ÉTIENNE KOMBILA-MOUNDOUNGA
DÉNATURATION THERMIQUE ET GÉLlFICA110N DES PROTÉINES DE
LACTOSÉRUM EN SOLUTION
MODELE ET DANS UN ALIMENT
COMPLEXE, LE FROMAGE FONDU A TARTINER:
EFFETS DU NACL, DU LACTOSE ET DU GLYCÉROL
Thèse
présentée
à l'École des gradués
de l'Université Laval
pour l'obtention
du grade de Philosophiae Doctor (Ph. D.)
Faculté des Sciences de L'Agriculture et de L'Alimentation
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
Mai 1992
~ervés de Etienne Kombila-Moundounga 1992

---

f~ UNIVERSITE
~LAVAL
AI
't.~rATION
École des gradués
Etienne Kombila-Moundounga
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les personnes soussignées, en leur qualité de membres du jur y, ont assiste à la soutenance de cet-
te thèse et recommandé son acceptation à l'Ecole des groduès de l'UnIversite Laval.
NOMS
UNIVERSITÉ
SIGNATURE
A-U LT
Pdo n s.
~ouis
fOU!-lOT.
EQ-5Sa
(01-17)

---

li
RÉSUMÉ
Nous avons tenté de relier la dénaturation thermique des protéines de lactosérum à
leur gélification en systèmes modèles simples et en systèmes alimentaires
complexes. Les effets de certains humectants (NaCI, lactose et glycérol) ont été
déterminés sur le comportement thermique et de gélification des protéines de
lactosérum en solutions aqueuses et dans des fromages fondus à tartiner contenant
ces protéines.
Les résultats obtenus avec les deux systèmes d'étude ont été
correlés. L'addition des humectants a entraîné d'importantes modifications dans les
deux systèmes d'étude. La fermeté a évolué en présence des humectants selon les
mêmes tendances dans les deux systèmes. soit une diminution avec le sel et le
lactose et une diminution ou une augmentation avec le glycérol dépendamment de
la concentration. La stabilité thermique des protéines a été accrue en présence des
humectants. Cette étude a révélé l'existence des liens positifs entre la température
de dénaturation de l'a-lactalbumine et de la 13-lactoglobuline et l'obtention à la fois
des fromages fermes et des gels de force élevée retenant fortement l'eau.
,
Etienne Kombila-Moundounga
Christophe Lacroix

---

ili
RÉSUMÉ
Dans ce travail. nous avons étudié les effets des combinaisons de NaCl, lactose et
glycérol sur les propriétés thermiques des protéines de lactosérum en mélange et
sur leurs propriétés gélifiantes en solutions aqueuses et au sein des fromages
fondus à tartiner. L'étude a été menée dans le but, d'une part, de tenter d'expliquer
le comportement de gélification des protéines de lactosérum dans des systèmes
alimentaires complexes à partir de leur comportement thermique et de gélification
en systèmes modèles simples en présence d'humectants et, d'autre part, d'explorer
la relation existant entre la dénaturation thermique de ces protéines et leur
gélification.
Nous avons formulé des fromages avec des protéines de lactosérum et des
humectants ajoutés selon un plan factoriel complet 33. Des mesures de l'Aw ont été
effectuées sur ces produits. Les résultats ont démontré l'efficacité du contrôle de
l'Aw à l'aide des combinaisons d'humectants.
Des équations de régression
prédisant plus de 96% de l'Aw à partir des concentrations finales en humectants
des fromages ont été développées. Afin d'évaluer l'impact de l'add ition
d'humectants sur la texture et la cOUleur des fromages, les paramètres de texture
(fermeté, cohésion et adhésion), de tartinabilité (seuil d'écoulement et viscosité
apparente), la luminosité (L) et les indices chromatiques a (rouge) et b (jaune) ont
été mesurés.
Les modifications de tous ces paramètres ont été provoquées
principalement par les effets simples des humectants. Nous avons observé un effet
négatif du sel et du lactose sur la tartinabilité des produits, tandis que le glycérol l'a
améliorée.
,Des solutions à 10% (p/p) de protéines de lactosérum contenant les mêmes
humectants que les fromages ont été préparées. Les gels formés par les solutions
.protéiques ont été analysés pour la fermeté, la force de rupture, la cohésion et la
capacité de rétention d'eau.
D'importantes variations de ces paramètres ont été

---

iv
provoquées par les effets simples des humectants. L'évolution de la fermeté des
gels a suivi les mêmes tendances que celle des fromages, soit une augmentation
avec le sel et le lactose et une diminution ou une augmentation avec le glycérol
selon la concentration.
Les solutions protéiques ont été soumises à une analyse de calorimétrie
différentielle à balayage (OSC) qui a permis de mesurer la température de
dénaturation (T max) et l'enthalpie (~H) associée à la dénaturation de la ~­
lactoglobuline et de l'a-lactalbumine. La présence d'~lumectants dans les solutions
a accru la stabilité thermique des protéines. Les effets les plus importants de ces
facteurs ont été les effets linéaires, lesquels ont été reliés aux températures de
dénaturation des protéines.
Les corrélations existant entre les caractéristiques des fromages et les propriétés
rhéologiques et thermiques des solutions protéiques ont été recherchées.
Les
caractéristiques des fromages étaient correlées avec les propriétés thermiques des
solutions plutôt qu'avec les paramètres rhéologiques des gels. Les corrélations ont
révélé l'existence des liens positifs entre les températures de dénaturation de l'a-
lactalbumine et de la ~-Iactoglobuline et l'obtention des fromages fermes, de même
que des gels de force élevée retenant fortement l'eau.
Les résultats de l'étude
pourraient permettre la fabrication d'aliments contenant des protéines de
lactosérum avec des caractéristiques finales constantes.
Etienne Kombila-Moundounga
Christophe Lacroix

---

v
AVANT PROPOS
Nous avons présenté au chapitre 1 un aperçu bibliographique sur la situation des
protéines de lactosérum, leur problématique, l'état actuel des connaissances sur le
sujet de recherche, et les objectifs spécifiques du projet. Ces objectifs sont traités
séparément et font l'objet des chapitres 2 jusqu'à 6.
Dans les chapitres 2 et 3, nous avons présenté les résultats d'études effectuées en
systèmes alimentaires complexes. Plus spécifiquement, au chapitre 2, nous avons
mesuré les effets des combinaisons de sel, lactose et glycérol sur l'activité de l'eau
(Aw) des fromages fondus à tartiner et développé des équations de prédiction de ce
paramètre dans les fromages à partir de leur composition. Les résultats de cette
étude font l'objet d'une publication dans le journal de l'Institut Canadien de Science
et Technologie Alimentaires (1991,24: 233).
Dans le chapitre 3, nous avons rapporté les résultats de l'évaluation des
modifications des paramètres de texture et de tartinabilité entraînées par l'addition
des hlJmectants dans les fromages formulés avec des protéines de lactosérum. Ce
chapitre a également été publié dans le journal de l'Institut Canadien de Science et
Technologie Alimentaire (1991, 24: 239).
Les résultats des études effectuées en solutions aqueuses sur le comportement de
gélification des protéines de lactosérum sont présentés au chapitre 4 et sur leurs
propriétés thermiques au chapitre 5.
Le chapitre 6 a été consacré aux relations, d'une part entre les résultats des deux
systèmes à l'étude, et d'autre part, entre les résultats de la dénaturation thermique
des protéines de lactosérum et leur gélification en solutions aqueuses et dans des
fromages fondus à tartiner.

---

l
vi
1
Au chapitre 7, nous avons rapporté les principales conclusions des études, leur
impact et les perspectives de développement.
Il est essentiel de mentionner que la réalisation de ce travail a été rendue possible
grâce au concours de certaines personnes et institutions à qui j'adresse tous mes
remerciements. Pour avoir dirigé cette thèse, pour les enseignements reçus et pour
son soutien, particulièrement à certains moments difficiles, je rend hommage au
Docteur Christophe Lacroix envers qui je suis reconnaissant.
Ma reconnaissance vaut autant aux Dr François Castaigne, Jacques Goulet, Yves
Pouliot, professeurs au département de sciences et technologie des aliments, ainsi
qu'au Dr Louis Laleye (Aliments Ault Ltée), les examinateurs de cette thèse.
L'environnement
favorable ayant permis l'accomplissement de ce travail est à
mettre au crédit de l'Université Laval, de la Faculté des sciences de l'agriculture et
de l'alimentation et plus particulièrementt à celui du Département de sciences et
technologie des aliments et du Centre de recherche en sciences et technologie du
lait (STELA).
La collaboration au projet de la fromagerie Lactantia (Victoriaville) et notamment de
M. Julio Neuman et M. Robert Lagacé a été déterminante. Déterminante tout autant
a été la contribution des personnes suivantes: Réjean Prou/x, Carole Paradis et
Maurice Carrier (assistants de recherche), de Pascal Audet, Lise Lemieux, Pierre
Verret et Foued Chéour (département de S.T.A); de Gervais Gagnon (département
de phytologie); de Hélène Routhier et Robert Giroux (bibliothèque scientifique),
ainsi que celle de Fernande Michaud (Université du Québec) et de Quy Tram Do
(Direction générale de la vie étudiante).
Pour tout le soutien et leurs précieux encouragements, j'exprime ma gratitude
envers mes beaux-parents Lucille et Daniel Levesque; mes frères et soeurs, parmi
lesquels Marcel Moussadji-Moundounga, Thérèse Matsanga-Moundounga et Lié-
Bernard Koumba-Moukagni; mes amis Rolande Veilleux-Gervais, Susette et Lucien
Adambounou, Julie et Joseph Makhlouf, Laurie et Denis Choinière, Johanne et
Louis Laleye, Bolamba Digbo et Foued Chéour, de même qu'envers mes jeunes
compatriotes de la dynamique Association des étudiants et stagiaires gabonais à
Québec.

---

vii
Enfin, qu'il me soit permis de dédier cette thèse à mes défunts parents, à mes filles
Léonie Matsanga et Andréane Milongou, à tous mes neveux et nièces du Gabon et
du Canada ainsi qu'à mon épouse Manon Levesque méritant largement de
partager avec moi les félicitations du jury pour l'obtention du grade de Philosophiae
Doctor.

---

viii
TABLE DES MATIERES
Page
RÉSUMÉ
ii
AVANT-PROPOS
v
TABLE DES MATIERES
viii
LISTE DES TABLEAUX
xii
LISTE DES FIGURES
xiv
CHAPITRE 1:
INTRODUCTION GÉNÉRALE
1
1.1
Le lactosérum
1
1.2
Les protéines du lactosérum
3
1.3
Gélification des protéines du lactosérum
6
1.4
Dénaturation thermique des protéines du lactosérum
9
1.5
Origine et objectifs de l'étude
11
1.6
Références bibliographiques
14
CHAPITRE 2:
EFFET DES COMBINAISONS DE NaCl, DE LACTOSE ET DE
GLYCÉROL SUR L'ACTIVITÉ DE L'EAU (Aw) DES FROMAGES
FONDUS À TARTINER
18
2.1
Résumé
18
2.2
Introduction
19
2.3
Matériel et méthodes
20
2.3.1
Fabrication des fromages fondus à tartiner expérimentaux
21
2.3.2
Analyses physico-chimiques
21
2.3.2.1 Humidité
21
2.3.2.2 Aw
21
2.3.2.3 Analyse du lactose et du NaCI
22
2.3.3
Analyses statistiques
22
2.4
Résultats et discussion
23
2.5
Conclusion
26
2.6
Références bibliographiques
28
2. 7
Tableaux.
30
CHAPITRE 3:
EFFET DES COMBINAISONS DE CHLORURE DE
SODIUM, DE LACTOSE ET DE GLYCÉROL
SUR LES CARACTÉRISTIQUES RHÉOLOGIQUES
ET LA COULEUR DES FROMAGES FONDUS À TARTINER .......36
3.1
Résumé
36

---

ix
3.2
Introduction
37
3.3
Matériel et méthodes
38
3.3.1
Fabrication des fromages fondus à tartiner.
38
3.3.2
Détermination des paramètres rhéologiques
39
3.3.3
Détermination du pH
40
3.3.4
Détermination de la couleur.
40
3.3.5
Dosage de l'humidité
40
3.3.6
Analyses statistiques
.40
3.4
Résultats et discussion
41
3.4.1
Effet du sel, du lactose et du glycérol sur le pH des
fromages fondus à tartiner
.41
3.4.2
Effet du sel, du lactose et du glycérol sur les caractéristiques
rhéologiques des fromages fondus à tartiner
.41
3.4.2.1 Formation de cristaux
.41
3.4.2.2 Modification des caractéristiques rhéologiques
des fromages fondus à tartiner
.42
3.4.3
Influence de la teneur en eau et de l'activité de l'eau sur la
rhéologie des fromages fondus à tartiner
44
3.4.4
Influence du pH sur la rhéologie des fromages fondus à
tartiner
44
3.4.5
Effets directs du sel, du lactose et du glycérol sur
l'hydratation des protéines fromagères
.45
3.4.6
Influence des humectants sur la stabilité thermique des
protéines du lactosérum des fromages
46
3.4.7
Effets du sel, du lactose et du glycérol sur la couleur
des fromages
47
3.5
Conclusion
48
3.6
Références bibliographiques
.48
3.7
Tableaux et figures
51
CHAPITRE 4: GÉLIFICATION DES PROTÉINES DU LACTOSÉRUM:
EFFET DU SEL, DU LACTOSE ET DU GLYCÉROL SUR LES
PROPRIÉTËS RHËOLOGIQUES ET LA CAPACITË DE
RÉTENTION D'EAU DES GELS
62
4. 1
Résumé
62
4.2
Introduction
63
4.3
Matériel et méthodes
64
4.3.1
Préparation des gels de protéines du lactosérum
64
4.3.2
Détermination de la texture des gels
64
4.3.2.1 Test de double compression
65
4.3.2.2 Compression au point de rupture
65
4.3.3
Détermination de la capacité de rétention d'eau (CRE) des gels.65
4.3.4
Analyses chimiques
66
4.3.4.1 Humidité, gras, protéines et lactose
66
4.3.4.2 a-lactalbumine et B-Iactoglobuline
66
4.3.4.3 Minéraux
66
4.3.5
Analyses statistiques
67
4.4
Résultats et discussion
68

---

x
4.4.1
Composition chimique du CPL de l'étude et gélification
des solutions acqueuses des protéines du lactosérum
68
4.4.2
Effet du NaCI. du lactose et du glycérol sur les
paramètres rhéologiques et la capacité de rétention
d'eau des gels de protéines du lactosérum
70
4.4.3
Influence de la concentration protéique de la phase
aqueuse sur la modification des propriétés des gels
72
4.4.4
Influence du NaCl, du lactose et du glycérol sur la
dénaturation thermique des protéines du lactosérum
73
4.4.5
Influence du NaCI. du lactose et du glycérol sur
l'agrégation des protéines du lactosérum
75
4.4.5.1
Effet du sel
76
4.4.5.2
Effet du lactose et du glycérol
77
4.5
Conclusion
78
4.6
Références bibliographiques
78
4.7
Tableaux et figures
81
CHAPITRE 5:
PROPRIÉTÉS THERMIQUES DES PROTÉINES DU
LACTOSÉRUM EN PRÉSENCE DE CHLORURE DE
SODIUM, DE LACTOSE ET DE GLYCÉROL.
91
5.1
Résumé
91
5.2
Introduction
91
5.3
Matériel et méthodes
93
5.3.1
Préparation des solutions aqueuses de protéines
du lactosérum
93
5.3.2
Analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC)
des solutions protéiques de lactosérum
93
5.3.3
Analyses statistiques
94
5.4
Résultats et discussion
95
5.4.1
Propriétés thermiques de la solution protéique (10% de
protéines du lactosérum) sans addition d'humectants
95
5.4.2
Effets de l'addition de NaCl, de lactose et de
glycérol sur les propriétés thermiques de l'a-lactalbumine
et de la B-Iactoglobuline
98
5.4.2.1 Mécanisme de dénaturation thermique des
protéines du lactosérum en mélange
99
5.4.2.2 Influence du NaCl, du lactose et du glycérol sur
l'hydratation des protéines et la structure de l'eau ........ 101
5.4.2.3 Influence du NaCI, du lactose et du glycérol sur la
structure des protéines du lactosérum
102
5.5
Conclusion
103
5.6
Références bibliographiques
103
5.7
Tableaux et figures
105

---

xi
CHAPITRE 6:
RELATION ENTRE LES PROPRIÉTÉS THERMIQUES
DES PROTÉINES DE LACTOSÉRUM ET LEUR GÉLIFICATION
EN SOLUTION AQUEUSE ET DANS LE FROMAGE FONDU À
TARTINER
110
6.1
Résumé
110
6.2
Introduction
111
6.3
Matériel et méthodes
112
6.3.1
Fabrication des fromages, des solutions protéiques, des gels
et méthodes d'analyses
112
6.3.2
Analyses statistiques
112
6.4
Résultats et discussion
112
6.5
Conclusion
115
6.6
Références bibliographiques
116
6.7
Tableaux
117
CHAPITRE 7: CONCLUSION GÉNÉRALE
120

---

xii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2.1 :
Liste des ingrédients des fromages expérimentaux et leurs origines
Tableau 2.2:
Formulation des ingrédients variables des fromages fondus
expérimentaux (kg/15 kg de fromage)
Tableau 2.3:
Caractéristiques de composition et Aw des fromages fondus à
tartiner après 2 semaines de conservation.
Tableau 2.4:
Effet du sel, lactose et glycérol sur l'Aw des
fromages
expérimentaux: résultats de l'analyse de variance.
Tableau 2.5:
Équations de régression reliant l'Aw à la composition en
humectants des fromages fondus à tartiner expérimentaux.
Tableau 3.1:
Composition chimique finale et pH des fromages fondus à tartiner.
Tableau 3.2:
Valeurs des paramètres rhéologiques et d'indices de couleur des
fromages fondus à tartiner
Tableau 3.3:
Résultats des analyses de variance des données de tartinabilité, de
texture, du pH et de couleur des fromages fondus à tartiner
expérimentaux.
Tableau 3.4:
Equations de régression reliant la tartinabilité et la texture aux effets
significatifs des humectants.
Tableau 4.1:
Composition chimique du CPL de l'étude et contribution à la
composition finale des solutions protéiques expérimentales.

---

xill
Tableau 4.2:
Quantités de NaCl, de lactose, de glycérol et d'eau requises pour la
préparation des solutions expérimentales à 10% de protéines du
lactosérum (sur une base de calcul de 300g).
Tableau 4.3:
Valeurs moyennes des paramètres de texture et de capacité de
rétention d'eau (CRE) des gels en fonction des concentrations en
NaCl, lactose et glycérol dans le produit final.
Tableau 4.4:
Résultats d'analyses de variance effectuées sur les paramètres de
texture et la capacité de rétention d'eau des gels.
Tableau 4.5:
Equations de régression reliant les paramètres mesurés sur les gels
à leurs concentrations finales en sel, lactose et glycérol.
Tableau 5.1:
Effet de la concentration en NaCl, en lactose et en glycérol sur la
température et l'enthalpie de dénaturation de la 8-lactoglobuline et
de l'a-lactalbumine en mélange.
Tableau 5.2:
Analyses de variance réalisées sur les données de température et
d'enthalpie de dénaturation de l'a-La et de la 8-lg en présence de
NaCl, de lactose et de glycérol dans des solutions à 10% de
protéines du lactosérum.
Tableau 5.3:
Équations de prédiction de la température de dénaturation de l'a-La
et de la 8-lg en mélange à partir des concentrations de sel, de
lactose et de glycérol de la solution protéique.
Tableau 6.1:
Propriétés
thermiques
des
protéines
du
lactosérum
et
caractéristiques rhéologiques et de rétention d'eau des gels et des
fromages fondus à tartiner en fonction des concentrations de sel, de
lactose et de glycérol.
Tableau 6.2:
Relation entre les propriétés thermiques des protéines du
lactosérum et les caractéristiques rhéologiques et de rétention
d'eau des gels et des fromages fondus à tartiner.

