Le Rapport

Année 2012 -2013
Rapport de Projet
Professionnel
La Multivalorisation du Lactosérum
Groupe 17
Tuteur : Michel Fick
Projet réalisé par :
Julien Jaxel
Marion Perot
Nathalie Carabin
Pauline Lélu
Romain Lopes
Sommaire
I/ Introduction……………………………..……………………………………………………page 3
A. Méthode de séparation des différents constituants du lactosérum…………………………..page 3
B. Les valorisations possibles…………………………………………………………………..page 4
II/ Valorisation des protéines du lactosérum……………………………………………………page 6
A. Nature et propriétés………………………………………………………………………….page 6
1. Les procédés d’isolement………………………………………………………………….....page 6
a. L’ultrafiltration………………………………………………………………….....................page 6
b. Précipitation sélective…………………………………………………………………..........page 6
2. Les protéines : nature et propriétés…………………………………………………………..page 7
a. L’alpha-lactalbumine…………………………………………………………………............page 7
b. La beta-lactoglobuline………………………………………………………………….........page 7
c. Les autres protéines…………………………………………………………………..............page 8
B. Les valorisations……………………………………………………………………………..page 8
1. Utilisation des protéines comme texturants alimentaires…………………………………….page 8
2. Elaboration de concentrés pour préparations culinaires laitières, fromagères……………….page 8
3.Elaboration de structures particulières : exemple des nanotubes……………………………..page 9
4. Réincorporation dans des fromages……………………………………………………….…page 9
III/ Culture de micro-organismes sur le lactosérum…………………………………………...page 10
A. Culture de Kluyveromyces…………………………………………………………………page 10
1- Culture de Kluyveromyces en bioréacteur…………………………………………………page 10
B. Culture de Geotrichum……………………………………………………………………..page 11
1- Lutte contre Fusarium en Brasserie………………………………………………………...page 11
2- Culture de Geotrichum sur le lactosérum en bioréacteur…………………………………..page 13
IV/ Valorisation du lactosérum par la voie enzymatique et chimique………………………...page 14
A. Le lactose…………………………………………………………………………………..page 14
1-Présentation générale………………………………………………………………………..page 14
2-Extraction du lactose………………………………………………………………………..page 14
B. Le lactose, un excipient…………………………………………………………………….page 15
C. Réactions chimiques associées au lactose………………………………………………….page 15
1- Lactulose……………………………………………………………………………………page 16
2- L’acide lactobionique……………………………………………………………………….page 17
V/ L'utilisation des vitamines et minéraux du lactosérum…………………………………….page 19
A. Valorisation du lactosérum par nanofiltrationp…………………………………………… page 19
1- Les vitamines et minéraux présents dans le lactosérum……………………………………page 19
2- Intérêt nutritionnels et pharmaceutiques des sels minéraux……………………..…………page 20
1
3- Intérêts nutritionnels et pharmaceutiques des vitamines …………………………………..page 20
B. Techniques d’extraction de ces composés……………………………………………….…page 20
1- L’électrodialyse…………………………………………………………………………..…page 20
2- La chromatographie à échange d’ions …………………………………………………..…page 20
3- La nanofiltration……………………………………………………………………………page 21
a. Dispositif expérimental de la nanofiltration ……………………………………………..…page 22
i - Les membranes …………………………………………………………………………page 22
ii – Les Modules…………………….………..……………………………………………page 22
iii - Mode de fonctionnement……………………………………………………………….…page 23
VI/ Conclusion…………………..…………………………………………….………………page 24
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I/ Introduction
Le lactosérum est la partie liquide issue de la coagulation du lait pendant la fabrication du fromage
(la partie solide est le caillé).
Il existe deux types de lactosérum, obtenus à partir de deux types de transformations du fromage:
Le lactosérum doux, également appelé lactosérum de fromagerie. Il est produit au cours de
l´élaboration des fromages qui sont obtenus au moyen de présure. Les compositions des
lactosérums appartenant à ce groupe sont proches d´un lactosérum à un autre mais les
propriétés de chacun varient beaucoup. Le pH de ces lactosérums doux peut aller de 5,2 à
6,7.
Le lactosérum acide, qui regroupe l´ensemble des sous produits de l´élaboration de caséine,
de caillebotte ou de fromage frais. Le lactosérum de caséine provient de la fabrication par
coagulation par l´acide lactique ou l´acide chlorhydrique. L’origine du lactosérum de
caillebotte ou de fromage frais est indiquée par le nom lui-même. La fermentation naturelle
produit de l’acide lactique ce qui confère une acidité élevée au lactosérum. Le pH de cette
gamme de produit va de 3,8 à 4,6. Lorsque le lactosérum de fromagerie n´est pas traité avec
toutes les précautions nécessaires, la poursuite de la fermentation naturelle augmente son
acidité. Ce phénomène n´est pas souhaitable car le lactosérum acidifié (et non acide) ne peut
pas être considéré comme un produit naturel.
