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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

9

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)

14

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

15

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

16

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

Québec 2010 32

(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

Québec 2010 33

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)↓

Québec 2010 34

↓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

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19

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20

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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 ®”

21

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

Québec 2010 47

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)

25

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

28

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 »

30

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