---

xiv
LISTE DES FIGURES
Figure 3.1:
Effet du sel et du glycérol sur la fermeté des fromages fondus à tartiner
pour une concentration en lactose de 6,35%.
Figure 3.2:
Effet du sel et du glycérol sur le seuil d'écoulement des fromages
fondus à tartiner pour une concentration en lactose de 6,35%.
Figure 3.3:
Effet du sel et du glycérol sur l'évolution de la viscosité apparente des
fromages fondus à tartiner pour une concentration en lactose de
6,35%.
Figure 3.4:
Effet du sel et du lactose sur l'évolution de la viscosité apparente des
fromages fondus à tartiner.
Figure 3.5:
Relation entre les logarithmes de seuil d'écoulement et de viscosité
apparente des fromages fondus à tartiner.
Figure 4.1:
Chromatogramme HPLC de caractérisation des fractions protéiques du
CPL de l'étude..
Figure 4.2:
Effet du sel et du glycérol sur la fermeté des gels de protéines de
lactosérum pour une concentration de lactose de 3.72%.
Figure 4.3:
Effet du sel et du lactose sur la force de rupture des gels de protéines
de lactosérum.
Figure 5.1:
Thermogramme de DSC pour une solution à 10% de protéines de
lactosérum en mélange en présence de lactose à une concentration de
3,72%.

---

CHAPITRE 1
INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1
Le lactosérum
Produit dérivé de l'industrie fromagère et caséinière, le lactosérum ou petit-lait de
fromage est un liquide jaunâtre obtenu après séparation par précipitation des
caséines du lait.
De grandes quantités sont produites à travers le monde.
La
fabrication d'une tonne de fromage ou de caséine génère 8 ou 25 tonnes de
lactosérum, respectivement. En 1980, pour chaque tonne de lactosérum de caséine
produite, on comptait 15 tonnes de lactosérum de fromage (Marshall, 1982). La
production mondiale totale de lactosérum de l'ordre de 85 millions de tonnes en
1983 atteindrait les 110 millions de tonnes en 1991 à raison d'un accroissement
annuel de 3% (Zall, 1984). Les principaux producteurs de lactosérum sont les pays
en développement avec 29,2% de la production mondiale, suivis des pays de la
CEE (27,2%), des USA (16,7%) et de l'ancienne URSS (14,5%) (Zall, 1984). Au
Canada, la production de lactosérum, représentant 1,3% de la production mondiale
est surtout concentrée au Québec, où il s'en produit 2600 tonnes par jour, soit les
2/3 de la production canadienne (Rolland, 1984).
Pendant longtemps le lactosérum a été considéré comme un résidu. Les unités de
fabrication fromagère disséminées un peu partout en régions rurales n'utilisaient
qu'une partie de ce produit pour l'alimentation porcine, le reste étant soit épandu
dans les champs. soit déversé dans les rivières. Le rejet dans la nature d'environ
50% de la production mondiale de lactosérum engendrait de sérieux problèmes de
pollution, 1000 1 de lactosérum ayant en moyenne une demande biochimique

---

2
d'oxygène (D80) élevée, de 80,000 ppm, soit l'équivalent d'un pouvoir polluant de
400 personnes (Marshall, 1982; Maubois, 1982). Un tel gaspillage de produit et la
pollution qui en résulte proviennent d'une attitude peu enthousiaste de l'industrie
laitière vis à vis du développement de produits de protéines de lactosérum, en
partie pour des raisons économiques et législatives. Ce n'est que récemment, avec
un accroissement élevé des frais de disposition de produit, résultant de
l'augmentation de la production de lactosérum (suite au regroupement amorcé dans
les années 50 des unités fromagères de plus en plus importantes), qu'une nouvelle
attitude a été adoptée. Ce fait, conjugué aux pressions environnementalistes de
plus en plus fortes exercées à partir des années 1960, a amené l'industrie laitière à
se préoccuper de la valorisation du rejet de lactosérum. Celle-ci, dans un premier
temps, entreprit de redistribuer une partie de son lactosérum aux éleveurs pour
l'engraissement des porcs et à produire de la poudre de lactosérum de bonne
qualité (Malige, 1982). Par la suite, elle opta pour le fractionnement du lactosérum
afin de valoriser le lactose, d'une part, et la fraction protéique, d'autre part, en
regard à la demande mondiale croissante en protéines.
Les protéines de
lactosérum représentent, en fait, une fraction de haute valeur dans l'industrie des
composants du lactosérum (Alais, 1984).
Pour de nombreux usages, selon cet
auteur, l'emploi des concentrés de protéines est préférable à celui du lactosérum
brut.
Ce nouvel intérêt pour les protéines de lactosérum a conduit à certains
développements technologiques, telle la précipitation des protéines à la chaleur et
en milieu acide afin d'en faire un fromage de lactosérum le Ricotta. Par le procédé
"Centriwhey", les protéines pouvaient être séparées et réajoutées au lait destiné à
la fabrication fromagère dans le but d'accroître le rendement fromager.
Les
protéines ainsi récupérées, grâce à leur thermocoagulation au point isoélectrique
n'étaient malheureusement pas solubles et présentaient des propriétés
fonctionnelles limitées, alors que, dans plusieurs utilisations des protéines du
lactosérum, on a de plus en plus recours aux protéines solubles, peu ou pas
modifiées par la chaleur (Malige, 1982). Aussi, c'est avec le développement des
technologies à membrane, notamment grâce aux possibilités offertes par
l'ultrafiltration permettant de récupérer de façon économique les protéines tout en
minimisant leur modification, qu'une véritable industrie basée sur la transformation
du lactosérum s'est créée et connait dès lors une croissance rapide (Maubois,
1982).

---

3
Fonctionnant comme un tamis, vis-à-vis des éléments macromoléculaires du
lactosérum, la technique d'ultrafiltration permet de séparer le lactosérum soumis à
une pression modérée en deux liquides distincts: le perméat et le rétentat.
Le
perméat, représentant la fraction ayant traversé la membrane contient les éléments
dissous du lactosérum dont le lactose, les sels minéraux et l'azote non-protéique,
de taille moléculaire inférieure au diamètre des pores de la membrane.
Les
éléments de taille supérieure, essentiellement les protéines, se retrouvent
concentrés dans le rétentat, la fraction liquide n'ayant pas traversé la membrane.
En général, la composition d'un lactosérum dépend de celle du lait de départ et des
méthodes mises en oeuvre pour son obtention (Marshall, 1982). Par exemple, on
obtient un lactosérum doux de faible acidité (pH minimal de 5,6), lorsque le lait, lors
de la fabrication fromagère ou caséinière, a été coagulé par activité enzymatique de
la présure. Au contraire, l'addition d'acide au lait à la place de la présure donne un
lactosérum acide de pH inférieur ou égal à 5,1 (Marshall, 1982). Une comparaison
des deux types de lactosérum montre que la teneur en solides totaux, en protéines
et en lactose est plus élevée pour le lactosérum doux, mais qu'en revanche, un
lactosérum acide possède une teneur en sel minéraux
plus élevée (Marshall,
1982).
1.2. Les protéines du lactosérum
En moyenne, un litre de lactosérum renferme environ 65g de solides composés
essentiellement de lactose (70-80%), des minéraux (9%) et des protéines
demeurées en solution dans le sérum du lait après la précipitation des caséines
(9%).
Ce groupe de protéines constitue la fraction des protéines du lait
communément désignée par le terme de "protéines du lactosérum". Elle représente
15 à 22% des protéines totales d'un lait bovin. Les constituants majeurs sont la p-
lactoglobuline (f3-lg) (55 à 65%), l'a-lactalbumine (a-La) (15 à 25%), les
immunoglobulines (10 à 15%), la sérumalbumine bovine (SAS) (5 à 6%), ainsi que
les protéose-peptones issus de la dégradation de la f3-caséine (10 à 20%). A des
concentrations plus faibles, on y retrouve également de la p-caséine (1 à 2%), de
même que diverses autres protéines telles la lactoferrine, la lactolline et 1a
transferrine sanguine (Marshall, 1982, Marshall et Harper, 1988).
En soumettant un lactosérum à l'ultrafiltration on obtient un concentrat de protéines
de lactosérum (CPL) qui, après séchage possède une teneur en protéine

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4
dépendante du facteur de concentration, et d'un certain nombre d'autres
paramètres, telles la composition protéique initiale, l'application d'un prétraitement
(le plus souvent la clarification destinée à l'élimination de la matière grasse d'un
lactosérum doux) ou celle d'un traitement supplémentaire, du genre diafiltration
visant à purifier davantage les protéines. L'appellation de CPL englobe ainsi des
produits différant de par leur composition et conséquemment, par leur valeur
nutritive et leurs propriétés fonctionnelles.
Melachou ris (1984) définit un CPL
comme étant un produit dérivé du traitement d'un lactosérum et composé d'au
moins 25% de protéines. La teneur en protéines des CPL peut aller de 25 à plus de
95% et celle des autres constituants, de l'ordre de 0,2 à 10% pour matière grasse,
de 0,1 à 15% pour les minéraux et de 0 à 6% pour le lactose (Marshall et Harper,
1988). Pour des CPL obtenus par ultrafiltration, on observe généralement une
augmentation de la valeur nutritive et de la fonctionnalité par unité de poids du
concentrat, lorsque la teneur en protéine de celui-ci augmente (Melachouris, 1984;
Marshall et Harper, 1988). Cependant, lorsque la teneur protéique du CPL est
élevée, le prix de revient par unité de protéine augmente et conséquemment, le
marché potentiel du produit rétrécit (Melachouris, 1984). Bien équilibrées, quelle
que soit la protéine de référence choisie (oeuf, F.A.O. - W.H.O.), les protéines de
lactosérum suscitent un grand intérêt du point de vue nutritionnel grâce à leur
richesse en lysine, tryptophane et en acides aminés soufrés leur conférant une
valeur biologique élevée (Cheftel et Lorient, 1982; Maubois, 1982).
Contrairement aux protéines issues d'un traitement de thermocoagulation, les
protéines non dénaturées des CPL obtenus par ultrafiltration sur membrane
présentent d'excellentes propriétés fonctionnelles.
Par propriété fonctionnelle ou
fonctionnalité,
selon les auteurs, on entend toute propriété (propriétés
nutritionnelles excluses ou incluses) d'une substance ayant une in'f1uence sur son
utilisation (Pour El, 1981).
Les diverses propriétés fonctionnelles des CPL,
l'influence des traitements technologiques, de même que des exemples de
systèmes alimentaires pour lesquels ces propriétés sont recherchées, ont été
rapportés par divers auteurs (de Wit et de Boer, 1975; Maubois, 1982; Marshall et
Harper, 1988). Certaines de ces propriétés fonctionnelles sont importantes pour
une application donnée; toutefois, les propriétés de gélification, de dénaturation,
d'émulsification, de moussage, d'absorption d'eau et de solubilité sont considérées
comme étant les plus critiques du fait de leurs effets prononcés sur un grand

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5
nombre d'applications (Cheftel et Lorient, 1982;
Maubois, 1982;
Melachouris,
1984; Marshall et Harper, 1988).
Concernant la solubilité, les protéines du lactosérum présentent une singularité par
rapport à d'autres protéines utilisées en alimentation, du fait de leur solubilité sur
toute l'échelle de pH. Dans un sens strict, toutefois, ces protéines précipiteraient à
leur pH isoélectrique, mais grâce à leur capacité d'hydratation élevée, celles-ci se
résolubiliseraient rapidement, d'où leur solubilité en milieu acide (Melachouris,
1984). Selon Marshall et Harper (1988), la solubilité des CPL est d'une importance
directe pour les boissons et indirecte pour d'autres applications alimentaires, cette
propriété fonctionnelle étant reliée à d'autres propriétés comme le moussage, la
gélification, l'émulsification et l'absorption d'eau.
Cependant, la commercialisation des CPL ne s'est pas avérée une chose facile.
Commercialisés sous l'étiquette d'ingrédients protéiques, les CPL entrent en
compétition avec d'autres sources protéiques dont l'albumine d'oeUf, la caséine et
les protéines de soja. A fonctionnalité égale il n'est pas assuré que le fabriquant
alimentaire opte pour le CPL, mais plutôt pour la source protéique la moins chère.
Afin d'assurer la commercialisation des CPL, un aspect important auquel doivent
faire face les producteurs de lactosérum, touche le développement d'applications
alimentaires pour les différents CPL (Melachouris, 1984). Selon cet auteur, il faut
développer des CPL spécifiques correspondant à des applications alimentaires
précises.
Etant donné les nombreux facteurs impliqués dans le traitement du
lactosérum, lesquels entraînent des variations au niveau de la fonctionnalité du
CPL, il est peu probable, sinon invraisemblable de développer une qualité unique
de CPL pouvant être utilisée économiquement pour plusieurs applications
alimentaires. Il reviendrait aux producteurs de lactosérum de déterminer pour un
CPL donné le marché et les applications spécifiques et par la suite, d'établir des
spécifications pour ce CPL (Melachouris, 1984). A titre d'exemple, si l'évaluation en
systèmes modèles des propriétés fonctionnelles d'un CPL met en évidence
d'excellentes propriétés émulsifiantes du produit, alors un tel CPL pourra être utilisé
pour la stabilisation des émulsions du type mayonnaise.

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6
1.3 Gélification des protéines du lactosérum
De structure globulaire, les protéines du lactosérum une fois chauffées subissent un
déplissement de leur structures secondaire et tertiaire, plus ou moins marqué selon
la température et le pH. Suite à un tel déplissement, il se produit des phénomènes
d'agrégation conduisant à l'obtention d'un précipité, d'un coagulum ou d'un gel
dépendamment de plusieurs facteurs. Par exemple, lorsqu'elles sont chauffées en
solution diluée, à une concentration en protéines inférieure à 5% et dans une zone
de pH comprise entre pH 4 et 6, les protéines du lactosérum déplissées sont
immédiatement soumises à des réactions d'agrég.ation et de précipitation,
survenant à 65°C pour les immunoglobulines, vers 70-80oe pour la ~-Ig et la SAS
(sérum albumine bovine) et vers 95°C pour a-La. En solution à une concentration
protéique plus élevée, supérieure à 5 ou 7%, celles-ci forment un coagulum ou un
gel à partir de 70-85°C (Cheftel et Lorient, 1982; Marshall et Harper. 1988). Un
coagulum granuleux résultant d'une agrégation très rapide. plutôt qu'un gel
homogène se produit dans la zône de pH isoélectrique. tandis qu'à un pH éloigné
de cette zone, les réactions d'agrégation moins rapides favorisent un équilibre entre
les interactions protéine-eau et protéine-protéine responsables de la formation d'un
réseau protéique tridimensionnel ordonné, caractérisant un gel protéique
(Hermansson et Akesson, 1975a,b; de Wit, 1981; Cheftel et Lorient, 1982; Mulvihill
et Kinsella. 1987). Des gels viscoélastiques d'apparence translucide à opaque et
thermoirréversibles impliquant la formation de ponts disulfure intermoléculaires au
cours de l'agrégation peuvent être formés par les protéines du lactosérum.
Dans les aliments, la gélification protéique est généralement utilisée pour améliorer
l'absorption d'eau, l'épaississement et la liaison des particules, la stabilisation des
émulsions et des mousses. Du fait de certaines similitudes avec les gels de blanc
d'oeuf, les CPL ont été proposés en tant que remplaçants potentiels de l'albumine
d'oeuf dans certains aliments, afin de contrer la hausse du prix des oeufs (To etgl,
1985).
La capacité d'une protéine à former après un traitement thermique un
réseau de gel retenant l'eau et d'autres ingrédients protéiques est très recherchée
pour de nombreux aliments et pour le développement de nouveaux produits
(Schmidt, 1981). De nombreux auteurs ont rapporté la mise à profit des propriétés
gélifiantes des protéines de lactosérum pour la fabrication de desserts gélifiés, de
produits carnés (viande hachée de type hamburger, saucisses) et fromagers
(Cheftel et Lorient, 1982; de Wit, 1988).

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7
Les protéines du lactosérum sont en particulier employées dans la fabrication des
fromages fondus à tartiner. En général, le fromage fondu à tartiner est un aliment
complexe habituellement obtenu en mélangeant une ou plusieurs variétés de
fromages naturels (cheddar, suisse, brick, mozzarella) avec des agents émulsifiants
(les sels de fonte), de nombreux ingrédients optionnels incluant des ingrédients
laitiers et de l'eau lui conférant une certaine plasticité (Kosikowski, 1982).
Le
produit final caractérisé par une teneur en eau, un pH et une activité de l'eau (Aw)
élevés et conditionné dans des récipients fermés hermétiquement, présente des
risques d'activité microbienne et spécialement celle des clostridies et d'autres
microorganismes anaérobes. Les risques sont d'autant plus grands que la cuisson
du mélange pendant 3 minutes est effectuée entre 65°C et 85°C (Rayan et &,
1980). Un tel traitement thermique modéré, comparable à une pasteurisation
appliquée à la préparation fromagère, est insuffisant pour détruire les entérotoxines
des staphylocoques et les spores clostridiennes (Kautter et gl, 1979; Ibrahim, 1982;
Warburton et gL, 1986). L'Aw étant un paramètre important pour l'activité
microbienne (incluant la reproduction, la production de toxine et la survie des
microorganismes), divers composés capables de la contrôler (dont des sels et
divers sucres) peuvent être introduits dans la formulation des fromages fondus à
tartiner (Bone, 1973; Haas et gL 1975; Sioan et Labuza, 1975). Cependant, les
humectants utilisés dans les aliments pour diverses fonctions dont l'abaissement de
l'Aw exercent, par ailleurs, une influence importante sur la stabiHté thermique des
protéines et les caractéristiques des gels obtenus.
Les protéines de lactosérum
présentes dans ces fromages, de par leurs propriétés gélifiantes, jouent un rôle
important au niveau de la texture finale et plus particulièrement de la tartinabilité,
facteur conditionnant en bonne partie l'acceptabilité du
produit par le
consommateur (Tanaka et gl, 1971; Matthews, 1984; Patart, 1984; Awadhwal et
Singh, 1985).
Malheureusement, malgré leurs qualités nutritionnelles et leur grande disponibilité,
l'utilisation des protéines de lactosérum par l'industrie alimentaire demeure faible
(Melachouris, 1984; Kohnhorst et Mangino, 1985; Morr, 1985; Peltonen-Shalaby
et Mangino, 1986;
Mangino et aL, 1987).
Hormis la présence sur le marché
d'autres produits protéiques concurrentiels, l'utilisation des CPL dans les systèmes
alimentaires est également limitée pour des motifs de variabilité de la fonctionnalité,
dont la source n'est pas clairement identifiée. De nombreux auteurs ont rapporté
la présence sur le marché de CPL avec des comportements fonctionnels

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8
variables. Cheftel et Lorient (1982), Melachouris, (1984), Schmidt et gL, (1984),
Schmidt et Morris (1984), Cheftel et gL, (1985), Mulvihill et Kinsella (1987) et plus
récemment Paulsson et gl (1990) ont revu les divers facteurs influençant la capacité
de formation de gels de CPL, les principaux étant la composition du lactosérum
initial, les procédés impliqués lors de la fabrication des CPL et les conditions de
préparation des gels (pH, force ionique et type d'ions, température et conditions de
chauffage, état de la protéine et concentration de celle-ci, présence de certains
composés dont les agents humectants). Cependant, les interrelations entre ces
nombreux facteurs, de même que leurs influences sur la fermeté et d'autres
propriétés des gels ne sont pas entièrement élucidées. A ces facteurs, peuvent
s'ajouter l'absence de méthodes standardisées pour l'évaluation de la
fonctionnalité protéique.
Divers instruments sont utilisés pour déterminer les
caractéristiques des gels (module d'élasticité, seuil d'écoulement, temps de
relaxation, etc.).
Des tests empiriques de pénétration ou de compression sont
également effectués pour mesurer la fermeté, la résistance à la rupture, la cohésion
ou l'adhésion des gels. Les résultats rapportés dans la littérature dépendent ainsi
de l'appareillage et des conditions de mesure.
En plus de présenter une
fonctionnalité variable, des CPL ayant démontré une bonne fonctionnalité en
solutions aqueuses n'ont pas toujours bien performé, une fois incorporés dans des
systèmes alimentaires plus complexes.
Plusieurs auteurs (Harper, 1982; Morr,
1985; Peltonen-Shalaby et Mangino, 1986; Mangino et gL, 1987) ont d'ailleurs
admis que la sous-utilisation des CPL dans les systèmes alimentaires était
largement attribuable à la difficulté de l'industrie à fabriquer des produits
alimentaires comportant des protéines de lactosérum avec des caractéristiques
constantes. Une fois introduites dans des systèmes alimentaires comme le pain, les
émulsions carnées ou les fromages fondus à tartiner, le comportement des
préparations protéiques devient difficile à prédire et à interpréter du fait des
interactions possibles de nombreux paramètres de l'aliment (parmi lesquels la
présence d'autres fractions protéiques, l'environnement ionique, le pH, l'Aw)
justifiant les restrictions de certains auteurs relatives aux transferts des résultats
obtenus avec des systèmes modèles aux aliments plus complexes (Evans, 1982;
Morr, 1982; de Wit, 1989).