A. Méthodes de séparation des différents constituants du lactoserum
L´ultrafiltration et l´osmose inverse permettent de récupérer les protéines du lactosérum sous
forme non dénaturée et à des concentrations appréciables. Dans le double but de mettre ces
protéines en valeur pour leurs hautes qualités nutritives et de résoudre le problème futur de
l´utilisation du lactosérum.
On peut, par exemple, éliminer les graisses en utilisant une taille de pore qui retient uniquement la
crème mais laisse passer le lait écrémé. On peut également utiliser une taille de pore encore plus
petite pour permettre la séparation de l´immunoglobuline du lactosérum. Si l´on continue, on arrive
à l´ultrafiltration au cours de laquelle on rejette tous les grands composants du lait, les protéines et
les graisses, mais on laisse passer le lactose, les minéraux et l´eau. C´est ici que, en ajoutant de
l´eau, ou par diafiltration, il est possible d´extraire encore plus de lactose du lait. La nanofiltration
est la membrane suivante que l´on utilise pour le lait. Cette membrane rejette tous les composants,
sauf certains sels et l´eau. La dernière membrane utilisée pour les applications laitières est l´osmose
inverse. Cette membrane ne permet qu´à l´eau de passer, elle agit ainsi comme une membrane de
concentration pure.
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B. Les valorisations possibles
Le lactosérum peut être valorisé de différentes manières. En effet, ce liquide est riche en lactose
(sucre) et en protéines.
Plusieurs voies peuvent être empruntées concernant l´utilisation du lactosérum. Parmi les plus
connues, le lactosérum peut servir de nourriture aux animaux. La réincorporation du lactosérum
dans des aliments peut être utilisée pour enrichir en protéines et diminuer leurs taux de matières
grasses. Pour cela, le lactosérum est soit concentré soit séché avant d´être incorporé. Cependant, la
forte teneur en protéines hydrosolubles du lactosérum entraîne une grande rétention d´eau, ce qui
modifie la texture du produit en la rendant beaucoup plus molle. Il faut donc trouver un compromis
entre enrichissement et texture du produit.
Une autre utilisation peut être la création d´un nouveau produit. D´un point de vue
pharmaceutique, il est possible d’extraire le lactose pour la formation d’excipients comme le
lactulose. Dans le domaine alimentaire, la création de boissons hyper-protéinées ou sucrées pour
sportifs peut être envisagée. Une dernière idée serait d´utiliser le lactose du lactosérum en tant que
milieux de cultures pour certaines levures.
Il y a quelques techniques d'assainissement du lactosérum :
Le lactosérum est un milieu riche en nutriments pour les différents micro-organismes vivants. Il
peut aussi contenir des virus, pouvant détruire les levures (couramment appelé Bactériophages).
Donc l'ajout de lactosérum pour enrichir certains fromages peut entraîner une contamination du
produit et donc une lyse future des levures entrant dans la fabrication du fromage.
Une méthode d'élimination des différents organismes pathogènes est le traitement thermique. En
effet, le fluide est amené à haute température pour tuer les pathogènes. Cela peut poser le problème
d'une altération des constituants du fluide, par exemple les protéines.
Traitement par ionisation :
Tout d’abord, la première méthode qui pourrait être mal perçue par le consommateur, serait le
traitement ionisant des denrées. Au-delà d'être un procédé de conservation, c'est aussi un procédé
d'assainissement comparable à la pasteurisation. L'ionisation est le fait d'arracher un électron à un
atome. Cela entraîne donc la formation de radicaux libres qui sont extrêmement toxiques (car
énormément réactifs : un des plus toxiques étant le dioxygène biradicale) pour les microorganismes. Ces radicaux libres vont surtout altérer les lipides par oxygénation et hydrogénation.
Ce phénomène d'altération est appelé « radiolyse ». Il faut veiller à doser correctement le
rayonnement administré à la denrée alimentaire, pour éviter de rendre l'aliment radioactif.
L'ionisation ne modifie pas sensiblement la qualité nutritionnelle des aliments, même si parfois
elle peut modifier légèrement les propriétés organoleptiques. De plus, cette méthode de traitement
ne provoque pas l'apparition de produits toxiques ou cancérigènes pour l'Homme, ni l’acquisition ou
l’augmentation de pathogénicité chez les bactéries ou de virulence chez les virus.
On admet qu'à partir de 25 kGy, les denrées sont stérilisées et qu'il n'y a pas de radioactivité induite.
C'est donc une première alternative efficace aux traitements thermiques qui altèrent beaucoup plus
les produits alimentaires.
4
La deuxième méthode est l'utilisation de la Haute Pression pour stériliser les aliments. Elle est plus
communément appelé « pascalisation ».
La pascalisation est une technique consistant à soumettre des produits alimentaires à des pressions
très élevées, de l'ordre de 6 000 bars. Ce traitement très haute pression, qui peut être opéré à
température ambiante ou réfrigérée, maintient la fraîcheur naturelle et les qualités organoleptiques
du produit d'origine.
Il offre ainsi pour les produits sensibles à la chaleur une alternative intéressante aux traitements
thermiques classiques.
