Agriculture andAgri-Food Canada

Agriculture et Agroalimentaire Canada

UNIVERSITE DE

SHERBROOKE

Le contrôle du potentiel d’oxydoréduction en transformation laitière

Le contrôle du potentiel Le contrôle du potentiel dd’’oxydoroxydorééduction en duction en transformation laititransformation laitièèrereMichel Britten, Ph.D.Chercheur scientifiqueAgruculture et Agroalimentaire CanadaSt-Hyacinthe, Qcbrittenm@agr.gc.ca

12 mai 2008Forum technologique NovalaitQuébec

L’équipe de recherche

Chercheurs (9)Michel Britten, Claude P. Champagne, Patrick Fustier (AAC- St-Hyacinthe)Paul Angers, Laurent Bazinet, Yves Pouliot, Jean-Christophe Vuillemard(Université Laval)Jean-Marc Chapuzet, Jean Lessard (Université de Sherbrooke)

Coordonnateurs (2)Hélène Giroux (AAC-St-Hyacinthe)Monica Araya (Université Laval)

Étudiants (4)Arnaud Schreyer (3e cycle), Marie-Pierre Bolduc (2e cycle), Marie-MichèleFilion (2e cycle), Sanaz Haratifar (2e cycle).

Stagiaires (10)Geneviève Acteau, Jessica Bédard St-Amant, Éric Benoît (2), Anne-Marie Carré, Claudia Gonzalez, Nathalie Manoury, Oussama Maaroufi, Jérôme Péricou, Shawna Saint-phar.

Problématique

Importance des réactions d’oxydationModulation du métabolisme microbien

• Croissance• Production de saveurs

Comportement du lait à la chaleur• Oxydation des acides aminés

• Formation de ponts disulfure• Agrégation protéique

C β-lg / κ-cas• Polymérisation (réactions de Maillard)

Détériorations oxydatives• Lipides insaturés• Acides aminés• Composés aromatiques• Pigments

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Le potentiel d’oxydoréduction:

un levier technologique ?

Approche proposée

Procédé d’électroréductionCellule d’électrolyseCompartiments anodique (oxydation) et cathodique (réduction) séparés par une membrane cationiqueCirculation du lait dans le compartiment cathodique

• Réduction des espèces actives• Vitamines, acides aminés, ions

métalliques;• Oxygène (consommation de protons);

• Hydrolyse de l’eau.• Création d’un «pool» réducteur

• Abaissement du potentiel d’oxydoréduction (POR);

• Diminution de la concentration d’oxygène dissous.

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

anode cathodemem

bran

e ca

tion

iqueH+

A-

O2 H2O2

laità traiter

laittraité

anolyteOx

Red

Red

Ox

éé

Générateurcourant continu+ -

Représentation d’un cellule en continu pour l’électroréduction du lait

Retombées potentielles

Modulation du métabolisme bactérienConservation des laits crusSurvie des cultures probiotiques

Comportement du lait à la chaleurStabilité thermique du laitRésistance à la dénaturation des protéines

• Complexes β-lg/κ-cas• «Fromageabilité» des laits chauffés

Stabilité à l’oxydationLipides insaturés (ω-3)VitaminesPigments

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Objectifs

Étudier les transformations physico-chimiques pendant le traitement électrolytique du lait

Évolution du PORComposition des laits électroréduits (gaz dissous)État des substances électrochimiquement actives

Mesurer l’effet du traitement électrolytique du lait sur le métabolisme microbien

Flores contaminantesCultures probiotiques

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Objectifs

Mesurer l’effet du traitement électrolytique sur le comportement du lait à la chaleur

Stabilité thermique du lait• «Heat coagulation time»

Aptitudes à la transformation fromagère des laits chauffés• Cinétique de coagulation du lait• Bilans fromagers

Mesurer l’effet du traitement électrolytique sur la dégradation oxydative des produits laitiers

Oxydation des gras insaturés, pigments, vitamines• Résistance au stress oxidatif• Breuvage laitier enrichi (A.G. ω-3)

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

RésultatsPropriétés physico-chimiques du lait

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Abaissement de [O2]Comparable au dégazage sous vide

Abaissement rapide du POR∆~400mV / 5 min

Variation de pHDépend du potentiel appliquéDépend de la composition de l’anolyte

Stabilité des micelles de caséineDiamètre moyen: 185 nmHydratation: 2.31 g eau/g caséineMinéralisation: 32 mg Ca/g caséine

Évolution du potentiel d’oxydoréduction ( ) et de la concentration d’oxygène dissous ( ) pendant le traitement d’électroréduction

-300-200-100

0100200300

0 5 10 15 20 25 30temps min

Redo

x m

V

01234567

Oxy

gène

pp

m

RésultatsLes flores contaminantes

Pas d’effet de l’électroréduction sur la croissanceFlore aérobie totaleFlore psychrotropheLactobacillesLevures et moisissures

Oxygène résiduel~ 4 ppm

Remontée du potentiel REDOXen cours d’entreposage

Atteint +50 mV après 5 jours

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Changement du compte totale (aérobie) pendant l’entreposage du lait cru à 4°C