---

9
1.4 Dénaturation thermique des protéines de lactosérum
En général, la dénaturation thermique d'une protéine est difficile à prédire en raison
de nombreux facteurs susceptibles de l'influencer.
Dans le cas plus précis des
protéines du lactosérum, les difficultés de prédiction et d'interprétation sont plus
élevées, dues au comportement complexe de ces protéines lors des traitements
thermiques, attribuable selon de Wit (1988) à leur grande sensibilité thermique. Les
traitements thermiques appliqués aux protéines de lactosérum, en particulier lors
des opérations de pasteurisation, de stérilisation ou de séchage, provoquent une
dénaturation, laquelle rend difficile toute standardisation de la fonctionnalité des
CPL.
Lorsqu'une protéine est chauffée. les liaisons maintenant ses structures secondaire
et tertiaire s'affaiblissent et se rompent à une certaine température. Cette rupture de
liaisons noncovalentes ainsi que la modification de la structure protéique résultante
constituent la dénaturation (Mangino, 1984). Le changement de la conformation
des protéines entraîne des modifications de leur comportement fonctionnel dont
l'amplitude dépend généralement des mêmes paramètres que ceux de la
gélification. Dans l'aliment, des modifications de la structure de certaines protéines
présentes peuvent se produire suite à une participation de celles-ci à des
interactions avec d'autres ingrédients ou par le biais de l'influ~nce des facteurs
d'environnement du système alimentaire (Marshall et Harper, 1988).
La p-
lactoglobuline (P-Ig) et l'a-lactalbumine (a-La), fractions protéiques dominantes
dans le lactosérum, jouent un rôle primordial dans la fonctionnalité du CPL
(Schmidt et Morris, 1984). La dénaturation thermique de la p-Ig se produit à 76°C et
celle de lia-La à 64°C (de Wit et Klarenbeek, 1984). Cependant, l'a-La est dotée
d'une capacité de renaturation élevée, laquelle a entraîné des confusions
d'interprétation au niveau de la stabilité thermique de cette protéine chez de
nombreux auteurs. La renaturation exprime la capacité d'une protéine à revenir à
sa forme originale après que l'agent perturbant ait été enlevé, tandis que la stabilité
thermique exprime sa capacité de résister à un changement de structure ou de
conformation lors du chauffage (Wright, 1982).
Au cours de la dénaturation
thermique, les protéines de sérum subissent un déroulement de leur conformation
globulaire compact conduisant à une conformation au hasard. A certains niveaux
de déroulement, des interactions protéine-protéine représentant la principale cause
de l'agrégation des protéines s'établissent suite au découvrement des groupements

---

10
réactifs des protéines, spécialement les groupements hydrophobes. En solution, la
structure d'une protéine dépend d'un équilibre précaire entre les interactions
protéine-protéine et protéine-solvant (Wright, 1982). Tout facteur influençant un
côté ou l'autre de cet équilibre peut significativement altérer la stabilité de la
molécule protéique. La stabilité thermique de l'a-La et de la ~-Ig est influencée par
de nombreux facteurs parmi lesquels la température, le pH, la force ionique et le
type d'ions, la concentration en protéine, la présence de sucres ou de polyols
(Rüegg et al., 1977; Varunsatian et al., 1983; Park et Lund, 1984).
Le déplissement des protéines globulaires s'accompagne généralement d'une
absorption de chaleur (de Wit, 1988). Cet effet endothermique peut être détecté par
calorimétrie différentielle à balayage (OSC), une technique quantifiant la différence
d'énergie requise pour maintenir un échantillon et une référence donnée à la même
température pendant qu'on élève celle-ci progressivement à une vitesse
programmée.
Tout changement induit par la chaleur survenant au niveau de
l'échantillon est alors enregistré en tant que flux de chaleur différentiel en fonction
du temps ou de la température (linéairement reliés) et représenté par un pic sur le
thermogramme.
L'intégration de l'aire sous la ligne de base du pic fournit une
valeur de la variation d'enthalpie associée au processus de dénaturation (Wright,
1982; de Wit, 1988). L'analyse de OSC offre également la possibilité de mesurer
les cinétiques et les températures de dénaturation des protéines, de même que
leurs capacités calorifiques et de plusieurs autres paramètres thermodynamiques.
Pour plus de détails, on peut se référer aux travaux de Wright (1982) et de de Wit
(1988). Appliquée à l'étude du comportement protéique dans les aliments, le OSC
permet d'acquérir non seulement des données fondamentales sur les
caractéristiques de dénaturation des protéines, mais aussi des informations sur des
aspects du comportement des protéines reliés directement à la qualité de l'aliment
ou à une étape du procédé (Wright, 1982).
Réalisées sous des conditions
particulières (basse vitesse de chauffage, faible concentration protéique, valeurs
extrêmes de pH) afin d'éliminer ou de minimis'er l'influence de certains facteurs
compliquant l'étude de la dénaturation des protéines (tels les phénomènes
d'agrégation protéique et de dénaturation irréversible), les études de OSC
fourniraient de "vraies" données thermodynamiques portant plus particulièrement
sur des aspects essentiellement théoriques.
Au contraire, les études reliées au
comportement des protéines dans le contexte de l'aliment sont réalisées dans des

---

I l
conditions avoisinant ou pouvant être facilement reliées à l'aliment ou aux
conditions de fabrication.
Le comportement thermique des protéines de lactosérum a déjà fait l'objet de
nombreuses études. Celles-ci ont porté, pour la plupart, sur le comportement des
protéines chauffées individuellement. Les protéines chauffées individuellement
donnent des résultats différents de ceux obtenus en mélange, du fait d'interactions
avec les ingrédients (Rüegg et gl, 1977). Peu de travaux ont été consacrés à
l'étude des protéines de lactosérum en mélange dont ceux de de Wit et gL, 1983;
Varunsatian et gL 1983; de Wit et Klarenbeek, 1984; Patel et gh, 1990. En dépit
d'un nombre considérable d'études biochimiques et physicochimiques réalisées sur
les protéines de lactosérum, il est encore difficile de relier avec précision les
propriétés fonctionnelles à la structure de ces protéines (Cheftel et Lorient, 1982).
De plus. il manque de données de corrélation entre la fonctionnalité protéique en
systèmes modèles et dans des systèmes alimentaires plus complexes (Schmidt et
gh, 1984).
1.5 Origine et objectifs de l'étude
Malgré
leu rs
excellentes
propriétés
nutritionnelles.
fonctionnelles
et
organoleptiques, de même que leur grande disponibilité, l'utilisation par l'industrie
alimentaire des protéines du lactosérum demeure remarquablement faible, en
raison de la difficulté de l'industrie alimentaire à fabriquer des produits avec des
propriétés fonctionnelles constantes. Les sources de cette variabilité ont été reliées
principalement, au comportement complexe des protéines de lactosérum lors des
traitements thermiques, résultant de leur grande sensibilité à la chaleur (de Wit,
1988). L'emploi des protéines de lactosérum dans les produits alimentaires requiert
une connaissance précise de leur comportement dans diverses conditions
thermiques et chimiques.
Ceci inclut à la fois les techniques utilisées pour la
préparation des protéines et les propriétés fonctionnelles mises en jeu dans
l'aliment, de même que leur dépendance avec la composition du milieu et les
procédés utilisés pour la préparation de cet aliment. En particulier, une information
détaillée sur l'état de dénaturation ou d'altération de la structure des protéines induit
par diverses étapes de procédé, est importante pour prédire leur fonctionnalité (de
Wit.1989).

---

12
La plupart des études publiées sur les propriétés fonctionnelles des protéines de
lactosérum ont été réalisées avec des solutions aqueuses (Delaney, 1976). Ceci
complique, sinon rend spéculative toute extrapolation des résultats aux aliments
(Kinsella, 1976;
Cheftel et gL, 1982).
De plus, l'absence de techniques
standardisées pour la détermination et l'évaluation de telles propriétés limite
l'utilisation efficace des informations acquises (de Wit, 1988). Certains auteurs
(Evans, 1982; Morr, 1985) ont souligné que la relation entre les bases physico-
chimiques et les propriétés fonctionnelles des protéines de lactosérum,
lorsqu'influencée par les facteurs de composition et de procédé était encore peu
comprise et que des recherches additionnelles étaient requises pour déterminer
cette relation, aussi bien dans des systèmes modèles, que dans des systèmes
alimentaires commerciaux. Le développement de modèles permettant de prédire
les caractéristiques des gels de protéines de lactosérum en fonction de leur
composition pourrait entraîner un accroissement de l'utilisation des CPL dans les
aliments (de Wit, 1984;
Kohnhorst et Mangino, 1985;
Peltonen-Shalaby et
Mangino, 1986). Dans ce contexte et dans le but de déterminer la relation entre la
structure des protéines de lactosérum et leurs propriétés fonctionnelles sous
l'influence de certains facteurs de composition (tels les humectants ajoutés dans les
aliments pour le contrôle de l'Aw), le présent travail est consacré à l'étude des effets
du sel, du lactose. du glycérol et de leurs interactions sur la dénaturation thermique
de ces protéines et sur leur gélification en solutions aqueuses et dans des fromages
fondus à tartiner.
Dans un premier temps, nous avons fabriqué des fromages fondus à tartiner
formulés avec un concentrat de protéines de lactosérum commercial présentant un
faible niveau de dénaturation et une solubilité élevée. dans lesquels l'Aw a été
contrôlée à l'aide de combinaisons de NaCI, de lactose et de glycérol. Nous avons
évalué les conséquences de l'addition des humectants et de leurs interactions sur
la texture finale des produits à laquelle participent les protéines de lactosérum
agissant principalement par leurs propriétés gélifiantes.
Par ailleurs, nous avons déterminé les effets de ces mêmes humectants et de leurs
interactions sur les caractéristiques rhéologiques et la capacité de rétention d'eau
des gels formés par les protéines de lactosérum en solutions aqueuses simples.
Les effets de ces facteurs sur les propriétés thermiques des protéines de lactosérum
en solution ont également été analysés à l'aide de la technique de calorimétrie

---

13
différentielle à balayage afin d'explorer la relation existant entre la dénaturation
thermique des protéines et leurs propriétés gélifiantes. Nous avons enfin tenté de
relier les données obtenues en système alimentaire complexe à celles recueillies
lors de l'exploration du système modèle. Ainsi. les caractéristiques de texture et de
tartinabilité des fromages fondus à tartiner ont été mises en parallèles à la fois avec
les propriétés thermiques des protéines de lactosérum en solution et les
caractéristiques rhéologiques et de rétention d'eau des gels formés par ces
solutions protéiques. Les corrélations entre ces mêmes propriétés thermiques et le
comportement de gélification des protéines de lactosérum en simples solutions
aqueuses et au sein des fromages fondus à tartiner ont également été examinées.

---

14
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18
CHAPITRE 2
EFFET DES COMBINAISONS DE SEL, LACTOSE ET GLYCÉROL SUR
L'ACTIVITÉ DE L'EAU (AW) DES FROMAGES FONDUS À TARTINER.
2.1 Résumé
Le contrôle de l'activité de l'eau dans les fromages fondus à tartiner est
habituellement assuré par le NaCI ajouté lors de la formulation. Dans cette étude,
l'Aw a été contrôlée à l'aide de combinaisons de plusieurs humectants répartis
dans les échantillons de fromage selon un plan factoriel complet 33: NaCI (DOlo,
1,5% et 3%, p/p) , lactose (DOlo, 3% et 5%, p/p) et glycérol (DOlo, 5% et 1DOlo, p/p). L'Aw
a varié de 0,965 (échantillon sans humectant ajouté) à 0,786 (échantillon
renfermant le plus d'humectants). Hormis le témoin (sans addition d'humectant),
seulement 4 échantillons pouvaient présenter des risques de développement des
clostridies avec des valeurs d'Aw supérieures à l'Aw limite (0,95) pour la croissance
de Clostridium. Une équation de régression reliant l'Aw des fromages aux facteurs
significatifs (p < 0,001) de l'Anova (effets linéaires des 3 humectants étudiés et
interaction sel x glycérol) a été calculée (R2> 0,96 et p < 0,01). Les coefficients de
cette équation ont permis de classer les humectants selon leur importance sur la
dépression de l'Aw (sel> glycérol > lactose) et de quantifier l'importance de l'
interaction significative entre le sel et le glycérol dans les fromages fondus à
tartiner.

---

19
2.2
Introduction
Caractérisés par une teneur en eau (44% à 60%), un pH (pH> 5,2) et une activité
de l'eau relativement élevée (Aw supérieure à 0,97 selon Rüegg et Blanc, 1981),
les fromages fondus à tartiner ont été impliqués à plusieurs reprises dans des cas
d'intoxications alimentaires associés à la présence de botuline dans le produit
(Kautter et aL, 1979; Leung et aL, 1976). Le traitement thermique modéré (65°C et
plus) comparable à une pasteurisation qui est appliqué à la préparation fromagère
de fondu est insuffisant pour détruire les entérotoxines des staphylocoques et les
spores clostridiennes (Warburton et aL, 1986; Kautter et al., 1979; Ibrahim, 1982).
Par ce fait, le fromage fondu à tartiner conditionné dans un emballage hermétique
et conservé à température ambiante présente les risques de développement des
sporulés anaérobes, parmi lesquels Clostridium tyrobutyricum, capable de se
développer en présence de lactate (Veisseyre, 1975).
Les circonstances permettant la croissance de Clostridium botulinum et sa
production de toxine dans le fromage fondu à tartiner ont déjà été déterminées mais
sans toutefois clarifier la relation entre ces facteurs et la prévention de la production
de la botuline (Tanaka et al.; 1986, Karahadian et aL, 1985; Leung et aL, 1976;
Kautter et al., 1979; Ibrahim, 1982). Ces circonstances, selon ces auteurs,
dépendent de la variété du fromage, du pH et des quantités d'eau, de NaCl, de
phosphate de sodium ou de citrate de sodium ajoutées au fromage. Or, il est admis
depuis longtemps que l'Aw des aliments influence la reproduction, l'activité
métabolique. la résistance et la survie des microorganismes (Leistner et aL, 1981).
L'Aw représente. en fait, la disponibilité de l'eau nécessaire aux transformations par
voies microbienne, enzymatique et chimique. Elle est définie comme étant le
rapport entre la pression partielle de l'eau d'un produit p et la pression de vapeur
d'eau pure à la même température Po (de Man, 1976; Haas et gL, 1975). La
relation entre l'Aw et l'humidité relative à l'équilibre peut être exprimée par
l'équation suivante:
( 1)
où
P=
pression partielle de l'eau du produit
Po=
pression de vapeur d'eau pure à la même température

---

20
HRE=humidité relative à l'équilibre
L'Aw est habituellement contrôlée par un ou plusieurs humectants capables de lier
l'eau du produit et de conserver une texture plastique et agréable. Dans le fromage
fondu à tartiner, le NaCI est en général ajouté en quantité relativement élevée pour
contrôler l'Aw alors que, pour des raisons de santé, le développement d'aliments à
teneur réduite en sel est de plus en plus encouragé (Karahadian et al., 1985;
Hardy, 1985; Kosikowski, 1982; Barbut et Mittal, 1988). Mais face à la difficulté de
substituer le sel par un autre humectant idéal, une alternative consiste à contrôler
l'Aw de l'aliment à l'aide de plusieurs agents humectants. Selon Haas et al. (1975),
l'utilisation de plusieurs humectants pourrait assurer un avenir prometteur à
beaucoup d'aliments. Ainsi, la présente étude a porté sur le contrôle de l'Aw du
fromage fondu à tartiner par ajout de sel, de lactose et de glycérol. L'objectif visé
était de déterminer l'effet de chaque humectant seul ou en combinaison sur la
dépression de l'Aw du produit.
2.3
Matériel et méthodes
2.3.1
Fabrication des fromages fondus à tartiner expérimentaux
Les fromages expérimentaux ont été fabriqués à la fromagerie Lactantia Ltée
(Victoriaville, Québec). Les ingrédients introduits dans un cutter plurivalent
(Stephan, Hameln, R.F.A.) étaient broyés et homogénéisés. La cuisson à 85°C avec
brassage durait 3 min. dont la dernière sous-vide. Le fromage fondu obtenu était
conditionné en pots de 500g et entreposé au moins 15 jours à 4°C avant les
analyses.
L'origine et la liste des ingrédients entrant dans la composition des
fromages expérimentaux sont présentées au Tableau 2.1. L'eau et les agents
humectants constituaient les ingrédients variables tandis que les autres ingrédients
étaient constants dans tous les échantillons. Les 3 humectants retenus étaient
répartis dans les échantillons de fromage selon un plan factoriel à 3 facteurs et 3
niveaux d'étude: sel (DOlo, 1,5% et 3%, p/p), lactose (DOlo, 3% et 5%, p/p) et glycérol
(0,% 5% et 1DOlo, p/p). La quantité d'agent humectant dans l'échantillon était
calculée pour des recettes de 15 kg en fonction du niveau d'addition de l'humectant
et de sa pureté (glycérol pur à 96%). La quantité d'eau ajoutée dans les fromages
était déterminée en tenant compte de la quantité d'agents humectants, de l'eau
délivrée à l'état de vapeur au cours de la cuisson (15 kg x 0,12) et de celle