Ce traitement n'est applicable que pour des produits conditionnés dans des emballages souples,
seuls susceptibles de transmettre à leur contenu la pression subie. Les produits pouvant supporter
les traitement par hautes pressions doivent contenir assez d'eau pour permettre, par transmission de
la pression, une destruction complète des micro-organismes. Les produits ne doivent pas comporter
de poches d'air, comme les framboises ou la guimauve, pour ne pas finir après traitement
complètement écrasés. De plus, ce traitement est très onéreux et ne reste encore qu’à la portée des
très grandes entreprises ou bien est adapté pour le traitement de produits à très forte valeur ajoutée.
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II/ Les protéines
Le lactosérum contient de nombreux éléments et une part non négligeable de protéines. Leur
concentration varie en effet de 10 à 13% dans le lactosérum et leur taille, de 3 à 6 nanomètres.
Leurs propriétés nous on conduit à différentes pistes de valorisation, afin d’exploiter au mieux cette
source à haute valeur ajoutée.
A. Nature et propriétés
1. Procédés d’isolement
a. L’ultrafiltration
Il s’agit d’une filtration sur membrane dont le diamètre des pores est de l’ordre du
nanomètre (0,001 à 0,10 μm). Elle consiste en une séparation soluté-solvant sous une pression de
plusieurs bars. Au préalable à l’ultrafiltration, il faut réaliser d’autres filtrations sur des membranes
ayant des pores plus grands afin d’éliminer progressivement les éléments plus volumineux du
lactosérum. La filtration sur membrane est la plus couramment utilisée pour le lactosérum pour
isoler ses constituants. Le principe de l’ultrafiltration est le même que la nanofiltration, qui sera
explicité en partie V/B.3.
Dispositif d’ultrafiltration à l’échelle labo
La problématique de cette méthode est l’encrassage des membranes qui diminue fortement
le rendement. Les membranes doivent être nettoyées ce qui est délicat du fait de leur fragilité. Elles
coûtent par ailleurs encore chères malgré une baisse des prix depuis quelques années.
b. Précipitation sélective
On peut également isoler les protéines du lactosérum en les faisant précipiter de manière
sélective. Pour ce faire il faut jouer sur le pH ou la concentration ionique du milieu, la température.
En effet, suivant ces paramètres, les protéines ont des structures et donc des propriétés différentes.
6
2. Les protéines : nature et propriétés
a. L’alpha-lactalbumine
Cette protéine représente 2 à 3 % des protéines du lactosérum. Elle est
constituée de 123 acides aminés et possède une masse moléculaire de 14,2
kDa. 4 ponts disulfures sont situés entre :
-
Cystéines 6 et 120
Cystéines 28 et 111
Cystéines 61 et 77
Cystéines 73 et 91
La protéine native se dénature à 65°C mais lors d’un refroidissement la renaturation atteint 80 à
90%. La dénaturation est plus forte en milieu acide. Par ailleurs il y a oligomérisation à 100°C.
Cette protéine est en outre une métalloprotéine contenant un atome de calcium par mole de
molécule. Lorsqu’il y a dissociation de l’atome de calcium, la protéine change de conformation et
est moins stable : elle a tendance à former des agrégats. Cette dissociation a lieu à pH 4.
Il faut donc bien prendre en compte les conditions de traitement du lactosérum afin de ne pas
endommager la protéine.
b. La beta-lactoglobuline
C’est la protéine majoritaire du lactosérum puisqu’elle représente 50% de ses
protéines. Il s’agit d’une protéine globulaire d’après des études
cristallographiques et se compose de 162 acides aminés pour un poids
moléculaire d’environ 18 kDa. Elle est dimérique au pH physiologique et
présente deux ponts disulfure contribuant au maintient de la structure tertiaire
ainsi qu’un thiol libre.
Conditions de dénaturation :
-
A pH acide si elle est seule
A pH neutre si elle est en présence d’autres protéines
Forme native monomérique lorsque : pH < 2,5 après chauffage de
30 minutes à 90°C
Dénaturation réversible à 120°C si pH < 3
Lorsque 5 < pH < 8 : molécule sous forme dimérique
Pour pH > 8 : dénaturation et agrégation de la molécule
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c. Les autres protéines
Sérum d’albumine bovine ou BSA (9% des protéines du lactosérum)
C’est une protéine globulaire monomérique de 66 kDa comprenant 17 ponts disulfures et un groupe
thiol libre ce qui lui confère une structure complexe. Elle peut être stabilisée par liaison à
différentes molécules comme des acides gras.
Les immunoglobulines (10% des protéines du lactosérum)
Ce sont des glycoprotéines pouvant interagir avec la BSA.
La lactoferrine (1% des protéines du lactosérum)
Cette métalloprotéine monomérique de 80-92 kDa présente une forte résistance à la dénaturation
thermique du fait de sa liaison avec du fer. Elle n’est présente qu’en faible quantité dans le
lactosérum et possède une activité bactéricide et bactériostatique contre de nombreux microorganismes.
Les protéines du lactosérum ont donc des compositions et des sensibilités différentes aux divers
traitements (température, pH…). Il convient donc de considérer toutes ces propriétés pur optimiser
leur isolation et leur valorisation.
