars Pores: 2 a 50 nm
Permeat:EauLactoseSels Mineraux
Proteínes de sérumProteínes de sérum
caseínecaseíne
Matiere grasseMatiere grasse
Automated production of curd using an ALPMA continuous, integrated coagulating machine
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(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 de séparation (13) Stirring device (14) Stirring device (15) Curd discharge device (16) Belt cleaning device
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Camembert cheesesobtained from milk standardized
in total proteinsby UF
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Procédé de fabricationHansen, 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)↓
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↓Refroidissement (27°C) Levains (2 à 3%) Présure (0,1%)
↓Moulage en 3 étapes (si 12 pièces recherchées)
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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 2ème couche.
Québec 2010 35
distribution de la 2 couche.
Temps 24 minutes: pulvérisation de saumure sur la 2ème couche coagulée, puis
distribution de la 3ème couche.
Temps 60 minutes: insertion d’un croisillon (= 12 pièces), puis addition de sel sec
(lactosérum exsudé + sel = saumure).
UF Cast Feta cheese
Québec 2010 36
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Québec 2010 38
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Utilisation du babeurre en fromagerie
• Co-produit de la fabrication du beurre. Sa composition est voisine de celle d’un lait écrèmécomposition est voisine de celle d un 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
Québec 2010 40
• 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 ®”
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Québec 2010 41
Québec 2010 42
22
Native casein separation by CFMF
CFMF 0,1 µm 50°C
Whole or skimmilk
Uniform transmembrane pressure >7 m/s
Microfiltrate Retentate
TS 59,3 • According to VCFMicellar caseinIdeal whey,sterile,crystal clear
Québec 2010 43
lactose 45,0TNM 6,3β-Lg 3,0NPN 1,9Ca 0,33Na 0,38
Decimal phages reduction 2,8
According to VCFcasein content
ConsequencesTS, TNM, Ashes, Calactose, whey proteins
Séparation sélective de la caséine micellaireParamètres du procédé
• Membrane Sterilox® céramique, diamètre canaux 4 mm• Température : 50°C mais le procédé fonctionne à 35°C• 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
Québec 2010 44
Temps entre 2 nettoyages : 10 h• Dénombrement bactérien dans le MMF : stérile• Virus: selon Gauthier & al (1992) D.R. =3
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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 àCe qui accroît la teneur en caséine de 25 g.l à
31.2 g.l-1• Conséquences:• Amélioration des coagulations présure et acide • Caillé + ferme (K20 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 %
Québec 2010 45
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
Optimisation de la transformation fromagère par extraction préalable du microfiltrat de lait (MMF)
Un nouveau co-produit le MMF h t t l i bl t l t éhautement valorisable et un lactosérum classique de meilleure qualité (moins
de fines et de MG)
Québec 2010 46
24
• Recent study of Papadatos & al., 2003, J. Dairy Sc shows:
Consequences:
Increase of cheese yield + 2 to 4 %
Sc. shows:• Extraction of MMF prior to cheesemaking givesan increased net revenue of 0.91 $/100 kg Cheddar
of 1.00 $/100 kg Mozzar
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for a plant treating 430 000 l per dayMay request slight adjustments of cheese parameters
because of higher buffering capacity of curdLess classical whey ( curd fines and fat) higher CMP content
Valorisation du microfiltrat de lait
• La concentration du MMF ou lactosérum idéal par UF et DF permet l’obtention d’un H Q WPIp
• 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)
Québec 2010 48
• Matière première idéale pour la préparation des protéines individuelles (majeures et mineures) du lactosérum à finalité nutraceutique (Maubois & al., 2001)
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La MF 0,1 µm permet de purifier la caséine micellaire pour:
• Enrichissement du lait de fromagerie• Matériau de charge pour les fromages fondusMatériau 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)
Québec 2010 49
de sperme INRA 96)• Matériau de départ pour préparer les
caséines individuelles (β – αS), le caséinomacropeptide ou leurs dérivés pour des fonctions nutraceutiques
UF Thermisation à la ferme
ObjectifsRéfl i l b l l l i ti dRéflexion globale 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 vacheRéduction des coûts du transport ferme vers
i ti 2
Québec 2010 50
usine: optimum par 2Nécessité de maintenir possibles toutes les
transformations
26
Québec 2010 51
Québec 2010 52
27
Les vaches apprécient le perméat
Québec 2010 53
Circuit « court »
Québec 2010 54
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Crèmes et beurresDéveloppement de nouvelles fonctionnalités (moussage, viscosité, tenue à la cuisson) des ( g , , )
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 frigo-tartinables, beurres pâtissiers
MGLA l b li é l i
Québec 2010 55
MGLA « re-globulisée » pour usages classiques ou industriels
Nutrition et structure globulaire du beurre?
Deshydratation
Amélioration significative des qualités physico chimiques et nutritionnelles desphysico-chimiques et nutritionnelles des
poudres parminimisation de l’intensité des traitements
thermiquesau niveau de la concentration (ESV multiple
ff t)
Québec 2010 56
effet)et de la tour d’atomisation (lits fluidisés
multiples)
29
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)
Québec 2010 57
2008)• Détermination et optimisation des paramètres
de séchage grâce à un couplage de séchage par désorption avec un logiciel INRA (SD2P®)
La nouvelle industrie du lactosérum
Quelle évolution!!D’ d it d ti éD’un sous produit destiné aux porcs ou
épanduà un produit source
transformé enune palette diversifiée de dérivés pour
Québec 2010 58
une palette diversifiée de dérivés pour l’alimentation humaine et infantile:
WPC, WPI, Prot. Indiv., lactose, alcool, sels de Ca et même eau « biologique »
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Classical whey
P T t t
Lipid agregation MF0.1 µm
PhospholipidEnrichedretentate
Defatted
CaseinEnrichedretentate
Technologies à membrane et Lactosérum
NF UF
Whey Proteint t
UFPre-Treatment Defattedwhey
milk
MF0.1 µm
UF
permeate DefattedWhey proteinconcentrate
diafiltration
Québec 2010 59
PartiallyDemineralized
WheyConcentrate
concentrate
NF
Partiallydemineralizedconcentrate
Lactoserecovery
concentrate
WheyProteinisolate
Technologies et environnement
Moins énergivores pas de changement d’ét t d l’d’état de l’eau
Minimisation des Traitements thermiquesMoindre consommation d’eau
Usines « sèches »??
Québec 2010 60
Eau du lait OI
31
Conclusions
Progrès des connaissances en Science du Lait et des technologies notammentLait et des technologies notamment
séparatives devraient permettre d ’offrir aux consommateurs du 3ème millénaire
des produits laitiers:sans risque hygiénique
d h t lité ît i é
Québec 2010 61
de haute qualité maîtriséeà valeur nutritionnelle adaptée
préservant leur santé
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