---

21
contenue dans le glycérol ajouté (4%, p/p). Cette quantité d'eau pour 15 kg de
produit final était calculée à partir de l'équation suivante:
Eau(kg)=15 x (100 - L % ingrédients fixes - % e~~e la vapeur - L % Humectants secs)
(2)
soit, en utilisant les valeurs du Tableau 2.1 pour le % des ingrédients fixes et la
quantité d'eau apportée par la vapeur:
(% S~I + % lactose + % glycérol x 0,16)
Eau(kg) = 3,915 - 15 x
100
(3)
Les quantités d'humectants et d'eau additionnées pour chaque traitement
expérimental sont présentées au Tableau 2.2.
2.3.2 Analyses physico-chimiques
2.3.2.1
Humidité
La teneur en eau des échantillons de fromages fondu à tartiner et des ingrédients
(beurre de lactosérum et fromage cheddar) a été déterminée en triplicata après
séchage dans un four à vide sous une pression inférieure à 13,3 kPa. Les
procédures 16.259 et 16.231 de l'A.O.A.C. (1984) ont été utilisées respectivement
pour les fromages et le beurre de lactosérum.
2.3.2.2
Aw
L'Aw des fromages fondus à tartiner expérimentaux a été mesurée à 25°C à l'aide
d'un hygromètre Nova-Sina EEJB (Novasina, Zurich) doté de 3 cellules de mesure
d'humidité relative à l'équilibre (HRE). La calibration des cellules, vérifiée toutes les
48 heures avec des solutions saturées de NaCI (Aw = 0,75), de KCI (Aw = 0,85) et
de NH4H2P04 (Aw= 0,95) à 25°C, était effectuée au moyen d'étalons d'humidité de
80% et 95% de Rotronic ag (Zurich, Suisse). Environ 5 g d'échantillon prélevés des
pots de fromage ayant séjourné plus de 24h à température de la pièce étaient
disposés dans des plats appropriés (Novasina) et placés dans les cellules de
mesure. Après un temps d'équilibrage de 2 heures, la valeur obtenue d'humidité

---

22
relative d'équilibre à 25°C est alors divisée par 100 pour exprimer l'Aw du produit.
Les valeurs finales d'Aw rapportées sont les moyennes de 3 répétitions.
2.3.2.3
Lactose et NaCI
Le lactose et le NaCI ont été dosés dans l'échantillon de fromage fondu (témoin)
dans lequel aucun humectant n'a été ajouté. Les teneurs en lactose et en NaCI
(apportées par les ingrédients fixes de la recette) ont été additionnées à celles du
plan expérimental (Tableau 2.2) pour déterminer la concentration totale en lactose
et en NaCI dans les fromages expérimentaux.
Le lactose a été dosé par une
méthode HPLC. Un gramme d'échantillon a été homogénéisé en présence de 9 ml
de H2S04 0,0065 N et l'homogénat a été centrifugé à 12 000 rpm pendant 10
minutes à 4oC. Le surnageant (15pl) était ensuite injecté dans une colonne HPLC
(lon-3000 de Mandel) après filtration sur filtre Millipore (HA 0,45 pm). La teneur en
NaCI a été déterminée à partir de l'analyse du sodium (Na) sur un échantillon de
O,5g au moyen d'un spectrophotomètre d'absorption atomique (Instrumentation
Laboratory 751 Wilmington, M.A.) utilisé en mode émission à 589 nm (AOAC,
1984). La quantité de sodium apportée par le phosphate disodique (2% x 23 x
2/142) et le citrate trisodique dihydraté (0,4% x 23 x 3/294.10) a été retranchée du
% total de sodium pour tenir compte du Na des sels émulsifiants dosé en même
temps que celui du NaCI. La différence obtenue était considérée comme étant le Na
apporté par le NaCI. La teneur en NaCI de l'échantillon témoin était alors calculée
selon l'expression suivante:
% NaCI = (Né\\otal- 0,648 - 0,094) x 5~35
(4)
2.3.3
Analyses statistiques
Les résultats d'Aw des fromages fondus à tartiner expérimentaux ont été analysés à
l'aide du progiciel SAS (SAS, 1985). Une analyse de variance a été effectuée sur
ces résultats et après décomposition en degré simple de liberté, une équation
linéaire multiple a été calculée à partir des effets hautement significatifs pour relier
l'Aw à la composition finale en humectants des fromages (%). Une seconde

---

23
équation de régression a été calculée à partir des valeurs de composition des
fromages fondus transformées en g d'humectant pour 100 g d'eau.

---

24
2.4 Résultats et discussion
Au Tableau 2.3 sont présentées les caractéristiques de composition
des
échantillons de fromage fondu à tartiner après cuisson. Les quantités de sel et de
lactose des échantillons apportées par le fromage cheddar et le beurre de
lactosérum (ingrédients fixes) et déterminées à partir de l'échantillon témoin étaient
respectivement de 0,88% (Sx=O,OS%) et S.35%.(Sx=O,10%) Ces valeurs ont été
ajoutées à celles de la formulation des ingrédients variables (Tableau 2.2) pour
déterminer la composition totale en NaCI et en lactose des fromages
expérimentaux (Tableau 2.3). Les valeurs d'humidité des fromages représentent en
fait l'eau ajoutée lors de la formulation incluant celle délivrée à l'état de vapeur par
le cuiseur (Tableau 2.2) en plus de l'eau apportée par certains ingrédients comme
le fromage cheddar (35,91 %), le beurre de lactosérum (20%) et dans une moindre
mesure le glycérol (4%). Les valeurs d'humidité sont comprises entre 40% et 55%.
Les teneurs en eau des échantillons122, 212 et 222 sont en dessous des normes,
le niveau d'eau dans les fromages fondus à tartiner étant habituellement fixé entre
44 et SO% (Kosikowski. 1982). Il est important de maintenir la teneur en eau du
produit dans l'intervalle usuel étant donné son influence intrinsèque sur le
développement des microorganismes et sur les caractéristiques rhéologiques du
produit. Une teneur en eau élevée peut augmenter la plasticité du produit mais en
revanche elle peut favoriser le développement des microorganismes. En effet, Haas
et al.. (1975) ont observé une accélération de la vitesse de croissance d'Aspergillus
glaucus, dûe à une augmentation de la teneur en eau sur 3 milieux de même Aw
(Aw= 0,83) mais différents par leurs teneurs en eau et par le type ou la quantité
d'humectant. La croissance de la moisissure était plus rapide sur le milieu
contenant 40% d'eau. suivi en ordre décroissant des milieux composés de 25% et
de 15% d'eau.
Les valeurs d'Aw des fromages expérimentaux sont présentées au Tableau 2.3. La
baisse hautement significative (p < 0.001) de l'Aw est expliquée à plus de 9S% par
les effets linéaires du NaCl, du lactose, du glycérol ainsi que par l'effet linéaire de
l'interaction sel x glycérol (Tableau 2.4). Certains effets quadratiques, comme le
glycérol quadratique (Fobs = 7,37) et l'interaction sel quadratique x glycérol linéaire
(Fobs = 9,21), sont significatifs au niveau de 95%. Cependant, le pourcentage de la
variation totale expliquée par ces effets (soit, respectivement 0,8% et 1%) est très
faible. Aussi, seuls les effets linéaires des traitements principaux et de l'interaction

---

25
sel x glycérol hautement significatifs (p < 0,001) ont été retenus pour le calcul de
l'équation de régression dans le but de simplifier son expression et son utilisation.
Deux équations (Tableau 2.5) ont donc été calculées à partir des résultats de
l'Anova. Une première régression permet de relier l'Aw des fromages fondus à
tartiner à leur composition finale en humectants exprimée en % (Tableau 2.3). La
seconde équation a été calculée à partir des concentrations en humectants (g
d'humectant/100g d'eau) dans la phase aqueuse des fromages.
Cette
concentration a été déterminée pour chaque échantillon à partir des données du
Tableau 2.3, en effectuant le rapport entre la concentration de l'humectant et la
teneur en eau de l'échantillon. La seconde équation calculée pour tenir compte des
variations de l'eau dans l'action des humectants sur l'Aw des fromages fondus à
tartiner est plus largement utilisable par les fabricants de fromages fondus dans les
intervalles de validité définis.
L'ordre d'importance des coefficients des deux équations reste inchangé mais la
seconde équation aboutit à l'obtention d'un coefficient de détermination et d'une
valeur de F plus élevée (Tableau 2.5). En considérant que les coefficients des
équations expriment l'importance du rôle de chaque humectant dans la dépression
de l'Aw. il est possible de classer ces humectants par ordre décroissant selon leur
efficacité à lier l'eau des fromages fondus à tartiner: sel> glycérol > lactose. Ces
résultats paraissent tout à fait en accord avec ceux d'autres études. portant
notamment sur des émulsions cuites à base de viande de type frankfurter, qui ont
montré que l'abaissement de l'Aw est plus marqué en présence de NaCI suivi du
glycérol et du lactose ou du saccharose (Leistner et al., 1981; Lacroix et Castaigne,
1983).
Pour des valeurs d'Aw supérieures à 0,80. la dépendance entre l'Aw et la
concentration en soluté (en g/100g d'eau) d'une solution pure à 23°C est linéaire
pour le sel. le glycérol et le saccharose (Lacroix et Castaigne, 1983). La pente de
cette droite a été estimée à 7,67 x 10-3 et 2,09 x 10-3 pour le sel et le glycérol,
respectivement. Dans le cas du lactose. les données de Sioan et Labuza (1975)
permettent d'estimer cette pente à 1,2 x 10-3 dans un intervalle d'Aw de 0.95 à
1.00. Dans notre étude sur le fromage fondu, nous avons obtenu en absence de
terme d'intéraction (sel x glycérol) dans l'équation de régression, un coefficient
associé au sel de 7,61 x 10-3 comparable à celui trouvé par Lacroix et Castaigne
(1983). Par contre, nous avons obtenu un coefficient de 1,52 x 10-3 pour le lactose

---

26
et de 3,68 x 10-3 pour le glycérol plus élevés que ceux de la littérature. On peut
remarquer également que dans l'équation du Tableau 2.5 exprimée en gramme
d'humectant/100g d'eau, les coefficients associés au glycérol et au lactose sont
sensiblement plus élevés qu'en solutions pures alors que celui du sel est
significativement plus faible en l'absence de glycérol. Cet effet dépresseur du sel
sur l'Aw plus faible dans le cas de mélanges réels que dans une solution pure, a
déjà été observé pour les émulsions de viande et les yogourts (Lacroix et
Castaigne, 1983; Lacroix et Lachance, 1988). Il pourrait être en partie expliqué par
la présence d'intéraction avec les protéines laitières, impliquant un échange
supplémentaire d'ions Na+ contre des cations à la surface des micelles de
caséines (Abd-El-Salem et gl, 1987). De plus, à pH voisin de 6,0, une partie des
ions Na+ et CI- pourrait être impliquée dans la neutralisation d'une partie de la
charge effective des protéines (Lacroix et Castaigne, 1983). Les coefficients
associés au lactose et au glycérol sont plus élevés qu'en solutions pures
probablement du fait qu'une partie de l'eau ayant servi au calcul de la
concentration des humectants dans la phase aqueuse, est liée et n'est donc pas
disponible comme solvant (Rüegg et Blanc, 1981).
Le poids moléculaire déterminerait le pouvoir dépressif de l'Aw par les humectants.
Selon Hardy (1985), les petites molécules (par exemple NaCl) qui présentent une
bonne solubilité possèdent un pouvoir d'abaissement de l'Aw plus important que
les grosses molécules. Malheureusement, le sel, à cause des effets néfastes
potentiels sur la santé, est de plus en plus déconseillé par les organismes officiels
qui encouragent le développement des aliments à teneur réduite en sel
(Karahadian et al., 1985; Hardy, 1985). Pour cette raison et face aux difficultés de
substituer le sel par un autre agent humectant idéal, le contrôle de l'Aw dans les
aliments devrait être réalisé par des combinaisons d'humectants. Dans de telles
combinaisons, par exemple sel et glycérol, le sel pourrait accroître l'efficacité du
glycérol vis-à vis de certains organismes (Clostridium botulinum: type A, B et E, C.
perfringens, Bacillus cereus, Salmonella oranienburg et Vibrio parahaemolyticus)
qui peuvent croître, germer et sporuler à une Aw plus basse que si le sel ou le sucre
était utilisé seul comme humectant (Leistner et al., 1981; Karel, 1975). Exceptés
l'échantillon témoin et l'échantillon #4 présentant des valeurs d'Aw supérieures à
0,96, les valeurs d'Aw des autres fromages expérimentaux étaient inférieures à
0,95, ou avoisinaient cette valeur qui représente l'Aw limite pour la croissance de
Clostridium (Haas et al., 1975).

---

27
Le lactose en concentration relativement élevée, peut servir de nutriment aux
bactéries de contamination (Alais, 1984). Il est également associé à la formation de
cristaux dans le fromage fondu à tartiner et il peut produire des réactions de
Maillard indésirables lors des traitements thermiques en plus de ne pas être toléré
par de nombreux consommateurs (Kosikowski, 1982). Certains fromages
expérimentaux formulés avec du lactose présentaient des cristaux une à deux
semaines seulement après leur fabrication. Cette cristallisation probable du lactose
dans les fromages expérimentaux pourrait résulter de son insolubilisation dans la
phase aqueuse attribuable à la concentration trop élevée dans certains
échantillons. Le glycérol quant à lui joue un rôle plastifiant dans les aliments
(Warner, 1981), mais il apporte un goût sucré et amer aux concentrations élevées,
au-delà de 10% dans le produit (Karel, 1975). Les équations de l'Aw (Tableau 2.5)
comportent un terme d'interaction entre le sel et le glycérol mais relativement faible
en importance (environ 3% seulement de la variation totale). Lacroix et Castaigne
(1983) ont également rapporté l'existence d'une telle interaction sur la dépression
de l'Aw des émulsions cuites à base de viande. En plus de ses bonnes propriétés
de rétention d'eau reliées à sa structure chimique (trialcool) et à son faible poids
moléculaire (PM = 92), le glycérol, grâce à son rôle stabilisateur des systèmes
biologiques (Dipaola et Belleau, 1978), pourrait permettre l'application de
traitements thermiques plus élevés au fromage fondu à tartiner qui ne peut
supporter un traitement thermique suffisant pour détruire les spores bactériennes,
au risque d'altérer la qualité organoleptique du produit (Warburton, 1986).
Cependant, lors de l'addition d'humectant à un produit alimentaire, il est important
de tenir compte des modifications d'ordre rhéologique et organoleptique
susceptibles de se produire. Aussi, pour tenir compte de ces éventuelles
modifications, les effets des combinaisons de sel, de lactose et de glycérol sur les
paramètres rhéologiques et physicochimiques des fromages fondus expérimentaux
ont été étudiés. Les résultats sont présentés au chapitre 3.
2.5 Conclusion
La majorité des combinaisons d'humectants étudiées ont permis d'abaisser "Aw
des fromages fondus à tartiner sous la valeur d'Aw limite (0,95) pour la croissance
de Clostridium. Le pouvoir dépresseur de l'Aw des humectants étudiés a été classé
par ordre d'importance (sel> glycérol > lactose) et l'effet d'une interaction sel x
glycérol a été observé. Des équations de régression reliant l'Aw aux humectants

---

28
contenus dans le fromage fondu à tartiner ont été calculées. L'utilisation de telles
équations peut être utile pour éviter les erreurs de formulation ou de mesure de
l'Aw. Ces équations peuvent permettre particulièrement la formulation d'un produit
à une Aw inférieure à 0,95 avec des concentrations relativement faibles en certains
humectants comme le sel et le lactose. L'addition de glycérol à une certaine
concentration au produit pourrait permettre, en plus des réductions de quantités de
sel et de lactose, l'application de traitement thermique plus élevé sans risque
d'altérer la qualité organoleptique du fromage à tartiner.
2.6
Références bibliographiques
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2.7 Tableaux

---

31
Tableau 2.1 :Liste des ingrédients des fromages expérimentaux et leurs origines
Ingrédients
Teneur dans le
Origine des ingrédients
Produit final
(%)
Fromage Cheddar frais
40
Lactantia (Victoriaville,
Qué.)
Concentrat protéique
Saputo (Montréal.Qué.)
du lactosérum (34.58%
de protéines)
1S.5
Beurre de lactosérum
Lactantia (Victoriaville,
à 80% de matière grasse
3
QUé.)
Phosphate disodique
Fourni par Lactantia
(Na2HP04)
2
(Victoriaville. Qué.)
Citrate trisodique
Fourni par Lactantia
(CSH50 7 Na3-2H20)
0,4
(Victoriaville, QUé.)
Sel
*
Sifto (Windsor, Ont.)
Lactose
*
Saputo (Montréal, Qué.)
Glycérol
*
Canada Packers
(Toronto, Ont.)
*
% variable d'un échantillon à l'autre (Tableau 2.2)

---

32
Tableau 2.2:
Formulation des ingrédients variables des fromages fondus
expérimentaux (Kg/15 Kg de fromage).
Echantillon
Sel
Lactose
Glycérol( 1)
Eau à ajouter (2)
0/0
(Kg)
0/0
(Kg)
0/0
(Kg)
(kg)
1
a
0,000
a
0,000
a
0,000
3,915
2
a
0,000
a
0,000
5
0,781
3,133
3
a
0,000
a
0,000
10
1,563
2,352
4
a
0,000
3
0,450
a
0,000
3,465
5
a
0,000
3
0,450
5
0,781
2,684
6
a
0,000
3
0,450
10
1,563
1,602
7
a
0,000
5
0,750
a
0,000
3,165
8
a
0,000
5
0,750
5
0,781
2,384
9
a
0,000
5
0,750
10
1,563
1,602
10
1,5
0,225
a
0,000
a
0,000
3,690
11
1,5
0,225
a
0,000
5
0,781
2,909
12
1,5
0,225
a
0,000
10
1,563
2,127
13
1,5
0,225
3
0,450
a
0,000
3,240
14
1,5
0,225
3
0,450
5
0,781
2,459
15
1,5
0,225
3
0,450
10
1,563
1,677
16
1,5
0,225
5
0,750
a
0,000
2,940
17
1,5
0,225
5
0,750
5
0,781
2,159
18
1,5
0,225
5
0,750
10
1,563
1,377
19
3,0
0,450
a
0,000
a
0,000
3,465
20
3,0
0,450
a
0,000
5
0,781
2,684
21
3,0
0,450
a
0,000
10
1,563
1,903
22
3,0
0,450
3
0,450
a
0,000
3,015
23
3,0
0,450
3
0,450
5
0,781
2,234
24
3,0
0,450
3
0,450
10
1,563
1,452
25
3,0
0,450
5
0,750
a
0,000
2,715
26
3,0
0,450
5
0,750
5
0,781
1,934
27
3,0
0,450
5
0,750
10
1,563
1,153
(1) :
La quantité de glycérol a été calculée en tenant compte de la pureté du produit (96%):
glycérol (Kg) =15 Kg x % glycérol x 1/0,96.
(2):
La quantité d'eau ajoutée lors de la formulation a été déterminée en tenant compte de l'eau
délivrée à l'état de vapeur (1,800 Kg) et de celle apportée par le glycérol (pur à 96%):
Eau (Kg) = 3,915 - 15 Kg (% sel + lactose + % glycérol x 1/0,96)/100.