B. Des valorisations dans différents domaines
Les protéines du lactosérum, du fait de leurs propriétés peuvent être valorisées dans différents
domaines. Nous avons retenu les applications suivantes.
1. Utilisation des protéines comme texturants alimentaires
Les protéines, du fait de leurs propriétés gélifiantes peuvent être utilisées pour modifier la texture
d’un aliment donné.
2. Elaboration de concentrés pour préparations culinaires laitières, fromagères
Les protéines peuvent être concentrées pour être ensuite injectées dans des préparations culinaires
laitières. Ces préparations possèdent ainsi une valeur ajoutées et couvrent d’autant mieux les
apports énergétiques quotidiens.
De nouvelles préparations voient le jour sur le marché. La voie est donc ouverte pour imaginer de
nouvelles recettes.
8
3.Elaboration de structures particulières : exemple des nanotubes
Dans certaines conditions, la forme des protéines peut être modulée par hydrolyse partielle d’une
protéase. Ainsi l’alpha lactalbumine peut former des nanotubes (Graveland-Bikker et de Kruif,
2006) si elle est présente à une concentration minimale dans le milieu (20g/L). Ces nanotubes ont
un diamètre de 10-20 nanomètres pour une longueur de quelques micromètres. Ils peuvent
constituer des vecteurs de molécules d’intérêt ayant une certaine fragilité, comme des vitamines
puisqu’ils sont stables dans la plupart des milieux.
Modification de la structure de l’alpha-lactalbumine
4. Réincorporation dans des fromages
Une technique de réincorporation des protéines du lactosérum dans les fromages consiste en un
prétraitement d’une première préparation de ces protéines par une transglutaminase.
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III/ Culture de micro-organismes sur le lactosérum
A. Culture de Kluyveromyces
Kluyveromyces est une levure ovoïde faisant partie de la famille des Ascomycètes. Elle est
dominante dans les produits laitiers. Elle peut contribuer à altérer les fromages et de nombreux
fruits. Elle se développe aussi bien en présence qu'en abscence d'oxygène et fermente les sucres tels
que le lactose.
Kluyveromyces, levure capable de se développer sur le lactosérum, produit la bêtagalactosidase. Cette enzyme permet de dissocier le lactose en glucose et galactose. En sachant que
près de 75% des adultes ont perdu la capacité à assimiler le lactose, l'extraction de cette enzyme et
son ajout à certains aliments comme le lait pourrait permettre aux personnes intolérantes au lactose
de pouvoir manger à nouveau des aliments en contenant. L'objectif est donc d'utiliser le lactosérum
pour la culture de cette levure, d'extaire la bêta-galactosidase et de l'introduire dans des aliments
avec du lactose. Pour ce faire, on peut utiliser Kluyveromyces lactis ou Kluyveromyces fragilis.
Photographie de Kluyveromyces lactis
1- Culture de Kluyveromyces en bioréacteur
On peut utiliser par exemple la souche Kluyveromyces lactis Y-8279. On ensemence la souche sur
la pente d'un milieu gélosé dans un tube à essai puis on incube à 30°C pendant deux jours.
La composition du milieu gélosé est la suivante :
–
glucose : 10 g/L
–
extraits de levure : 3 g/L
–
extraits de malt : 3 g/L
–
peptones : 5 g/L
–
agar-agar : 20 g/L
Au bout de deux jours, prélever de la culture sur la pente et transférer les prélèvements dans un
erlenmeyer de 250 mL contenant 50 mL de bouillon.
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On utilise la fermentation en mode discontinue. Certains travaux préconisent de travailler avec du
lactosérum déprotéiné obtenu par thermocoagulation.
La concentration de levures initiale doit se situer entre 0,05g/L et 1 g/L dans des fioles de 250 mL.
La composition du milieu en bioréacteur est la suivante :
–
lactose : 30 g/L
–
extraits de levures : 1g/L
–
K2HPO4 : 1 g/L
–
(NH4)HPO4
–
pH ajusté à 7
On incube à 30°C pendant 48 heures dans un agitateur rotatif de 200 tours/min.
Ensuite, il faut lyser les cellules afin de purifier l'enzyme. Pour cela on peut utiliser du chloroforme
(50 µL) et du SDS (20µL).
Ensuite pour purifier l'enzyme, l'électrophorèse, la chromatographie et la filtration sur gel sont des
méthodes qui peuvent être utilisées.
B. Culture de Geotrichum
1- Lutte contre Fusarium en Brasserie
Geotrichum candida est une moisissure présente naturellement dans le sol, l'air, les eaux
usées, les céréales et les produits laitiers. Son développement sur des fromages à pâtes molles
pressées ou persillées contribue à l'aspect de croûtage et à son arôme. Les conditions optimales sont
résumées dans le tableau ci-dessous :
Geotrichum candida
Température optimales de
croissances (°C)
25-30
pH optimal de développement
Sources de carbone utilisées
4-6
Glucose, lactose, D-galactose, L-sorbose, D-xylose,
mannose et acétate
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Photographie de Geotrichum
L’objectif est d’utiliser le lactosérum comme milieu de culture pour Geotrichum afin de
produire une quantité importante de ce micro-organisme. Puis, dans un deuxième temps, on
ensemence une culture de Geotrichum au niveau de l’étape de maltage lors de la fabrication de la
bière afin de lutter contre Fusarium langsethiae.