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6temps jours

log

cfu

ml-

1

ContrôleÉlectroréduitdégazé

RésultatsLes cultures probiotiques

Efficacité selon la sensibilité de la souche à l’oxygèneSouches insensibles

• B. bifidum KYO• B. longum Rosell-R023• B. longum 411 BBL• B. breve ATCC 15700• B. bifidum ATCC 29521

Souches sensibles• B. longum ATCC 15708 ++++ • B. infantis ATCC 15697 ++++• B. animalis subsp. Lactis DSM 10140 +

Viabilité moyenne (28 jours)Contrôle: -0.14 cfu/jourÉlectroréduit: -0.06 cfu/jourDégazé: -0.06 cfu/jour

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Viabilité de B. longum ATCC 15708 pendant l’entreposage du lait à 4°C (lait purfiltreinoculé à 107 cfu ml-1)

ContrôleÉlectroréduitdégazé

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30temps jours

log

cfu

ml-

1

RésultatsLa stabilité thermique du lait (140°C)

Effets significatifs de l’électroréduction*

Augmentation du HCT140°C-pH 7.0 6min 31minProtection des thiols 140°C-pH 6.8-5 min 0.8µmol/g 1.6µmol/g

*le traitement de dégazage montre un effet similaire

Effets non significatifs de l’électroréduction

Changement de pH suite au chauffage 0.15 unitésDéplacement des équilibres minéraux Ca:60ppm; P:42ppmLibération de caséine-κ dans le sérum 40%Dégradation du lactose 16%Dégradation de la lysine 4%

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Lait Lait ER

∆moyen (140°C–5min-pH 6.8)

Résultats Transformation fromagère (laits chauffés)

Effet non significatif de l’électroréduction sur les caractéristiques du lait pendant le chauffage (75°C)

Diamètre micellaire : -0.2%/minHydratation des micelles de caséines : -0.4%/min[β-lactoglobuline]soluble : -2%/min

Effet du chauffage (75°C-5 min) sur l’aptitude à la transformation fromagère

Temps de prise (min) +1.8min +0.8minRétention protéique (%) +1.5% +0.8%Rétention lipidique (%) -4.7% -7.9%Humidité des fromages (%) +2.9% +2.1%

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Lait Lait ER

RésultatsRéactions d’oxydation

Résistance au stress oxydatifLait : 4.38ppm O2/minLait ER : 3.36ppm O2/min

Perte de Vitamine C à l’entreposage (4j)Lait : 43%Lait ER : 27%

Dégradation à la chaleur des acides gras ω-3

Indice TBA avant stérilisation 0.8 0.8Indice TBA après stérilisation 5.2 2.1

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

TBA (mg malonaldehyde/Kg lipide)

contrôle électroréduitbreuvage laitier + huile de lin

Alternative à l’électroréduction

Contrôle des gaz dissousSolubilisation d’un «gaz réducteur»Barbotage d’un mélange azote/hydrogène (N2/H2)

• 4% hydrogène

Injection de gaz dans un breuvage laitier

Air N2 N2/H2

Concentration en oxygène (ppm) 9.0 1.3 1.3Potentiel d’oxydoréduction (mV) 147 141 -140

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

RésultatsContrôle des gaz dissous

Photo oxydation d’un breuvage laitierEffet de la stérilisation

• ∆[propanal] = 1.6ppm• Stabilité à la lumière

• Dérivés de Maillard

Effet du mélange N2/H2• Stabilité accrue à la

stérilisation• ∆[propanal] = 1.2ppm

Effet similaire avec N2• Disponibilité de l’oxygène

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

0

1

2

3

4

5

temps jours

[pro

pana

l] pp

m

Dégradation oxydative d’un breuvage laitier enrichi d’huile de lin (2%) exposé à la lumière fluorescente. (-----, seuil de perception).

0 2 4 6

Non chaufféStériliséN2/H2-stérilisé

stérilisation

Applications

Contrôle des flores contaminantesNon significatif

Viabilité des cultures probiotiquesCultures sensibles à l’oxygène (~2 log)

Stabilité du lait à haute températureRéduction de la coagulation à la chaleur (pH neutre)

Qualités fromagères des laits chauffésEffets très limités…

Dégradations oxydativesStabilité des gras insaturés à la chaleur

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Conclusions

L’effet de l’électroréduction est principalement associé au contrôle de l’oxygène dissous

Le dégazage ou la saturation avec un gaz inerte (avec ou sans hydrogène) sont des alternatives valables

Le contrôle des réactions d’oxydation contribue à la qualité des produits laitiers

Objectifs et méthodologieContexte Résultats Bilan Conclusions

Redox [O2]

Remerciements

Encadrement techniqueYves RaymondNathalie Rémillard

Support financierNovalait Inc.Fonds de recherche sur la nature et les technologiesAgriculture et Agroalimentaire Canada (AAC)Ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec (MAPAQ)

Agriculture andAgri-Food Canada

Agriculture et Agroalimentaire Canada

Fonds de recherchesur la natureet les technologies

Agriculture, Pêcherieset alimentation