---

. . . .
1 ,_

---

34
Tableau 2.4:Effet du sel, lactose et glycérol sur l'Aw des fromages expérimentaux:
résultats de l'analyse de variance.
Source
dl
S.C.E.
%
de
(x 10-4)
var. exp.
Variation
(a)
(b)
(c)
(d)
Sel L
1
129,337***
23,06
SelQ
1
2,592N.S.
0,46
Lact L
1
35,452***
6,32
Lact Q
1
0,006N.S.
0,00
Glyc L
1
357,603***
63,75
Glyc Q
1
4,478*
0,80
Sel L Lact L
1
1,062N.S.
0,20
Sel L Lact Q
1
0,135N.S
0,02
Sel Q Lact L
1
2,221N.S.
0,40
Sel Q LactQ
1
0,013N.S.
0,00
Sel L Glyc L
1
18,976***
3,38
Sel L Glyc Q
1
0,003N.S.
0,00
Sel Q Glyc L
1
5,600*
1,00
SelQGlycQ
1
0,646N.S.
0,12
Lact L Glyc L
1
1,304N.S.
0,23
Lact L Glyc Q
1
0,002N.S.
0,00
Lact Q Glyc L
1
1,277N.S.
0,23
Lact Q Glyc Q
1
O,362N.S.
0,07
Erreur
8
4,867
0,87
Total
26
560,955
(a): Lact: lactose, Glyc =glycérol, L: effet linéaire et Q : effet quadratique
(b): d.i.: degré de liberté
(c):
S.C.E.: somme des carrés des écarts
(d): % var. exp.: % variation expliquée par un facteur par rapport à la variation
totale.
N.S.:Non significatif; *: F significatif à 95%; ***: F significatif à 99,9%.

---

3S
Tableau 2.5:
Équations de régression reliant l'Aw à la composition en humectants
des fromages fondus à tartiner expérimentaux.
Equations(a)
F(b)
Aw
= 0,975 - (9,49.S + 5.58.L + 6,40.G + 1,68.SG) x 10-3 0.965 152,02***
Aw
= 0,994 - (4,53.s + 1,49.1 + 2,32.g + O,26.sg) x 10-3
0,977
226,78***
(a)
S, Let G désignent respectivement le sel, le lactose et le glycérol exprimés en
% du produit final tandis que s,let g sont exprimés en g d'humectant/100g
d'eau.
(b)
*** F =significatif à plus de 99,9%
N.B. Les équations calculées sont valides dans les intervalles de variation des
humectants étudiés, soit:
0,88 s S s 3,88%,
6,35 s L s 11,35% et 0 s G s 10%.
1,61 s s s 9,65 g/100g d'eau. 11,63 sis 28,24 g/100g d'eau
et
0 s g s
24,88 g/100g d'eau.

---

3
CHAPITRE 3
EFFET DES COMBINAISONS DE CHLORURE DE SODIUM, DE LACTOSE ET DE
GLYCÉROL SUR LES CARACTÉRISTIQUES RHÉOLOGIQUES ET LA COULEUR
DES FROMAGES FONDUS ÀTARTINER.
3.1
Résumé
Dans le chapitre précédent, l'activité de l'eau dans les fromages fondus à tartiner a
été contrôlée au moyen de combinaisons de NaCI (0; 1,5 et 3% p/p), lactose (0; 3
et 5% p/p) et glycérol (0; 5 et 10% p/p). La présente étude a pour but d'évaluer
l'influence de ces humectants sur les caractéristiques rhéologiques et la couleur
des fromages. Tous les humectants étudiés ont influencé ces paramètres, avec la
présence d'interactions marquées entre le sel et le glycérol ainsi que entre le sel et
le lactose dans certains cas.
Par ailleurs, la baisse du pH observée pour les
fromages expérimentaux lors de l'addition d'humectants a été attribuée
principalement au NaCI (plus de 87% de l'effet) et le brunissement des fromages,
davantage au lactose et au glycérol. L'addition de sel et de lactose a produit un effet
négatif sur la tartinabilité des fromages fondus tandis que le glycérol l'améliorait.
L'amélioration maximale de la tartinabilité était obtenue avec le glycérol à une
teneur de 5% dans le produit. Les humectants pourraient
modifier le
caractéristiques rhéologiques des fromages fondus en influençant les propriétés
d'hydratation des protéines fromagères.

---

37
3.2
Introduction
Le fromage fondu à tartiner est obtenu par chauffage du fromage naturel (le plus
souvent le cheddar, le gruyère, le mozzarella et l'emmental) aux environs de 850 C
en présence de sels émulsifiants qui complexent le calcium. Les sels émulsifiants
utilisés dans la fonte des fromages sont le plus souvent les citrates et les
phosphates (orthophosphates, pyrophosphates et polyphosphates) de sodium.
Certains ingrédients optionnels tels des ingrédients laitiers (lait en poudre,
lactosérum, crème, beurre de lactosérum, etc.), des acides organiques, des
gommes et des colorants peuvent entrer dans la composition du fromage fondu à
tartiner (Kosikowski, 1982). De l'eau est également ajoutée au mélange pour son
effet plastifiant qui confère au produit son caractère tartinable et une texture molle et
lisse.
Enfin, le NaCI contribue à l'obtention de la texture désirée et au
développement du goût et de l'arôme.
Sous l'action du chauffage, le fromage broyé et dispersé dans l'eau perd sa
structure compacte. Les sels émulsifiants chélatent le calcium lié aux protéines
fromagères, transformant ainsi le paracaséinate de calcium insoluble en
paracaséinate de sodium soluble (Rayan et al., 1980). Au cours de ce processus de
déstabilisation du fromage naturel, le déroulement des chaînes protéiques ainsi que
l'augmentation du nombre de charges négatives résultant tous deux de la
disparition de ponts calciques, augmentent les capacités d'interaction des
groupements latéraux polaires des protéines avec les molécules d'eau (Paquet,
1988). En même temps que se déroule ce processus d'hydratation, 1e
paracaséinate de sodium émulsifie la matière grasse libérée sous la forme de gros
globules gras dans le mélange en cours de fonte. L'homogénéisation provoquée
par les effets simultanés des sels émulsifiants, du chauffage et de l'agitation réduit
la taille de ces globules gras et améliore ainsi la stabilité de l'émulsion (Rayan et al.,
1980). La géli'fication se produit au cours du refroidissement du mélange fondu
dans lequel s'est formée une structure protéique tridimensionnelle retenant
fortement l'eau d'hydratation et la matière grasse émulsifiée (Paquet, 1988).
Le produit final présentant une couleur uniforme et une structure lisse et homogène,
sans présence de cristaux (Carie et Kalab, 1987) est également caractérisé par une
teneur en eau (44 à 60%), un pH (pH> 5,2) et une activité de l'eau (Aw > 0.95)
élevés. Ces caractéristiques de composition peuvent favoriser une croissance

---

38
microbienne dans le produit, particulièrement celle des bactéries sporulées
anaérobes et rendre le produit à risque d'intoxication alimentaire.
Lors d'une étude antérieure rapportée au chapitre 2, l'Aw (qui dirige l'activité
microbienne dans un produit) dans les fromages fondus à tartiner avait été
contrôlée par addition de sel, lactose et glycérol dans le but d'assurer leur stabilité
microbiologique durant la conservation. Comme les caractéristiques texturales des
fromages peuvent être altérées par toute modification de leur composition chimique,
il devenait intéressant de rechercher les répercussions de l'addition de tels
humectants seuls ou en combinaison sur la texture, la couleur et tout
particulièrement sur la tartinabilité des fromages, étant donné son rôle important
dans l'acceptabilité du produit par le consommateur (Awadhwal et Singh, 1985;
Tanaka et aL, 1971).
3.3
Matériel et méthodes
3.3.1 Fabrication des fromages fondus à tartiner
Les fromages expérimentaux ont été fabriqués à la fromagerie Lactantia Ltée
(Victoriaville, Québec) à partir des ingrédients suivants: fromage cheddar frais
(40%); concentrat protéique de lactosérum à 34.58% de protéines (16.5%), Saputo
(Montréal, Qué.); beurre de lactosérum à 80% de matière grasse (3%); phosphate
disodique (2%) et citrate trisodique dihydraté (0.4%).
Tous ces ingrédients se
retrouvaient en proportions constantes dans les fromages expérimentaux tandis que
le NaCI (Sifto, Windsor, Ont.), le lactose (Saputo, Montréal, Qué.) et le glycérol
(Canada Pakers, Toronto, Ont.) ajoutés en quantité variable selon l'échantillon,
remplaçaient une quantité équivalente d'eau de la formule.
La fabrication des
fromages expérimentaux a été détaillée dans le chapitre précédent. Les ingrédients
introduits dans un broyeur polyvalent (Stephan, Hameln, R.F.A.) étaient
homogénéisés et cuits à 85°C avec brassage durant 3 min. dont la dernière sous
vide partiel.
Le fromage fondu obtenu était conditionné en pots de 500g et
entreposé au moins 15 jours à 4°C avant les analyses.

---

39
3.3.2
Détermination des paramètres rhéologiques
Les paramètres rhéologiques des fromages ont été mesurés par la méthode du
pénétromètre à cône (Tanaka et al., 1971) monté sur un appareil Instron "Universal
Testing Machine" (Burlington, Ontario) avec une cellule de charge maximale de
19.62 N. Des tests préliminaires nous ont permis de déterminer qu'un angle du
cône de 5()O et une vitesse de pénétration de 10 cm/min donnaient une meilleure
sensibilité, précision et reproductibilité. La contrainte de pénétration ou fermeté,
l'adhésion et la cohésion ont été déterminées à partir des rhéogrammes obtenus
après deux pénétrations successives à une profondeur de 1 cm.
La fermeté ou
contrainte de pénétration (kPa) est calculée en divisant la force de pénétration F par
la projection de la surface latérale du cône en contact avec le produit (Tanaka et al.,
1971 ):
F
'
F
ermete =
(1)
2 tan(8/2)
1tp cos(8/2)
où
Fermeté= fermeté ou contrainte de pénétration (kPa)
F=
force de pénétration (N)
p=
profondeur de pénétration (m)
0=
angle du cône (0)
soit, dans notre cas:
'
F
Fermete = 16,164 x10-5
(2)
La cohésion est obtenue en divisant l'aire sous la courbe de la seconde pénétration
du cône (A2) par l'aire sous la courbe de la première pénétration à la même vitesse
de pénétration (A1). L'adhésion (A3) a été évaluée à partir de l'aire délimitée par la
courbe négative située entre les 2 cycles de pénétration. Avant chaque test, les
échantillons de fromage conservés à 4°C séjournaient 48h à la température de la
pièce (environ 22°C). Les mesures étaient effectuées dans le pot (500g) sur trois
couches de fromage.
Quatre mesures étaient réalisées au niveau de chaque
couche et les valeurs des différents paramètres de texture sont les moyennes
obtenues à partir de 2 pots de fromage.

---

40
La tartinabilité exprimée conjointement par le seuil d'écoulement et par la viscosité
apparente était calculée à partir d'une droite de la contrainte de pénétration
obtenue en fonction de la vitesse de cisaillement. La contrainte de pénétration était
mesurée à différentes vitesses de pénétration du cône (5, 10 et 20 cm/min) et la
vitesse de cisaillement était obtenue par le rapport entre la vitesse de pénétration
du cône et la profondeur de pénétration du cône dans l'échantillon (soit 1 cm)
L'ordonnée à l'origine de cette droite correspond au seuil d'écoulement (en kPa) et
la pente à la viscosité apparente (en Pa.s) (Tanaka et al., 1971).
3.3.3 Détermination du pH
Le pH était mesuré en triplicata à l'aide d'une électrode de pH Orion Research,
modèle 816300, introduite directement dans l'échantillon ayant séjourné 24h à
température de la pièce (environ 220C).
3.3.4 Détermination de la couleur
Le système colorimétrique de Hunter a été utilisé pour l'analyse de la couleur. La
luminosité L et les indices chromatiques a (rouge) et b (jaune) ont été déterminés
en triplicata sur environ 30g d'échantillon au moyen du colorimètre Colorgard
system 1000/05 (Pacific scientific Inc., Silverspring, MD).
3.3.5 Dosage de l'humidité
La teneur en eau dans les échantillons de fromage a été déterminée en triplicata
après séchage dans un four à vide selon la procédure 16.259 de l'A.O.A.C. (1984).
3.3.6 Analyses statistiques
La répartition des humectants dans les fromages était réalisée selon un plan
factoriel à 3 facteurs et 3 niveaux d'étude: NaCI (0; 1,5 et 3% p/p) , lactose (0; 3 et
5% p/p) et glycérol (0; 5 et 10% p/p). L'analyse des données a été effectuée selon
les procédures du progiciel SAS (SAS, 1985). Pour chaque paramètre mesuré, les
moyennes ont été calculées et soumises à l'analyse de variance. Un test F était
réalisé dans le but de différencier les traitements et les interactions ayant eu un effet
significatif sur un paramètre donné après décomposition des sommes des carrés

---

41
des écarts à la moyenne et de leurs degrés de liberté en degrés simples de liberté
(Lison, 1968).
Des équations de régression multiple reliant les différents
paramètres rhéologiques aux effets principaux et aux interactions des humectants
significatifs à plus de 95% ont été calculées. Les effets complexes des humectants
sur ces paramètres ont été illustrés par des représentations tridimensionnelles des
surfaces de réponse à l'aide de SAS Graph afin de visualiser les tendances des
paramètres mesurés.
3.4
Résultats et discussion
3.4.1 Effet du sel, du lactose et du glycérol sur le pH des fromages fondus à
tartiner
La teneur en humectants et en humidité ainsi que le pH des différents fromages
expérimentaux sont présentées au Tableau 3.1. L'Aw des fromages a varié de 0,97
(échantillon sans humectant) à 0,79, la teneur en eau de 55 à 40% et le pH de 5,76
à 6,20. Les fromages fondus à tartiner sont généralement caractérisés par une Aw
(Aw > 0,97) et une teneur en eau (44 à 60%) élevées alors que leur pH est
habituellement compris entre 5,0 et 6,5 (Shimp. 1985).
Les effets linéaires et
quadratiques de NaCI expliquent plus de 87% de la variation totale du pH entre les
fromages (Tableau 3.3). De telles variations de pH dues aux effets du NaCI ont été
rapportées pour les émulsions de viande (Barbut, 1988) ainsi que pour le yogourt
(Lacroix et Lachance, 1988). Le NaCI provoquerait un échange d'ions Na+ avec H+
des groupements NH3+ des protéines du lait, entraînant une libération d'ions H+
dans le milieu et une baisse du pH (Abd-El-Salam et aL, 1987).
3.4.2 Effet du sel. du lactose et du glycérol sur les caractéristigues
rhéologiques des fromages fondus à tartiner
3.4.2.1
Formation de cristaux
Deux semaines après leur fabrication. la présence de cristaux a été observée dans
huit échantillons tandis que les autres fromages étaient d'apparence lisse et
homogène, avec des couleurs uniformes et une texture élastique. Les fromages
présentant des cristaux avaient tous reçu une addition de lactose (Tableau 3.1).

---

42
La formation de cristaux s'avère un défaut physico-chimique sérieux et courant dans
les fromages fondus à tartiner (Caric et Kalab, 1987). Ces petits cristaux blancs
identifiés par Pommert et al. (1988) et Caric et Kalab (1987) comme étant du citrate
de calcium se développent parfois à la surface du fromage fondu une semaine
seulement après sa fabrication lorsque les sels émulsifiants sont composés de
citrates. Cependant, les phosphates, les tartrates, la tyrosine ainsi que le lactose
peuvent également former des cristaux dans ce produit (Patocka et Jelen, 1988;
Caric et Kalab, 1987). Dans les fromages expérimentaux, la formation de cristaux a
vraisemblablement été produite par le lactose étant donné sa faible solubilité dans
l'eau. Kanterewicz et Chirife (1986) rapportent un point de saturation du lactose à
25°C variant de 20,5 à 21,7 g/100g d'eau.
Dans les fromages présentant des
cristaux, la concentration de lactose était comprise entre 18,5 et 28 g/100 g d'eau,
ce qui peut expliquer sa cristallisation. Ce phénomène de sursaturation du lactose
avait également été observé par Patocka et Jelen (1988) sur des produits à tartiner
à base de lactosérum conservé à 7°C.
Il est à noter que les échantillons sans
glycérol semblent plus susceptibles à cette cristallisation.
Le glycérol pourrait
ralentir la cristallisation du lactose du fait de l'augmentation de la viscosité de la
phase aqueuse qui diminue la vitesse de diffusion du lactose.
Cet humectant,
comme l'eau, pourrait également agir comme solvant et milieu dispersant pour le
lactose (Labuza. 1974).
3.4.2.2 Modification des caractéristiques rhéologiques des fromages
fondus à tartiner
L'addition d'humectants dans les fromages expérimentaux a fortement influencé
leur comportement rhéologique comme en témoigne l'ampleur des variations
rapportées au Tableau 3.2. L'analyse de variance a permis de déterminer les
principaux effets responsables de la variation des différents paramètres
rhéologiques ainsi que leurs tendances (Tableau 3.3). Les effets des traitements
significatifs à plus de 95% ont été retenus pour le calcul d'équations de régression
reliant chaque paramètre observé à la composition finale en humectants des
fromages expérimentaux (Tableau 3.4). Des représentations graphiques
tridimensionnelles ont été effectuées pour les paramètres rhéologiques importants
des fromages fondus à tartiner (fermeté, seuil d'écoulement et viscosité apparente)
dont les équations renferment des termes d'interaction et des termes quadratiques
(Figures 3.1 à 3.4). La fermeté mesurée instrumentalement ou par les méthodes

---

43
sensorielles, est habituellement
correlée à la tartinabilité (de Man et~, 1979;
Walstra, 1981; Hayakawa et de Man, 1982). La plupart des méthodes de mesure de
la tartinabilité sont en fait des mesures de la fermeté qui exprime la résistance à la
déformation (de Man et &, 1979). Tel qu'indiqué par leurs coefficients de
détermination (R2), les équations calculées valides dans les intervalles de variation
des paramètres de l'étude (soit: 0,88 s NaCI s 3,88%; 6,35 s lactose s 11,35% et
Os glycérol s10%) ont permis la prédiction de l'adhésion, du seuil d'écoulement, de
la viscosité apparente, de la fermeté et de la cohésion, dans des proportions allant
de 77% (adhésion) à 53% (cohésion) de la variation totale (p< 0,01).
Le seuil d'écoulement et la viscosité apparente calculés à partir des relations
linéaires obtenues entre la contrainte de pénétration et la vitesse de cisaillement
(8.33 à 33.33 x 10-2 s-1) exprimeraient conjointement la tartinabilité, selon Tanaka
et al. (1971). L'écoulement des fromages expérimentaux ne commençait qu'au delà
d'une contrainte appliquée correspondant au seuil d'écoulement. Le comportement
rhéologique de ces produits s'apparente à celui des corps de Bingham qui doivent
présenter, sous contrainte, une faible viscosité pour s'étaler plus facilement et une
forte viscosité au repos pour ne pas couler (Couarraze et Grossiord. 1987). Le seuil
d'écoulement des fromages expérimentaux était inférieur à 10 KPa avec une
viscosité apparente comprise entre 0,75 et 16,5 x 103 Pa.S (Tableau 3.2). Avec de
telles valeurs, la tartinabilité des fromages expérimentaux serait supérieure à celle
d'un beurre ordinaire à 20°C. mais comparable à celle d'une margarine molle
(Makhlouf et al., 1987). Les résultats obtenus dans notre étude indiquent un effet
important du glycérol sur le seuil d'écoulement et la viscosité apparente des
fromages fondus expérimentaux (Tableaux 3.3 et 3.4), illustré aux Figures 3.2 et 3.3.
Cet effet permet d'envisager une amélioration de la tartinabilité des fromages
expérimentaux par addition de glycérol avec un effet maximal aux environs de 5%.
Il est à noter enfin qu'une relation linéaire (Figure 3.5), significative à plus de 99% a
été obtenue entre les logarithmes des valeurs de viscosité et de seuil d'écoulement
des fromages expérimentaux (r= 0,87). Ce résultat est en accord avec ceux obtenus
par Tanaka et al.(1971) pour plusieurs produits alimentaires dont le fromage fondu
à tartiner.
Les surfaces de réponse (Figures 3.1 à 3.4) représentant les paramètres
rhéologiques des fromages en fonction de leurs teneurs en humectants ont montré
des formes variables qui reflètent la nature dynamique des relations existant entre