Fusarium langsethiae produit des toxines T-2 et HT-2 nocives pour l'être humain. Ce mycète
peut se développer sur l'orge de brasserie si toutes les conditions sont réunies à son développement.
On peut retrouver ces toxines en très petite quantité dans la bière.
Les expériences ont montré que la croissance de Fusarium n'est pas inhibée dans un milieu préfermenté par Géotrichum. Par contre la présence d'un agent actif thermo-résistant produit lors du
développement de Geotrichum affecte la concentration de la toxine T-2.
Des molécules ont été mises en évidence dans le processus d'inhibition de Fusarium langsethiae :
l'acide D-3 phényllactique (PM:166 Da) et l'acide D-3 indollactique (PM : 205 Da). Ces acides ont
des propriétés antifoniques.
Ces substances inhibitrices présentes dans l'extrait cellulaire ultra-filtré sont stables aux pH acides
et alcalins aux traitements thermiques à 120°C pendant quinze minutes et se conservent très bien à
4°C et à température ambiante. Les techniques de purification (chromatographie de partage,
chromatographie sur couche mince et gel filtration)
La contamination de l'orge par Fusarium peut commencer dans les champs, avant le
stockage mais surtout elle a lieu pendant l'étape de maltage.
Cette étape se déroule en trois temps:
le trempage: production suffisante d'humidité et d'oxygène aux grains pour préparer la
germination
la germination: production d'amylases
le touraillage: séchage du grain avec de l'air chaud. Les arômes du malt apparaissent
Kocic-Tanakov (2005) et ali ont analysé les eaux de trempe et ont mis en évidence que la présence
de G. candida pendant sept jours pendant le maltage a inhibé la croissance des mycètes du genre
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Fusarium avant le touraillage. Geotrichum est ajouté aux eaux de trempe à raison de 107-108
UFC/kg d'orge et la croissance de Fusarium est inhibée en même temps que la qualité
organoleptique du malt est améliorée.
2- Culture de Geotrichum sur le lactosérum en bioréacteur
Un protocole intéressant a été mis en place pour la culture de Geotrichum sur des eaux usées
d'huilerie.
On mélange dans les proportions suivantes (20:80) d'eaux usées et de lactosérum. On incube cinq
jours. On obtient 9,26 g/L de biomasse. Si on ne met que du lactosérum, 2,83 g/L de levure sont
produits.
Ce protocole est intéressant car il permet de recycler des eaux usées d'huilerie. Le milieu est
suffisant pour la production de Geotrichum sans ajout d'autres nutriments.
On peut aussi cultiver Geotrichum sur un milieu Ym (yeast mold) constitué de :
–
glucose: 5 g/L
–
extraits de levure: 1,5 g/L
–
extraits de malt: 1,5 g/L
–
peptones: 2,5 g/L
Il faut ensuite incuber pendant sept jours à 22°C. On obtient 3,64 g/L de levures.
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IV/ Valorisation du lactosérum par la voie enzymatique et chimique
Devant la grande quantité de lactosérum récupéré lors de l’élaboration du fromage, il devient de
plus en plus important de lui trouver une valorisation. Dans cette partie on s’intéressera en
particulier à la valorisation du lactose par voie chimique et enzymatique.
A. Le lactose
1- Présentation générale
Le lactose est un diholoside constitué de galactose et de
glucose liés par une liaison osidique en β(1→4). Ce sucre est
l’élément principal du lactosérum, il est présent à hauteur de
4 à 5% (l’eau est présente à 94% environ). Cela représente
alors entre 70 à 75g pour 100g de matière sèche. ([1], [2])
Il convient alors de le valoriser au maximum. Les principales
idées d’utilisation du lactose consistent à l’utiliser tel quel en
tant qu’excipient dans l’industrie pharmaceutique ou alors à
le transformer par réaction chimique, et plus particulièrement réaction enzymatique en bioréacteur.
2- Extraction du lactose
La méthodologie d’extraction du lactose est résumée dans cette figure ([1]) :
Figure 1 :
14
B. Le lactose, un excipient
En tant qu’excipient, le lactose peut présenter un grand intérêt.
Un excipient est un élément dit « inerte » procurant à ou aux molécules une stabilité plus grande
ainsi que des propriétés physico-chimiques facilitant leurs solubilisations, dissolutions dans
l’estomac etc …
Il facilite entre autre l’utilisation en lui donnant une forme (gélule ou autres …) en rapport avec la
voie d’administration ou un goût plus doux lorsque celui-ci est « extrême ».
Dans le lactosérum, il est facilement disponible. Il a alors un coût faible.
En ce qui concerne les caractéristiques physico-chimiques, il est compatible avec bon nombre de
substances actives et d’autres excipients. Il a également une excellente solubilité dans l’eau et une
grande stabilité.
Au final, il a une saveur douce, ce qui permet de limiter les apports en exhausteur de goût visant à
modifier le goût du médicament.