---

44
les constituants des produits tout en mettant en évidence des interactions entre
certains de ces constituants.
L'eau et les humectants ajoutés en concentration
variable dans les échantillons modifieraient la rhéologie des fromages
expérimentaux en influençant les propriétés d'hydratation des protéines présentes
via l'activité de l'eau et le pH ou éventuellement en modifiant la stabilité thermique
et la gélification de ces protéines lors de la fabrication.
3.4.3 Influence de la teneur en eau et de l'activité de l'eau sur la rhéologie des
fromages fondus à tartiner.
L'eau habituellement ajoutée dans le fromage fondu à tartiner pour son effet
plastifiant conférerait au produit son caractère tartinable (Kosikowski, 1982). Dans
les fromages expérimentaux, les humectants ajoutés étant substitués à une quantité
équivalente d'eau de la recette (Chapitre 2), l'effet propre de l'humectant sur les
propriétés texturales des fromages serait donc confondu avec celui de la diminution
de l'eau associée. Cependant, la teneur en eau variable des fromages (55 à 40%)
ne peut expliquer seule les variations rhéologiques observées. A cet effet, on peut
remarquer que certains fromages expérimentaux, par exemple les échantillons 3,
12, 14, 16 et 22 (Tableau 3.1) présentaient des caractéristiques rhéologiques
différentes bien qu'ayant une teneur en eau finale identique (d'environ 48%). De
plus, les différences de texture et de tartinabilité présentées par les échantillons de
fromage proviendraient en partie d'une réduction de la quantité d'eau libre résultant
de l'effet combiné de la diminution de l'eau de la recette et de la liaison de l'eau par
l'humectant, avec des conséquences sur l'état d'hydratation des protéines du
fromage.
L'influence de l'Aw sur la modification des propriétés texturales de
nombreux produits alimentaires est largement rapportée dans la littérature
(Chordash et Potter, 1972;
Kapsalis et al., 1970;
Troller et Christian, 1978;
Urban ski et al., 1983; Kreisman et Labuza, 1978; Hardy et Steinberg, 1984).
3.4.4 Influence du pH sur la rhéologie des fromages fondus à tartiner
En abaissant le pH des fromages, le NaCI diminue la charge nette des protéines
fromagères et modifie les interactions protéines-protéines et protéines-eau.
Les
caséines et les protéines lactosériques composant les fromages subissent une
diminution de leur capacité d'hydratation en se rapprochant de pH 5,0 (Kaharadian,
1984; Shimp, 1985; Caric et Kalab, 1987). Toutes ces modifications influent sur le

---

45
réseau protéique tridimensionnel constituant la "charpente" des fromages (Vassal et
aL, 1986) et peuvent expliquer en partie les variations rhéologiques des fromages
expérimentaux. Au voisinage de pH 5,0, on obtient un produit de texture friable
(résultant de l'affaiblissement des interactions protéines-protéines et protéines-eau),
mais qui possède en revanche de bonnes caractéristiques de conservation et ne
présente pas de risque de séparation de la matière grasse (Shimp, 1985).
Par
contre, si le pH se situe à une valeur trop élevée (pH > 6,5), les interactions
protéines-protéines de même que protéines-eau augmentent et donnent un
fromage de texture trop molle (Kaharadian, 1984) qui peut également présenter des
problèmes microbiologiques (Shimp, 1985).
Les fromages fondus à tartiner de
l'étude, avec des valeurs de pH situées entre 5,76 et 6,19 avaient dans l'ensemble
une texture molle (très recherchée) et élastique.
3.4.5 Effets directs du sel. lactose et glycérol sur l'hydratation des protéines
fromagères
Lorsque les protéines sont en solution dans de l'eau distillée, leur structure
quaternaire se dissocie et les forces de répulsion intramoléculaires augmentent,
conduisant à une expansion moléculaire, à une absorption d'eau et à une
augmentation de la viscosité de la solution (Urbanski et al., 1983). En ajoutant à
ces solutions des agents humectants qui compétitionnent avec les protéines pour
les molécules d'eau, la viscosité peut alors diminuer (Cheffel et aL, 1985).
Dans les fromages expérimentaux, la viscosité apparente augmentait ou diminuait
en fonction de la nature de l'humectant ajouté, de sa concentration et de 1a
présence d'autres humectants (Figures 3.3 et 3.4).
Le NaCI à de faibles
concentrations dans les échantillons de fromage élevait la viscosité alors qu'il la
réduisait à plus fortes teneurs. Ces résultats concordent avec ceux d'autres études
(Urbanski et aL, 1983; Cheftel et aL, 1985). La viscosité augmenterait à la suite de
l'hydratation accrue des protéines en présence de faibles concentrations salines et
diminuerait aux fortes concentrations de sel suite à une déshydratation des
protéines. La prédominance des interactions eau-sel, au détriment des interactions
eau-protéines provoquerait cette déshydratation des protéines aux fortes teneurs en
sel (Cheffel et aL, 1985).
Par ailleurs, de par sa nature ionique dans l'eau, le NaCI
peut diminuer la viscosité des fromages expérimentaux en prévenant à la fois
l'expansion moléculaire et l'hydratation des protéines.
L'action du NaC/ porterait

---

46
sur l'atténuation des forces répulsives intramoléculaires et sur la stabilisation de la
structure quaternaire des protéines (Urbanski et al.. 1983). L'augmentation de la
force ionique du milieu en présence de sel diminue également l'absorption d'eau et
la solubilité des protéines (Yon. 1969).
Le lactose a produit une augmentation ou une diminution de la viscosité des
fromages expérimentaux selon la teneur en sel (Figure 3.4). Habituellement, les
glucides tels que le glucose et le saccharose diminuent la viscosité des
suspensions protéiques à cause de la plus grande affinité de l'eau pour ces solutés
que pour les protéines (Urbanski et al., 1983). L'affinité de l'eau pour le lactose au
détriment des protéines pourrait être favorisée par le NaCI. expliquant ainsi la
diminution de la viscosité par le lactose en présence de fortes teneurs en sel (Figure
3.4). Dans certains échantillons. la cristallisation probable d'une partie de lactose a
pu interférer avec l'action propre de ce constituant en solution.
La diminution de la viscosité apparente par le glycérol jusqu'à une certaine
concentration (Figure 3.3) pourrait également s'expliquer par la plus grande affinité
de l'eau pour cet humectant que pour les protéines. Par contre, aux fortes
concentrations. le glycérol a augmenté la viscosité de la phase aqueuse. Selon Di
Paola et Belleau (1978) et Warner (1981), le glycérol manifesterait un effet
plastifiant comparable à celui de l'eau. Ce composé de trois carbones possédant
trois fonctions hydroxyles pourrait remplacer l'eau d'hydratation des protéines en
occupant les sites de fixation des molécules d'eau sur les molécules protéiques.
avec pour conséquence une augmentation de la viscosité.
3.4.6 Influence des humectants sur la stabilité thermique des protéines du
lactosérum des fromages
Les humectants pourraient avoir eu un effet stabilisant sur la conformation des
protéines au cours du chauffage avec des implications sur les caractéristiques
rhéologiques des produits finis. Cet effet stabilisant des humectants a été évoqué
pour le sel et les sucres (Garrett et al., 1988; Urbanski et al.. 1983; Chinachoti et
Steinberg, 1985) de même que pour le glycérol (Di Paola et Belleau, 1978; Lacroix
et Castaigne. 1985). Les effets propres du sel, du lactose et du glycérol sur la
gélification (impliquant l'hydratation des protéines) de même que sur la stabilité
thermique des protéines du lactosérum ont fait l'objet d'une investigation séparée

---

47
au moyen de systèmes modèles formés par les protéines lactosériques non-
dénaturées et les humectants en solution. Les résultats de cette recherche,
présentés aux chapitres 4 et 5,
ont révélé l'existence d'effets significatifs et
variables des humectants sur les caractéristiques texturales et la capacité de
rétention d'eau des gels (Chapitre 4), de même que sur l'augmentation de la
stabilité thermique des fractions protéiques majeures des protéines du lactosérum
natives (chapitre 5). Dans le cas de l'étude présente. l'effet des humectants sur la
stabilité 'thermique lors de la cuisson et la gélification des protéines de lactosérum
contenues dans la recette (concentrat de protéines de lactosérum non-dénaturées)
a pu influencer les caractéristiques rhéologiques finales des fromages.
3.4.7 Effets du sel. du lactose et du glycérol sur la couleur des fromages
Les résultats de l'analyse colorimétrique des fromages fondus à tartiner
expérimentaux sont présentés au Tableau 3.2.
Une diminution significative des
valeurs de luminosité a été observée avec l'augmentation de la concentration en
agents humectants. tandis que les indices chromatiques a (rouge) et b Uaune) ont
légèrement augmenté.
Les plus importantes modifications résultaient des effets
principaux des humectants bien que certaines interactions se soient révélées
significatives (p< 0,05) (Tableau 3.3).
L'assombrissement observé pourrait être expliqué par les réactions de
brunissement non-enzymatique (réactions de Maillard) se produisant dans les
fromages lors du traitement thermique.
L'abaissement de l'Aw des fromages de
0,965 à 0,789 accompagné d'une réduction de la quantité d'eau libre a pu favoriser
les réactions de brunissement en concentrant les substances réactantes impliquées
dans ces réactions.
Le lactose et le glycérol ont davantage influencé le
brunissement non enzymatique des fromages dans notre étude.
La réaction de
Maillard se produit lors des traitements thermiques ou de l'entreposage d'aliments
protéiques contenant des sucres réducteurs tel le lactose ou des composés
carbonylés dérivés de l'oxydation des lipides (Chettel et al.. 1985). La vitesse de la
réaction de Maillard augmente lorsque l'Aw diminue, avec un maximum pour des
Aw de 0.70 à 0,65. selon le produit (Eichner, 1975). Cependant, cette valeur limite
d'Aw peut être abaissée lorsqu'un humectant liquide tel le glycérol est utilisé dans
la dépression de l'Aw, en raison de son effet diluant (Labuza et Saltmarch, 1981;
Eichner, 1975).

---

48
3.5 Conclusion
L'addition d' humectants pour abaisser l'Aw dans les fromages fondus à tartiner a
entraîné d'importantes modifications de la texture et de la couleur du produit.
L'augmentation du seuil d'écoulement et de la fermeté par le sel et le lactose
indique un effet négatif de ces humectants sur la tartinabilité conditionnant
l'acceptabilité du produit auprès des consommateurs.
En revanche, le glycérol
semble améliorer la tartinabilité du produit, avec un optimum voisin de 5% dans le
fromage. Les modifications observées des propriétés rhéologiques des fromages
pourraient s'expliquer par l'effet propre des humectants sur l'état d'hydratation des
protéines fromagères, sur le pH du produit et éventuellement sur la stabilité
thermique et la gélification des protéines du lactosérum.
La réduction de la
quantité d'eau libre dans les fromages lors de l'addition de sel, lactose et glycérol
et la diminution associée de la teneur en eau, entraîneraient une concentration des
substances impliquées dans les réactions de Maillard, particulièrement le lactose
et le glycérol, avec pour conséquence un brunissement accentué des produits.
Les équations de régression calculées pour les paramètres rhéologiques seraient
de nature à optimiser la texture et la tartinabilité du fromage fondu à tartiner en
tenant compte de sa teneur en humectants.
3.6
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3.7
Tableaux et figures

---

S2
Tableau 3.1: Composition chimique finale et pH des fromages fondus à tartiner.
Teneur en humectant (%)
Echantillon
Humidité
pH
Cristaux
NaCI(1 )Lactose(1 )Glycérol
0/0
1
0.88
6.35
0
54,58
6.06
2
0.88
6,35
5
51,92
6,08
3
0,88
6,35
10
47,71
6,04
4
0,88
9,35
0
50,67
6,19
+
5
0,88
9,35
5
48,38
6,09
6
0,88
9,35
10
46,71
6,06
7
0,88
11,35
0
48,83
6,07
+
8
0,88
11,35
5
42,82
6,08
9
0,88
11,35
10
44,08
6,09
+
10
2,38
6,35
0
51,70
5,90
11
2,38
6,35
5
50,11
5,91
12
2,38
6,35
10
47,72
5,84
13
2,38
9,35
0
49,00
5,94
+
14
2,38
9,35
5
47,81
5,91
15
2,38
9,35
10
45,32
5,95
16
2,38
11,35
0
47,84
6,00
+
17
2,38
11,35
5
45,16
5,92
18
2,38
11,35
10
41,98
5,97
19
3,88
6.35
0
50,42
5,78
20
3,88
6,35
5
48,15
5,87
21
3,88
6,35
10
45,61
5,88
22
3,88
9,35
0
47,90
5,82
+
23
3,88
9.35
5
46,49
5,76
24
3,88
9,35
10
43,22
5.86
25
3,88
11,35
0
46,15
5,81
+
26
3,88
11,35
5
44,33
5,84
27
3,88
11,35
10
40,19
5,81
+
(1 ) Le % de NaCI (0,88%) déterminé de Iléchantillon témoin (no 1) a été additionné
aux valeurs de NaCI du plan expérimental; il en est de même du lactose dont
le % dans le témoin est de 6,35% (Chapitre 2).

---

53
Tableau 3.2:Valeurs des paramètres rhéologiques et d'indices de couleur des
fromages fondus à tartiner.
Tartinabilité
Texture
Couleur
Echan-
Seuil
Viscosité
Fermeté Adhésion Cohésion
L
a
b
tillon
d'écoulement
apparente
(kPa)
(Pa.s)
(kPa)
(N.mx104)
(luminosité) (rouge) üaune)
1
3,49
6,62 x 103
4,11
3,03
0,580
88,17
12,16
33,90
2
0,37
7,50 x 102
0,48
2,58
0,809
85,52
13,32
36,19
3
0,83
1,79 x 103
1,04
4,72
0,816
80,99
15,10
37,37
4
1,61
3,98 x 103
2,40
3,52
0,565
83,63
11,06
35,91
5
0,91
1,74 x 103
1,09
4,85
0,800
81,38
13,80
36,58
6
1,43
3,26 x 103
1,93
6,98
0,732
79,48
15,97
37,84
7
2,48
5,62 x 103
3,16
4,25
0,623
83,97
13,36
36,62
8
4,79
5,54 x 103
5,40
17,98
0,716
80,20
16,32
37,33
9
3,10
4,23 x 103
3,62
11,41
0,683
79,07
16,65
37,18
10
2,83
3,55 x 103
3,13
4,70
0,632
85,28
13,07
35,72
11
0,61
8,98 x 102
0,75
3,31
0,807
83,11
14,79
35,82
12
0,90
3.67 x 103
1,44
5,45
0,694
80,53
16,06
37,45
13
4,94
8,48 x 103
4,37
8,30
0,660
83,19
13,99
37,01
14
1,08
1,29 x 103
1,29
4,90
0,774
81,70
15,83
37,41
15
1,95
5,22 x 103
2,56
8,20
0,659
80,26
16,05
37,75
16
7,76
1,21 x 104
10,09
11,55
0,535
83,52
13,98
36,73
17
2,64
5,58 x 103
3,34
8,15
0,620
77,73
19,78
35,57
18
4,45
5,77 x 103
5,44
15,04
0,680
79,22
16,30
37,41
19
4,20
8,65 x 103
4,53
8,40
0,692
84,04
14,79
35,05
20
2,21
5,36 x 103
2,72
6,34
0,607
83,01
16,12
36,47
21
3,00
1,65 x 104
3,15
8,19
0,666
80,46
16,13
37,38
22
5,45
6,39 x 103
5,95
11,84
0,677
81,92
16,71
35,80
23
1,23
2,13 x 103
1,59
5,16
0,638
82,80
16,25
36,07
24
6,59
6,83 x 103
7,45
18,14
0,638
79,42
15,73
37,09
25
5,79
7,13x103
6,43
13,89
0,655
82,57
15,73
36,06
26
3,56
4,41 x 103
4,05
11,77
0,699
81,33
15,66
36,45
27
9,30
8,62 x 103
10,40
22,67
0,625
78,31
15,90
36,17

---

54
Tableau 3.3:
Résultats des analyses de variance des données de tartinabilité, de texture, du pH et de
couleur des fromages fondus à tartiner expérimentaux.
Source
Tartinabilité
Texture
de
d.1
Variation
Seuil d'écoulement Visco. app.
Fermeté
Adhésion
Cohésion
S.C.E.
S.C.E.
S.C.E.
S.C.E.
S.C.E.
(a)
(b)
(c)
(x 106)
(x 10"3)
Sel L
1
27.68**
59.01 **
29.49*
123.14**
10.13
Sel Q
1
0.67
0.74
0.41
13.02
0.18
Lact L
1
33.27**
4.68
47.75**
258.60***
11.46
LactQ
1
5.29
16.75
8.96
20.69
1.06
Glyc L
1
2.72
2.44
2.83
54.50*
18.30*
GlycQ
1
23.08**
74.00**
29.31 *
29.93
23.56*
Sel L Lact L
1
1.27
24.84*
1.53
0.70
3.18
Sel L Lact Q.
1
0.67
2.84
0.65
3.86
0.05
Sel Q Lact L
1
1.07
36.39*
2.52
0.96
4.24
Sel Q Lact Q
1
0.01
2.43
0.78
0.20
3.21
Sel L Glyc L
1
2.68
23.30*
4.28
0.55
25.95*
Sel LGlyc Q
1
10.60*
11.88
9.89
79.51*
14.24
Sel Q Glyc L
1
8.69
13.18
8.32
9.92
0.05
Sel QGlyc Q
1
0.48
0.40
0.76
4.22
2.30
Lact L Glyc L
1
3.66
7.64
3.20
23.89
0.99
Lact L Glyc Q 1
0.21
5.07
0.62
0.50
0.15
Lact Q Glyc L 1
0.01
0.12
0.36
0.92
0.83
Lact Q Glyc Q 1
1.08
1.13
0.84
16.65
1.25
Erreur
8
14.89
30.71
23.47
69.59
24.81
Total
26
138.02
317.54
175.96
711.35
145.94
(a): Lact = lactose, Glyc = glycérol, L = effet linéaire et Q = effet quadratique
(b): d.l. = degré de liberté
(c): S.C.E. = somme des carrés des écarts
*: = F significatif à 95%; ** = F significatif à 99% et *** = F significatif à 99.9%.
Visco. app.= viscosité apparente

---

---

56
Tableau 3.4:
Equations de régression reliant la tartinabilité et la texture aux effets
significatifs des humectants.
Paramètre
Equations (a)
R2
F
mesuré
Seuil
écoulement =
(15,327 + 8,733 S + 5,402 L - 3,057 G + 0,133 G2 -
(kPa)
3,710 SG + 0,434 SG2) x 10-1
0,725
8,77"""
Viscosité
apparente
(Pa.s)
= (5,647 - 3,436 S + 1,577 S2 + 0,375 L -1,757 G +
0,141 G2 + 1,217 SL - 0,533 S2L + 0,186 SG) x 103
0,710
5,50""
Adhésion
(N.m)
= 2,592 S + 1,506 L + 1,195 G - 0,089 G2 -1,160 SG +
0,119 SG2 - 0,185
0,768
11,03"""
Fermeté
(kPa)
= 1,902 + (8,533 S + 6,472 L· 9,633 G + 0,884 G2)
x 10-1
0,622
9,04"""
Cohésion
= 0,602 + (0,152 S + 0,407 G - 0,025 G2 -0,062 SG)
0,534
6,30"""
x 10-1
(a)
S, L et G expriment respectivement les % de sel, de lactose et de glycérol des fromages.
""
p < 0.01
"""
p < 0.001
N.S. Les équations calculées sont valides dans les intervalles de variation des humectants étudiés, soit:
0,88 s sel s 3,88%,
6,35 s Lactose s 11,35% et °s Glycérol s 10%.

---

- e '3. 1
Effet du sel et du glycérol
sur
la fermeté des
fromages
fondus à tartiner pour une concentration en lactose de
57
6,35 %.
.----------------
tETE
)
12
8
4
3.88
sel
(96)
Glycérol
(%)

---

F,igure 3.2
Effet du sel et du glycérol sur le seuil d'écoul6Tent des
framages fondus à tartiner pour une concentration en lactose
58
de 6,35 %.
-----
SBJIl
écoulment
(kpa)
10.00
--------------
6.67
3.33
3.88
SJ;:L
(96)
Glycérol
(96)

---

59
Figure 3.3:Effet du sel et du glycérol sur l'évolution de la viscosité
apparente des fromages fondus à tartiner pour une concentration
en lactose de 6,35%.
Vi scosité
apparente
(Pa.s)
16500
11000
5500
3.88
Glycêrol
(%)

---

GO
Figure 3.4: Effet du sel et du lactose sur l'évolution de la viscosité
apparente des fromages fondus à tartiner.
Viscosité
apparente
(Pa.s)
16500
11000
5500
3.88
Sel
(%)
Lactose
(%)

---

Figure 3.5: Relation entre les,logarithmes.de seuil d'écoulement et de viscosité
apparente des fromages fondus a tartiner.
105
~---~
j " " ' -
i
""'"'
(1)
•ro0-""""! 104
c:
(l)
L..
ro
0..
0..
ro
,4)
103
...,
-(1)o
U
1
(1)
,
,
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-
l '
I l ' ' ' i
.
>
1 02 1
j '
l
,
l '
"1
i
1
1
10
100
Seuil d·écoulement (kpa}
Û\\
1--'

---

62
CHAPITRE 4
GÉLIFICATION DES PROTÉINES DU LACTOSÉRUM: EFFETS DU NACL. DU
LACTOSE ET DU GLYCÉROL SUR LES CARACTÉRISTIQUES RHÉOLOGIQUES
ET LA CAPACITÉ DE RÉTENTION D'EAU DES GELS.
4.1. Résumé
Une étude antérieure rapportée dans les chapitres précédents avait été menée afin
d'examiner les effets du NaCl, du lactose et du glycérol sur les caractéristiques
physico-chimiques d'un aliment complexe le fromage fondu à tartiner contenant des
protéines du lactosérum. Les effets de ces mêmes facteurs ont été mesurés sur les
propriétés rhéologiques et la capacité de rétention d'eau des gels formés par les
protéines du lactosérum en solution aqueuse afin de tenter d'expliquer leur
participation dans le comportement des fromages fondus.
Les gels protéiques
étaient formés suite au chauffage à 90° C (pendant 15 min.) de solutions contenant
10% de protéines du lactosérum (pH 6.0), ainsi que des humectants ajoutés selon
un plan factoriel à 3 facteurs et 3 niveaux d'étude: NaCI (0, 1,5 et 3%), lactose (0, 3
et 6%) et glycérol (0, 5 et 10%).
La capacité de rétention d'eau (CRE) a été
déterminée par centrifugation et le profil de texture des cylindres de gel (fermeté,
cohésion et force de rupture) par des tests de compression sur Instron.
Des
équations de régression permettant la prédiction de la texture et de la CRE des gels
de protéines du lactosérum à partir des concentrations finales en sel, en lactose et
en glycérol ont été calculées.
L'addition de sel aux solutions de protéines a
entraîné une plus grande augmentation de la CR E et de la fermeté des gels que
celle du lactose ou du glycérol. Les valeurs de la force de rupture étaient plus
élevées avec des concentrations de 2,5% de NaCI et de 7,3% de lactose.
Les
valeurs de cohésion non modifiées par le sel atteignaient des maxima avec des
concentrations d'environ 6% de lactose et de 4% de glycérol. Les modifications des
paramètres de texture et de la capacité de rétention d'eau des gels résultaient à la
fois de la variation de la concentration des protéines dans la phase aqueuse des
gels provoquée par l'addition des composés et des effets simultanés du sel, du
lactose et du glycérol, sur la dénaturation thermique et sur l'agrégation des

---

63
protéines du lactosérum conditionnant toutes deux la formation du réseau protéique
de gel.
4.2 Introduction
En plus d'être reconnues pour leurs propriétés nutritionnelles et organoleptiques
(odeur, saveur et couleur), les protéines du lactosérum possèdent également
d'excellentes propriétés fonctionnelles qui les rendent compatibles avec la
préparation de nombreux produits alimentaires (Delaney, 1976; Schmidt et al.,
1979;
Kohnhorst et Mangino, 1985;
de Wit, 1988).
De ces pro pri étés
fonctionnelles, la plus importante serait celle de gélification impliquée dans
l'amélioration de la texture de nombreux aliments. Les gels de protéines peuvent
être définis comme étant des réseaux ordonnés à trois dimensions formés par des
interactions inter-protéines et immobilisant de grandes quantités d'eau (Kinsella et
Melachouris, 1976).
Les travaux des dernières années sur la gélification des protéines du lactosérum
ont porté principalement sur les facteurs influençant cette propriété.
On admet
généralement que celle-ci dépend d'un grand nombre de facteurs que l'on peut
regrouper dans trois catégories, soit: 1) les facteurs reliés à la protéine elle-même
(état natif, composition en acides aminés, poids moléculaire, hydrophobicité nette et
concentration protéique); 2) les conditions de fabrication (nature du traitement
thermique, vitesse de chauffage et de refroidissement) et 3) les facteurs
environementaux (incluant le pH, la nature des ions et la force ionique, ainsi que la
présence d'autres composés tels que le lactose, les polyols, les lipides et les
composés possédant des groupements thiol) (Schmidt, 1981; Cheftel et gl, 1985;
Mulvihill et Kinsella, 1987; Paulsson et gl, 1990). Cependant, les interactions entre
ces facteurs, de même que leurs influences sur les propriétés texturales des gels
sont peu connues (Mulvihill et Kinsella, 1987). Des recherches additionnelles sont
nécessaires pour déterminer les effets individuels et combinés des divers facteurs
sur la gélification des protéines du lactosérum entières et spécialement sur celle de
la B-Iactoglobuline.
La B-Iactoglobuline étant la principale fraction protéique du
lactosérum, ses propriétés jouent un rôle majeur dans la détermination des
propriétés gélifiantes des protéines du lactosérum (Dumay, 1988;
Mulvihill et
Kinsella, 1988).

---

64
Toutefois, étant donné les nombreux facteurs impliqués dans la gélification, il est
difficile de prédire comment vont réagir les protéines du lactosérum, tout
particulièrement dans les systèmes alimentaires complexes. Dans cette étude, les
effets de certains facteurs comme le sel, le lactose et le glycérol, de même que ceux
de leurs interactions sur les propriétés texturales et la capacité de rétention d'eau
des gels de protéines du lactosérum ont été recherchés.
4.3 Matériel et méthodes
4.3.1 Préparation des gels de protéines de lactosérum
Un concentrat de protéines du lactosérum (CPL) a été fabriqué au Laboratoire du
Département de sciences et technologie des aliments de l'Université Laval à partir
de 2 lots de lactosérum doux de fromage cheddar obtenus à 1 semaine d'intervalle.
Le lactosérum écrémé de pH 6,2 provenant de la fromagerie Lactantia (Victoriaville,
Qué.) a été clarifié par microfiltration à l'aide d'une membrane Romicon de 0,2 pm
avant ultrafiltration et diafiltration sur une membrane PM-10 (Romicon). Le rétentat
d'ultrafiltration a été transféré dans des plateaux pour congélation et lyophilisation
pendant environ 72 h. La poudre obtenue broyée au moyen d'un robot culinaire a
été mélangée à l'aide d'un mélangeur de poudres Twin shell dry blender (Paterson-
Kelley Co., Stroudsburg, Pennsylvanie). La composition du concentrat de protéines
de lactosérum obtenu est présentée au Tableau 4.1.
Des solutions aqueuses à
10% de protéines de lactosérum et à différents niveaux de sel (Sifto, Windsor, Ont.),
de lactose (Saputo, Montréal, Qué.) et de glycérol (Canada Packers, Toronto, Ont.)
ont été préparées.
Les quantités d'ingrédients calculées pour 300g de solution
finale sont présentées au Tableau 4.2. Le pH des solutions protéiques a été ajusté
à 6,0 au moyen de NaOH 1 M et l'hydratation des protéines à température de la
pièce a duré 1 h. Le chauffage des échantillons transférés dans des seringues en
plastique de 60 ml et dans des tubes à gel en plastique de 15 ml a été effectuée à
90°C (±1°C) pendant 15 minutes, suivie d'un refroidissement d'environ 1 h dans de
l'eau glacée.
4.3.2 Détermination de la texture des gels
Les gels formés, sortis soigneusement des seringues pour éviter les bris, ont été
équilibrés à température de la pièce pendant environ deux heures. Trois segments

---

<\\\\
65
de 25 mm de long avec LIn diamètre de 26 mm ont été découpés dans la région
centrale de chaque gel et soumis à deux tests de compression entre deux plaques
métalliques parallèles à l'aide d'un appareil Instron "Universal Testing Machine"
(Instron Canada Ltée, Burlington, Ont.).
4.3.2.1 Test de double compression
Six segments d'un même échantillon de gel étaient compressés radialement à deux
reprises jusqu'à 20% du diamètre initial avec une cellule de charge maximale de
19,62 N à une vitesse de 10 cm/min. L'analyse du profil de texture de la double
compression a été réalisée selon la méthode de Bourne (1978). La fermeté (N/m)
correspondant à la résistance à la compression d'un échantillon ou encore à la
force requise pour atteindre une déformation donnée (Szczesniak,1963), a été
obtenue en effectuant le rapport de la force requise pour compresser l'échantillon
sur la déformation engendrée. La cohésion a été calculée comme étant le rapport
de l'aire sous la courbe de la seconde compression sur l'aire sous la courbe de la
première.
4.3.2.2 Compression au point de rupture
Six cylindres de gel ont également été compressés, jusqu'à la rupture, à l'aide
d'une cellule de charge maximale de 4905N, à une vitesse de 10 cm/min. Le point
de rupture indiqué par un rapide changement de pente sur la courbe et la force de
rupture correspondante étaient enregistrées.
4.3.3 Détermination de la capacité de rétention d'eau (CRE) des gels
La capacité de rétention d'eau des gels a été évaluée par centrifugation selon la
méthode de Jauregui et gL. (1981) légèrement modifiée. Des échantillons d'environ
1,5g prélevés des tubes à gel ont été pesés avant et après centrifugation.
Les
échantillons placés dans des tubes de cellulose tapissés dans le fond par des petits
morceaux de coton à fromage pour faciliter la récupération du produit écrasé ont été
centrifugé à 4°C à une force correspondant à 30900 g à l'aide d'une centrifugeuse
Sorvall RC-5B et d'un rotor SS-34 (Du Pont Instruments).
La CRE (%) a été
calculée et exprimée soit en g de solution aqueuse expulsée par 100g de gel
(équation 1) ou en g d'eau perdue par 100g de gel (équation 2).

---

66
CRE
g d'échantillon après centrifugation X 100
g d'échantillon avant centrifugation
(1 )
g de solution expulsée X
100g d'eau
CRE
(2)
100g de gel
100
+ I
H
où
IH= Somme de la concentration d'humectants dans la phase aqueuse des
gels (exprimée en g/100g d'eau).
La mesure de la capacité de rétention d'eau des gels a été réalisée en triplicata.
4.3.4 Analyses physico-chimiques
4.3.4.1 Humidité, qras, protéines et lactose
La teneur en eau du concentrat protéique lyophilisé a été déterminé par séchage
dans un four à vide pendant 18 h à 1000 C (A.O.A.C.. 1984). La matière grasse a
été évaluée par extraction à chaud des lipides à l'aide d'un mélange de
chloroforme-méthanol sur un extracteur Goldfish (Rinn et aL. 1990). Les protéines
ont été dosés par la méthode Kjeldahl automatisée sur un appareil Kjel-Foss
Automatic 16210 A/SN (Foss Electric, Roskildevej, Danemark), en utilisant un
facteur de conversion de 6.38.
Le dosage du lactose a été réalisée par une
méthode colorimétrique (Sarnett et aL. 1957). La densité optique des solutions était
mesurée à une longueur d'onde de 490 nm avec un spectrophotomètre HP 8451 A
(Hewlett-Packard, Corvallis, Oregon).
4.3.4.2
a-lactalbumine et B-Iactoqlobuline
Le pourcentage d'a-La et de B-lg dans la poudre protéique a été déterminé par
HPLC, selon la méthode décrite par Vjjayalakshmi et al. (1986), en utilisant une
colonne TSK-SW 2000 équipée d'une pré-colonne TSK-GSWP.
4.3.4.3
Minéraux
Le dosage spécifique des principaux minéraux du CPL a été effectué après
extraction humide par spectrophotométrie d'absorption atomique. Pour le dosage

---

67
du Ca, Mg, Fe et Mn, 12 ml d'acide nitrique concentré ont été ajoutés dans un tube
à digestion renfermant 1 g d'échantillon séché et broyé pour une pré-digestion
d'environ 12 h. On a ensuite ajouté 3 ml d'acide perchlorique au mélange avant de
placer les tubes dans un bloc digesteur pour réaliser une digestion de 30 min à
environ 400°C.
Le résidu a été transféré dans une fiole jaugée de 25 ml et dilué
avec de l'eau bidistillée et déminéralisée.
L'analyse du calcium (Ca) et du
magnésium (Mg) a nécessité une dilution avec de l'oxyde de lanthane (5000 ppm)
afin de libérer les ions pouvant être retenus par les phosphates.
Le dosage était
réalisé au moyen d'un spectrophotomètre d'absorption atomique Instrumentation
Laboratory 751 (Wilmington, MA) utilisé en mode absorption. Pour l'analyse de K et
de Na, une extraction humide a été également réalisée mais sur O,5g d'échantillon
séché et broyé. La solution extractive (25ml) était composée d'oxalate d'ammonium
0,24 N (A.O.A.C., 1984). Après une durée d'extraction de 30 min le mélange a été
filtré et dilué à la concentration désirée toujours avec de la solution extractive.
L'analyse en duplicata a été réalisée sur spectrophotomètre en mode émission.
4.3.5 Analyses statistiques
Le sel (0, 1,5 et 3% p/p), le lactose (a, 3 et 6% p/p) et le glycérol (a, 1,5 et 10% p/p)
ont également été ajoutés à différentes concentrations dans les échantillons selon
un plan factoriel complet à 3 facteurs et 3 niveaux. Le protocole de préparation des
gels et des analyses subséquentes de la texture et de la capacité de rétention d'eau
des gels a été répété.
Les valeurs moyennes pour les différents paramètres
mesurés ont été soumises aux analyses de variance selon la procédure ANOVA
(SAS, 1985) afin de déterminer les effets des traitements significatifs au seuil de
95%. Les degrés de liberté associés au NaCI , au lactose, au glycérol et à leurs
interactions ont été décomposés en degré simple de liberté. Les effets trouvés
significatifs et expliquant au moins 5% de la variation expliquée d'un paramètre
donné ont été retenus pour le calcul d'équations de régression multiple.
Des
représentations graphiques tridimensionnelles à l'aide de SAS-Graph ont été
effectuées pour les équations comprenant des termes complexes (termes
quadratiques ou d'interactions).

---

68
4.4
Résultats et discussion
4.4.1
Composition chimique du CPL de l'étude et gélification des solutions
aqueuses des protéines du lactosérum.
La composition chimique du CPL de l'étude et la contribution de celle-ci à la
composition des solutions aqueuses expérimentales sont présentées au Tableau
4.1. Les protéines en plus grande concentration dans le CPL représentent 65%.
On peut également noter la présence de lactose, de lipides résiduels et celle des
minéraux à des concentrations pouvant influencer la gélification des protéines. La
séparation des fractions protéiques par HPLC a révélé la présence sur le
chromatogramme de 2 pics majeurs à des temps de rétention de 23,1 et 24,1
minutes (Figure 4.1). Le premier pic dominant correspondrait à la f3-lg et le second
à l'a-La, des temps de rétention identiques, de 23,5 et 24,3 ayant été rapportés,
respectivement pour la f3-lg et l'a-La (Vijayalakshmi et &, 1986).
La f3-lg
représentant 53% de la fraction protéique dominait ainsi la composition du CPL de
l'étude. Les CPL délipidés auraient un ratio a-Lalf3-lg de 0,51 (de Wit et gL, 1986).
Ce même ratio avoisinant 0,75 pour le CPL de l'étude, indique que celui-ci
présentait une teneur élevée en a-La. Divers facteurs, tels que le type et la source
du lactosérum de départ, les caractéristiques de réjection de la membrane
d'ultrafiltration et le niveau de concentration atteint, peuvent modifier le rapport
entre fractions protéiques d'un CPL issu d'une ultrafiltration (Delaney, 1976). La
protéine en plus grande concentration dans un CPL domine habituellement les
propriétés de gélification de ce CPL (Paulsson et.ê.L., 1986). Selon ces mêmes
auteurs, en mélange et à concentration égale, l'influence sur la gélification des
protéines du lactosérum diminue selon l'ordre suivant: sérumalbumine bovine> f3-
Ig > a-La. En solutions aqueuses à 10% de protéines, la gélification du CPL a été
dirigée vraisemblablement par la f3-lg avec des capacités gélifiantes intermédiaires
entre a-La et la SAS et représentant plus de la moitié des protéines présentes.
La concentration en lipides résiduels dans les solutions protéiques était de 0,45%.
Il est bien connu que la présence de lipides nuit à la gélification des protéines du
lactosérum (Schmidt et.ê.L., 1978; Schmidt, 1981; Mulvihill et Kinsella, 1987).
D'après Schmidt et gL (1978), des solutions dialysées de protéines de lactosérum
présentant un ratio protéines/lipides de 100 forment des gels translucides, de
cohésion et de fermeté très élevées. Ce ratio, de l'ordre de 20 pour les solutions

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69
protéiques expérimentales, indique qu'en dépit de l'opération de clarification par
microfiltration appliquée au lactosérum afin d'éliminer les lipides résiduels, celles-ci
présentaient une teneur en lipide qui a pu interlérer négativement avec la
gélification des protéines.
Les principaux minéraux du CPL ont été, en ordre décroissant, le potassium, le
calcium et le sodium. Les effets des minéraux sur la gélification des protéines
dépendent de la force ionique et de la nature des ions (Schmidt et al., 1979;
Varunsatian et sL 1983). En l'absence d'addition de NaCI, la force ionique (1) des
solutions protéiques était contrôlée essentiellement par le potassium (1= 0,034) et le
calcium (1= 0,01), la contribution des autres espèces étant négligeable (1 < 0,01). A
force ionique égale, les ions Na+ préviendraient l'agrégation des protéines de
lactosérum chauffées à plus de 70°C, tandis que les ions Ca++ ou Mg++ la
favoriseraient (Varunsatian et g.L, 1983). Cet effet du calcium serait néanmoins
dépendant de sa concentration, une certaine quantité de calcium étant requise pour
des liaisons croisées inter-protéines (Kohnhorst et Mangino, 1985). D'après ces
auteurs, le calcium à des concentrations élevées, inhibe la formation de gel en
favorisant les interactions protéine-protéine conduisant à l'agrégation. Cet élément
trouvé en plus grande concentration que le sodium et le magnésium a pu jouer un
rôle important dans la formation des gels, particulièrement pour les échantillons
n'ayant pas reçu d'addition de NaCI. De plus, à une concentration de 12,37 mM/I
dans les échantillons, le calcium avoisinerait le niveau optimal de 11,1 mM/I requis
pour obtenir un gel de force maximale (Schmidt et §L, 1979). Le rôle joué par le
calcium (et d'autres cations divalents) dans la formation des gels peut se situer
dans la formation de ponts salins entre molécules protéiques partiellement
déplissées et chargées négativement. Ce type de liaison impliquant une énergie
de 42 à 84 kJ . mole -1 (Cheftel et §L, 1985) serait avec la liaison hydrophobe,
d'une grande importance dans la formation de gels de protéines de lactosérum. Un
modèle incluant l'hydrophobicité et la teneur en calcium des échantillons a été
proposé par Kohnhorst et Mangino (1985) pour prédire la force de ces gels. Les
teneurs en lactose et en eau du CPL ont été considérées dans le calcul de la
composition finale des gels.