Le seul point négatif est l’intolérance que présente une partie de la population à assimiler le
lactose, par allergie ou insuffisance enzymatique.
C. Réactions chimiques associées au lactose
D’un autre point de vu, le lactose ne peut être qu’un substrat permettant, après réaction chimique
ou enzymatique, l’accès à une molécule d’intérêt dans des domaines pharmacologique, cosmétique
ou alimentaire.
Ces réactions sont résumées dans la figure suivante, bien que les conditions de réalisation de
chaque réaction ne soient pas indiquées ([1]) :
15
Figure 2 :
On s’intéresse alors principalement à deux de ces cinq réactions. La première de ces réactions
présentant un intérêt est une réaction d’isomérisation donnant du lactulose. La seconde est une
réaction d’oxydation du lactose en acide lactobionique.
1. Lactulose
Le lactulose est un diholoside constitué de galactose et
de fructose liés par une liaison osidique β(1→4). Bien
que l’intestin grêle ne puisse l’assimiler, le lactulose est
fréquemment utilisé en pharmacie en tant que laxatif et
pour traiter diverses maladies telle que l’encéphalopathie
hépatique.
L’intérêt qu’il présente est qu’il diffère que peu du
lactose, ainsi des levures Kluyveromyces lactis préalablement préparées peuvent réaliser la réaction
de substitution du glucose pour du fructose grâce à une β-galactosidase. ([3], [4])
D’autres micro-organismes peuvent réaliser cette réaction, par exemple S. solfataricus, E.coli …,
mais les rendements ne sont pas aussi élevés qu’avec Kluyveromyces lactis. ([4], [5], [6])
D’un point de vue économique ([7]), la production de lactulose via une synthèse enzymatique est
plus rentable qu’une synthèse purement chimique en comptant la réutilisation ultérieure des levures
comme extrait de levures permettant la croissance de nouvelles cultures ([8]). On limite alors les
16
pertes en matière organique au sein de notre système, un maximum de matière est réutilisé par le
système lui-même. Le point critique de cette utilisation du lactose est l’apport à réaliser en fructose
afin que la réaction d’isomérisation puisse se faire.
Le « déchet » qu’est alors le galactose est surement réutilisé par la levure (c’est un sucre simple à
6 carbones), néanmoins cela reste à vérifier, par HPLC dans le milieu final par exemple. Cela
nécessite une étude plus poussée, peu de données sont disponibles actuellement sur l’usage final du
galactose issu de cette réaction.
2. L’acide lactobionique
L’acide lactobionique semblait être une bonne piste de travail étant donné
son prix de revente élevé (entre 80 et 120 euros le kilogramme).
L’utilisation de cet acide dérivé du lactose par oxydation touchait les
domaines de pharmacologie, cosmétique ou alimentaire respectivement en
tant d’excipient, d’antioxydant et d’additif alimentaire. Néanmoins sa
synthèse enzymatique directement du lactosérum se fait à partir d’une
souche de Pseudomonas taetrolens ([9], [11]) ou Acetobacter orientalis,
souches peu utilisables en industrie en comparaison avec Kluyveromyces
lactis. On perd l’avantage vu précédemment avec Kluyveromyces lactis et la production de
lactulose, avantage qui est de cultiver un micro-organisme réutilisable, ne serait-ce qu’en apport de
croissance pour d’autres organismes.
La quantification de l’acide lactobionique peut se faire par HPLC ([10]).
De plus, les coûts d’entretien et de traitement de Pseudomonas taetrolens pourraient dépasser le
prix de vente actuel. ([11])
On remarque aussi que la synthèse de ce composé se fait énormément dans des entreprises situées
en Asie, le coût élevé de vente peut alors être dû aux frais de transport et non au procédé de
synthèse ou à l’entretien de ce procédé.
Conclusion
Le lactose est donc un élément facilement utilisable et de nombreuses manières. Il peut tout à fait
être pris comme excipient et servir en pharmacologie ou en cosmétique ou alors être transformé
chimiquement (ou enzymatiquement) pour donner des composés tels le lactulose ou l’acide
lactobionique dont les domaines d’utilisation sont tout aussi variés. Néanmoins, on ne peut pas
strictement comparer chaque valorisation et dire quelle est la meilleure parmi celles étudiées.
Chaque méthode présente des qualités et des défauts. Celle qui semble la plus prometteuse est la
synthèse de lactulose par l’utilisation de β-galactosidase de Kluyveromyces lactis ou fragilis puis de
la transformation des levures en extrait de levures, simplement parce que cette méthode de
17
valorisation s’auto-gère et les pertes en matière organique sont limitées pour fournir un composé qui
serait rentable.
L’étude faite ici se limite qu’à deux molécules, les composés dérivants du lactose présentés en
figure 2 pourraient présenter un intérêt. En particulier, les Galacto-oligosaccharides peuvent avoir
une application dans le domaine des bio-matériaux.
Références :
[1] : Dr de Wit J.N.,(2001), Lecturer’s handbook on whey and whey products, European
Whey Products Association, Bruxelles, Belgique
[2] : EVRARD F. Le lactose un sucre pas si lait. Lasanté. Récupéré le 25 novembre 2007
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18
V/ L'utilisation des vitamines et minéraux du lactosérum
A. Valorisation du lactosérum par nanofiltration
1- Les vitamines et minéraux présents dans le lactosérum
Le petit lait est un produit riche en certains sels minéraux et vitamines, essentiels pour l’homme.
Voici sa composition détaillée :
Figure 1 : Teneur en sels minéraux pour 1L de lactosérum acide
Calciu
m (g/L)
Magnésium
(g/L)
Phosphore
(g /L)
1
0.1
0.7
Potassium Sodium
(g/L)
(g/L)
1.46
0.48
Zinc
(mg/L
)
4.3
Fer
(mg/L
)
0.8
Iode
(mg/L
)
0.5
Cuivre
(mg/L)
0.03
Figure 2 : Teneur en vitamines pour 1L de lactosérum acide
Vitamine B5
(en mg/L)
3.81
Vitamine B2
(en mg/L)
1.4
Vitamine B12
(en μg/L)
1.8
Vitamine B6
(en mg/L)
0.42
Vitamine C
(en mg/L)
0.12
En comparant la composition du lactosérum aux apports journaliers recommandés pour un Homme
adulte, on peut remarquer que l’apport en vitamines et minéraux est relativement faible si le
lactosérum est consommé à l’état brut.
Figure 3 : Graphique représentant le pourcentage des Apports journaliers
recouverts en vitamines et sels minéraux, pour 100g de lactosérum
19
Le calcium, le phosphore et le potassium semblent être les constituants les plus intéressants en
termes de quantité, et recouvrent environ 10% des apports journaliers recommandés pour 100g de
lactosérum consommés. De même, les vitamines B5, B2 et B12 semblent être les molécules
présentant le plus d’intérêt en termes d’apports nutritionnels (environ 8% des AJR).
2 - Intérêt nutritionnels et pharmaceutiques des sels minéraux
Le calcium, le potassium et le phosphore sont des éléments essentiels à l’être humain. En effet, ils
jouent des rôles importants à différentes échelles au sein de l’organisme. Ces molécules sont
notamment impliquées dans les échanges cellulaires (communication nerveuse), mais aussi dans la
physiologie cellulaire. A une échelle plus grande, le calcium et le phosphore jouent un rôle au sein
des tissus conjonctifs (os, dents).
En plus de leur incorporation dans les produits alimentaires, il est possible de formuler des produits
pharmaceutiques (traitements, compléments alimentaires) à partir de ces éléments.
3 - Intérêt nutritionnels et pharmaceutiques des vitamines
Comme les sels minéraux, les vitamines sont impliquées dans de nombreuses réactions
physiologiques et métaboliques. La vitamine B5 favorise la croissance et la résistance cutanée. On
peut l’utiliser en cosmétologie capillaire (pour prévenir la chute des cheveux) et dans les traitements
contre l’acné. Par ailleurs, la vitamine B2 peut être utilisée dans le domaine de l’agro-alimentaire
comme additif alimentaire (colorant). Enfin, la vitamine B12, que l’homme est incapable de
synthétiser, est indispensable au bon fonctionnement du cerveau et du système nerveux. On peut
ainsi, à partir du lactosérum, formuler des compléments alimentaires contenant ces différentes
vitamines.
B. Techniques d’extraction de ces composés
Aujourd’hui, il existe différentes méthodes d’extraction des vitamines et des sels minéraux du
lactosérum. Ces techniques de séparation sont essentiellement basées sur les charges des différentes
molécules en solution.
1 - L’électrodialyse
L'électrodialyse est une méthode basée sur le transport préférentiel d’ions monovalents à travers une
membrane semi-perméable, ce transport étant induit par une force conductrice. Les minéraux présents
dans le lactosérum arrivent par un système de tubulures au sein du milieu conducteur. Grace à la présence
d’une anode et d’une cathode de part et d’autre du système, les ions migrent préférentiellement vers un
compartiment donné. La présence de membranes semi perméables permet alors de filtrer et de décharger
le lactosérum en laissant passer les ions à travers la membrane et de les concentrer dans une eau salée.
2 - La chromatographie à échange d’ions
Il s’agit d’une chromatographie sur colonne (en phase liquide) permettant d’isoler certains
minéraux présents dans le lactosérum (ions chargés) du fluide initial qui est assimilable à un
mélange de molécules chargées. Pour se faire, on fait passer le lactosérum sur une phase
stationnaire associée à des ions de même nature que les ions que l’on veut récupérer (la phase
20
stationnaire de la colonne est ainsi chargée). Les minéraux que l’on souhaite extraire se retrouvent
alors à la sortie de la colonne et peuvent être récupérés de manière assez facile. Néanmoins, cette
technique, bien que sélective, ne permet pas d’extraire de manière globale les vitamines et sels
minéraux contenus dans le lactosérum.
3 - La nanofiltration
Ce processus est basé sur l’application d’une pression sur le fluide permettant de constituer une
force motrice entrainant la circulation des fluides à travers une membrane. Les molécules les plus
petites (minéraux, vitamines) passent à travers la membrane et constituent le perméat, alors que les
molécules plus grosses sont stoppées de l’autre côté de la membrane pour constituer le rétentat.
Figure 4 : Schéma de principe de la nanofiltration
Industriellement et avant 1995, la déminéralisation du lactosérum était principalement réalisée par
électrodialyse, mais cette technique était peu rentable et coûteuse. Aujourd’hui, la nanofiltration
palie à la plupart de ces inconvénients. En termes de rendement, elle permet d’atteindre des niveaux
de concentration de 20 à 22% en extrait sec (FRV 4 à 5) et simultanément une déminéralisation de
25 à 50%, voire 90% si elle est combinée à une diafiltration. Cette méthode est compétitive avec
l’osmose inverse et la dialyse car elle est à la fois plus sélective et engendre moins de pertes en
lactose.
21
a. Dispositif expérimental de la nanofiltration
i - Les membranes
Différentes membranes peuvent être utilisées pour effectuer de la nanofiltration (de nature
organique, minérale, etc.). Pour déminéraliser le lactosérum, deux types de membranes semblent le
mieux convenir :

La membrane en acétate de cellulose :
Accessible et peu coûteuse, cette membrane est mise en œuvre
aisément et présente une grande perméabilité et sélectivité. De plus,
l’utilisation de cette membrane permet d’obtenir un faible colmatage par
adsorption, en particulier des protéines et des matières organiques
naturelles. Néanmoins, ces matériaux présentent une faible résistance
thermique (la température ne doit pas excéder 40°C) et chimique (pH
compris entre 3 et 8).

La membrane en polyamide :
Contrairement à la membrane en acétate de cellulose, celle-ci présente
une bonne stabilité chimique, thermique et mécanique. De plus, cette
membrane présente une excellente sélectivité aux sels, ce qui peut être
intéressant lorsque l’on cherche à déminéraliser le lactosérum.
Néanmoins, ces matériaux sont sensibles au colmatage par adsorption
(en particulier pour les protéines), et présentent une faible perméabilité.
Ces différentes membranes peuvent être chargées (permettant une meilleure sélectivité lors de
l’extraction des ions) ou amphotères (limitant le colmatage et permettant le passage d’une plus
grande gamme de molécules).
ii– Les Modules

Le module spiralé
Dans le cadre d’un process industriel, l’utilisation de modules spiralés semble être la plus adaptée.
Dans cette technologie, une ou plusieurs membranes planes sont enroulées autour d’un tube poreux
et creux destiné à collecter le perméat. Ces modules présentent une compacité élevée, de l’ordre de
300 à 1000m²/m³, ainsi qu’un faible volume mort. De plus, le coût d’investissement est relativement
faible pour cette technologie (de 5 à 100$ par m² d’installation). Néanmoins, cet équipement
présente une certaine sensibilité au colmatage, nécessite un prétraitement important, et est difficile à
nettoyer. De plus, il nécessite l’utilisation de membranes organiques.
22
Figure 5 : Schéma de montage du module spiralé
iii- Mode de fonctionnement
Pour extraire les vitamines et les sels minéraux, l’opération doit être réalisée en mode continu,
avec un débit moyen de 10 à 40 L.h⁻ ¹.m⁻². La pression appliquée sur le fluide doit être de l’ordre
de 10 à 30 bars. Par ailleurs, l’utilisation d’un module spiralé implique que la circulation du fluide
se fait tangentiellement au plan de la membrane (filtration tangentielle).
Références bibliographiques :
Professeur Jacques FOOS : http://www.formascience.com/Pages/Ionisation_des_aliments.pdf
High Pressure food processing INDD : http://ohioline.osu.edu/fse-fact/pdf/0001.pdf
Food and Agricuture Organisation : http://www.fao.org/docrep/T4280F/T4280F0h.htm
Santé Canada : http://www.composition-des-aliments.fr/analyse-canada/lactoserum-acide-liquide
Suez Environnement :http://www.aquasource-membrane.com/-procede-filtration-eau-.html
http://www.cder.dz/download/bio_7.pdf
23
VI/ Conclusion
En conclusion nous pouvons dire que le lactosérum est un produit intéressant qui mérite d'être
valorisé. Nous avons vu qu'il contient un certain nombre de nutriments qui peuvent encore être
utilisés dans divers domaines industriels, que ce soit pour l'alimentaire ou pharmaceutique. Valoriser
ce coproduit représente ainsi un enjeu considérable auprès des industriels susceptibles de récupérer
des quantités importantes de lactosérum. Aujourd'hui, les techniques d'extraction des différentes
molécules d'intérêt présentes dans le lactosérum ne sont pas encore assez rentables pour permettre
aux petites structures industrielles de le valoriser.
Afin de compléter notre étude théorique, nous avons effectué une visite du hall de technologies à
Pixérécourt et nous avons pu observer de nombreux appareils pilotes pouvant être utilisés dans le
domaine agroalimentaire.
Prochainement, nous nous rendrons chez un fromager, ce qui nous permettra d'observer les
processus d'obtention du lactosérum.
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