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70
4.4.2 Effets du NaCl, du lactose et du glycérol sur les paramètres
rhéologiques et la capacité de rétention d'eau des gels de protéines du
lactosérum
Le chauffage à 90° C pendant 15 min des solutions à 10% de protéines de
lactosérum à pH 6,0 a produit des gels blancs opaques analogues à ceux du blanc
d'oeuf. Les propriétés rhéologiques et la capacité de rétention d'eau (CRE) de ces
gels ont été déterminées.
Les valeurs moyennes des deux répétitions de
l'expérience sont résumées au Tableau 4.3.
On peut remarquer dans ce tableau
que l'échantillon témoin avait les valeurs les plus faibles pour l'ensemble des
paramètres rhéologiques mesurés, excepté pour la cohésion.
De plus, les
échantillons de gel de composition différente en sel, lactose et glycérol présentaient
d'importantes différences de texture et de CRE. L'ampleur des différences pour la
CR E était plus grande lorsque les données de ce paramètre étaient calculées et
exprimées en g d'eau perdue/100g de gel plutôt qu'à partir du simple % de solution
perdue par rapport au produit initial.
Les résultats des analyses de variance présentés au Tableau 4.4 ont révélé que les
trois humectants exercent une influence significative au seuil de confiance de 95%
sur l'ensemble des paramètres à l'exception de la cohésion non affectée par le
NaCI.
L'analyse de tendance réalisée sur les effets des 3 facteurs a permis de
constater que les effets significatifs les plus importants ont été les effets linéaires.
Les effets linéaires combinés des 3 facteurs de composition expliquaient 63% de la
variation de la fermeté, 55% de celle de la force de rupture et 93% de la variation de
la CRE exprimée en g d'eau perdue/100 g de gel.
Des effets quadratiques hautement significatifs (pc: 0.0001) ont été trouvés, mais le
% de variation absorbé par ces effets était inférieur à 9%, à l'exception des effets
quadratiques du lactose sur la cohésion (18%) et sur la force de rupture des gels
(11 %). Les effets quadratiques expliquant au moins 5% de la variation totale ont
été retenus dans le calcul des équations de régression reliant les effets du sel, du
lactose et du glycérol aux caractéristiques des gels.
Certaines interactions
significatives (p< 0,05) entre le sel, le lactose et le glycérol, ont également été
trouvées mais la plupart d'entre elles étaient de moindre importance, (avec des %
de variation expliquée inférieurs à 5%), à l'exception de sel L x glyc Q sur la CRE
(7%) (Tableau 4.4).
Ainsi le sel, le lactose et le glycérol influencent de façon

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71
essentiellement indépendante les propriétés de texture et de rétention d'eau des
gels. Pour cette raison et pour des motifs de simplification aucun terme d'interaction
n'a été considéré dans le calcul des équations de régression.
On peut remarquer également au Tableau 4.4 que les effets des traitements restent
inchangés pour la CRE expriméeen g de solution/100g ou en g d'eau/100g, alors
que les valeurs de F et les % de la variation expliquée des effets hautement
significatifs augmentent fortement dans le dernier cas. Ces changements
résulteraient de la diminution du terme de l'erreur dont la part dans la variation
totale est passée d'environ 35% à 4%, entraînant une augmentation du seuil de
significativité et du % de la variation expliquée par les facteurs d'étude.
A partir des données du Tableau 4.4, une sélection des termes a été effectuée afin
de calculer des équations de régression permettant la prédiction des paramètres
étudiés des gels. Les critères de sélection étaient doubles. Un terme était retenu
lorsque celui-ci était significatif (p< 0,05) et expliquait au moins 5% de la variation
totale afin de ne pas alourdir les expressions par des termes complexes expliquant
un faible % de la variation.
Les diverses équations de régression calculées à partir des effets sélectionnés lors
de l'analyse de variance sont présentées au Tableau 4.5..
Ces équations
permettent de prédire une part importante de la CRE (93%), de la force de rupture
(73%), de la fermeté (68%) et dans une moindre mesure de la cohésion (37%).
Toutes ces équations hautement significatives (p< 0,0001) sont valides dans les
limites du plan expérimental rapporté au Tableau 4.3, à savoir: 0 < sel < 3%; 3,72 <
lactose < 9,72% et 0 < glycérol < 10%.
Les équations de la fermeté et de la force
de rupture comprenant des termes quadratiques et prédisant plus de 50% de
l'évaluation du paramètre mesuré ont été représentées graphiquement afin de
visualiser les tendances (Figures 4.2 et 4.3). Les équations et les figures associées
permettent de suivre l'évolution des caractéristiques rhéologiques et de la capacité
de rétention d'eau des gels en fonction de la concentration des humectants de ces
derniers. A partir de l'équation de la fermeté et de la figure 4.2, on peut observer
que la fermeté des gels augmente avec les niveaux de sel, de lactose et aussi de
glycérol. Cependant, l'augmentation de la fermeté par le glycérol débute à partir
d'une concentration d'environ 1,75%. La force de rupture exprimant également la
force des gels s'élève légèrement en fonction du glycérol, tandis que ce paramètre

---

72
croit ou décroît selon la concentration de sel ou de lactose (Figure 4.3). La force de
rupture atteint un maximum pour une concentration de 2,5% de NaCI et de 7,3% de
lactose.
La perte d'eau des gels diminue fortement avec toute addition
d'humectants. Le modèle pour prédire la cohésion s'est révélé imprécis, permettant
de prédire seulement 37% de la variation de ce paramètre. L'erreur de la mesure
peut être à l'origine de la faiblesse du modèle, l'analyse de variance indiquant un
terme d'erreur élevé, lequel représente 46% de la variation totale (Tableau 4.4).
Dans les équations de régression. les coef'ficients associés au NaCI étaient en
général plus élevés que ceux du lactose et du glycérol. Ceci peut indiquer que
parmi les trois humectants testés, le sel a joué un rôle prépondérant sur la
gélification des solutions protéiques. Le lactose avec des coefficients d'une valeur
intermédiaire se classerait au second rang devant le glycérol. Cependant, lors de
l'addition d'humectants aux solutions protéiques, la variation associée de la
concentration protéique dans la phase aqueuse des gels a pu également modifier
les propriétés des gels.
4.4.3 Influence de la concentration protéique de la phase aqueuse sur la
modification des propriétés des gels
Les quantités de sel, de lactose et de glycérol ajoutées dans un échantillon ont
substitué une quantité équivalente d'eau de la recette de l'échantillon témoin sans
ajout. En conséquence, l'eau s'est trouvée à des proportions variables dans les
échantillons, entraînant une modification de la concentration en humectants et en
protéines dans la phase aqueuse des gels (tel qu'indiqué au Tableau 4.6), alors
que la concentration en protéines par g de gel a été maintenue constante pour tous
les échantillons.
On peut remarquer au Tableau 4.6 que les plus importantes
augmentations se sont produites avec les protéines dont la concentration est
passée de 11, 76g/1 OOg d'eau dans l'échantillon le plus hydraté (échantillon
témoin) à 15,27g/100g d'eau dans l'échantillon le moins hydraté (échantillon 27),
soit une variation de l'ordre de 30%. Toutefois, cette variation de la concentration
protéique entre échantillons est réduite lorsqu'on tient compte du glycérol présent
dans certains échantillons (Tableau 4.6). Selon et Lacroix et Castaigne (1985), le
glycérol agit comme l'eau, en tant que solvant et milieu dispersant pour les autres
ingrédients dans la phase aqueuse. La variation extrême passe de 30% à moins
de 23%, entre l'échantillon 18 (11,37 g/100g) et l'échantillon 25 (13,93g/100g).
L'augmentation de la concentration en protéines dans la phase aqueuse peut

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73
expliquer en partie les modifications observées au niveau des propriétés
rhéologiques et de la capacité de rétention d'eau des gels.
Un calcul des
coefficients de corrélation simple a été effectué pour mesurer le degré de relation
entre la concentration en protéines dans la phase aqueuse et la variation de divers
paramètres des gels. Des valeurs de r de l'ordre de -0,95 (p< 0,0001). 0,694 (p<
0,0001), 0,484 (p< 0,0001) et de seulement 0,347 (p< 0,05) ont été obtenues,
respectivement pour la CRE (exprimée en g d'eau perdue/100g), la fermeté, la force
de rupture et la cohésion. Ces résultats indiquent que lorsque la concentration en
protéines augmente, la force des gels augmente également tandis que la perte
d'eau diminue. La force des gels exprimée à la fois par la fermeté et la force de
rupture augmenterait en fonction de la concentration en protéines suite à une
augmentation de la probabilité de rencontre des protéines et à la formation d'un
réseau plus dense (Bau et gL 1985). Par ailleurs, aux concentrations protéiques
élevées, il y aurait formation d'un réseau gélifié avec des mailles serrées et de plus
petits pores pouvant retenir plus fortement J'eau libre (Woodward et Cotterill, 1986),
avec pour conséquence une diminution de la quantité d'eau expulsée du gel lors
de la centrifugation. Cependant, l'effet de l'eau ne peut expliquer seul les résultats
obtenus pour les ge/s. En effet, le sel par exemple, avec un effet majeur sur les
caractéristiques rhéologiques des gels n'a en fait varié que de 0 à 3% dans les
échantillons, impliquant une variation de la teneur en protéines de 11,76 à
12,27g/100g d'eau pour les échantillons témoin (1) et à 3% de sel ajouté (19)
(Tableau 4.6).
4.4.4 Influence du NaCI. du lactose et du glycérol sur la dénaturation
thermique des protéines du lactosérum
Les mécanismes sous-tendant la formation des gels protéiques ne sont pas
entièrement élucidés. Néanmoins, il semble admis qu'une certaine dénaturation
correspondant à un déplissement ou à une altération de la conformation des
protéines natives soit un pré-requis à la formation d'une structure ordonnée de gel
(Hermansson, 1979; Mulvihill et Kinsella, 1987). Cette dénaturation serait suivie
d'une agrégation impliquant des interactions à la fois entre protéines dénaturées et
entre les protéines et l'eau.
La dénaturation des protéines suivie de l'agrégation
des molécules protéiques dénaturées constituent les 2 étapes de la gélification. Le
sel. /e lactose et le glycérol ont pu apporter des modifications aux gels de protéines
du lactosérum en influençant l'une ou l'autre de ces étapes. Le déplissement des

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74
molécules protéiques favorise les interactions protéine-protéine en augmentant
l'exposition des groupements réactifs, spécialement des groupements hydrophobes
des protéines globulaires (Cheftel et al., 1985). Les groupements sulfhydrils
internes sont aussi démasqués par le chauffage qui aurait pour rôle de découvrir un
grand nombre de sites de liaison et de favoriser la formation de ponts disulfure
(Razanajatovo et al., 1978). Le déroulement des protéines du lactosérum sans
aucune addition de sel surviendrait à 75°C (Varunsatian et al., 1983).
En soumettant les solutions protéiques à un traitement thermique de 90° C pendant
15 minutes, il s'est produit un déplissement des molécules de protéines du
lactosérum, de même qu'un démasquage de leurs groupements réactifs, en
particulier pour l'échantillon sans addition d'humectants. L'effet protecteur du NaCI
vis à vis de la dénaturation thermique des protéines est bien connu (Hermansson et
Akesson, 1975), de même que celui des sucres et des polyols (Bernai et Jelen,
1985; Garrett et al., 1988). A cette température de 90°, les protéines, spécialement
pour les échantillons contenant le plus d'humectants, n'ont éventuellement pas
toutes été dénaturées et n'ont pu ainsi participer pleinement aux réactions
d'agrégation.
Une diminution de la dénaturation et de l'agrégation subséquente
des protéines lorsque les concentrations en NaCl, lactose et glycérol augmentent
peuvent expliquer la diminution de la cohésion et de la force de rupture observée à
partir de certaines concentrations.
Pour la force de rupture, par exemple, la
diminution s'est produite avec le sel à partir de 2,5% et le glycérol à partir de 7,3%.
Une étude plus approfondie de l'influence de ces humectants sur la dénaturation
thermique des protéines du lactosérum a été réalisée et rapportée au chapitre 5.
L'étude a été menée afin de vérifier dans quelle mesure les modifications des
caractéristiques des gels pourraient être expliquées par les effets éventuels du
NaCI, du lactose et du glycérol sur la dénaturatipn thermique des protéines du
lactosérum.

---

75
4.4.S Influence du NaCl, du lactose et du glycérol sur l'agrégation des
protéines du lactosérum
L'agrégation des protéines dénaturées constitue la seconde étape de la gélification.
Celle-ci doit se dérouler plus lentement que l'étape de dénaturation pour permettre
aux protéines déplissées de s'orienter librement et de se lier à des sites spécifiques
afin de former un réseau à 3 dimensions capable de piéger l'eau (Hermansson,
1979). Le processus implique principalement des interactions hydrophobes, ainsi
que des liaisons ioniques, hydrogènes et covalentes représentant ensemble les
forces d'attraction.
En même temps que ces interactions protéine-protéine, se
développent d'autres interactions entre les protéines et l'eau. Ainsi, la capacité des
protéines du lactosérum dénaturées à former des gels dépendrait de l'équilibre
critique entre les forces attractives et les forces répulsives, ces dernières étant
représentées par les interactions protéine-solvant et les répulsions électrostatiques
(Mitchell, 1980; Schmidt, 1981; Cheffel et al., 1985; Mulvihill et Kinsella, 1987).
En s'orientant avant l'agrégation, les protéines formeraient un réseau ordonné de
gel homogène, fortement expansé, très élastique, transparent et capable
d'immobiliser ou de piéger de grandes quantités d'eau (Schmidt, 1981; Cheffel et
gl., 1985).
Le chauffage de la solution protéique à pH 6,0 sans addition
d'humectant a produit un gel de force et de cohésion faibles et retenant faiblement
l'eau. A pH 6,0, les molécules protéiques étaient soumises à de faibles répulsions
électrostatiques étant donné la proximité de leurs points isoélectriques (pl) situé
dans la gamme de pH de 4,S à S,S (Jost et al., 1986). Au pH isoélectrique, en
l'absence des répulsions, les attractions excessives entre groupements chargés
des protéines conduisent à la formation d'un gel moins ferme et moins hydraté se
rapprochant d'un coagulum (Cheftel et al., 1985). Le réseau gélifié formé serait
grossier, moins fort, avec de larges pores et une capacité de rétention d'eau faible
(Woodward et Cotterill, 1986). Selon Bau et al. (198S), les molécules protéiques
soumises aux fortes attractions se plisseraient et s'agrégeraient individuellement.
Au pH des solutions expérimentales (pH 6,0), les fractions protéiques du lactosérum
avaient une légère charge nette pour leur permettre de gélifier. Cependant, il est
possible que les répulsions électrostatiques n'étaient pas suffisantes pour contrer
les importantes forces d'attraction et ainsi favoriser la formation d'une matrice de gel
de force et de capacité de rétention d'eau élevées.

---

76
4.4.5.1 Effet du sel
L'addition de NaCI aux solutions protéiques a entraîné une augmentation de la
force des gels et de leur capacité de rétention d'eau. Les minéraux, selon leurs
propriétés naturelles et leur concentration dans le milieu, peuvent influencer les
attractions et les répulsions électrostatiques intra ou inter molécules protéiques en
atténuant la charge électrostatique des groupements COO- et NH3+ des protéines
(Mitchell,1980; Bau et gh, 1985). Cet effet des sels. selon Woodward et Cotterill
(1986) est cependant dépendant du pH,
surtout à faible concentration.
L'augmentation de la force des gels et de la capacité de rétention d'eau lors de
l'addition de NaCI pourrait s'expliquer par un effet de liaison des ions chlorure aux
protéines du lactosérum. Lorsque cette liaison survient aux pH supérieurs au point
isoélectrique. la charge nette des protéines est alors accrue, de même que les
forces répulsives. permettant l'obtention de gels plus forts retenant plus d'eau. Des
effets analogues du NaCI sur l'augmentation de la charge des protéines du
lactosérum ont été rapportés par Mulvihill et Kinsella (1988) et sur celui d'autres
systèmes protéiques par Hermansson et Akesson (1975).
L'effet positif du NaCI observé sur la force des gels dépend néanmoins de sa
concentration dans le produit.
L'équation de la force de rupture (Tableau 4.5)
permet de situer la limite pour l'obtention des gels forts à une concentration en NaC/
équivalente à 2,5% (soit. 0,43 M). Ces résultats concordent avec les observations
de Schmidt et gL (1978) qui ont également obtenu des gels de protéines de
lactosérum forts en présence de NaCl, jusqu'à une concentration de 0,43 M. Le
NaCI améliorerait l'équilibre entre les forces attractives et les forces répulsives au
voisinage de cette concentration. A des concentrations supérieures, les répulsions
entre molécules
protéiques
deviendraient
excessives
pour
permettre
l'établissement d'interactions protéine-protéine à un niveau optimal.
Le NaCI ajouté aux solutions expérimentales a pu également modifier les
propriétés des protéines du lactosérum en solution en influençant la force ionique.
Selon Schmidt (1981), il Y aurait plus d'attractions protéine-protéine à une force
ionique élevée. d'autant plus qu'aux concentrations élevées de sel, les ions
compétitionnent avec les protéines pour l'eau.
Aux faibles valeurs de la force
ionique, la solubilité protéique croît (phénomène de salting in).
Le NaCI en
concentration de 0.05 M à 0,1 M aurait un effet protecteur sur la B-Iactoglobuline vis-

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77
à-vis de l'agrégation, tandis que, au delà de 0,2 M, il favoriserait cette dernière
(Harwalkar et Kalab, 1985). La gélification des protéines du lactosérum a pu être
favorisée jusqu'à une force ionique limite, au delà de laquelle un début de
précipitation protéique a pu se produire (phénomène de salting out).
Selon
Schnepf (1989), des interactions protéine-solvant importantes dans un système
résultent en un gel viscoélastique fortement hydraté, tandis qu'un faible niveau
d'interactions protéine-solvant entraine une précipitation due à l'exclusion de l'eau
du système.
4.4.5.2 Effet du lactose et du glycérol
Des gels de cohésion et de force élevées ayant de bonnes propriétés de rétention
d'eau ont également été obtenus lors d'addition de lactose et de glycérol.
Les
liaisons croisées entre molécules protéiques déplissées permettant la formation
d'une structure de gel implique la mise en jeu de diverses forces de liaison
d'énergie différente dont les liaisons hydrogènes. Celles-ci, avec une énergie de
liaison de 8 à 12 kJ . mole -1
seraient particulièrement favorisées lors du
refroidissement par la présence de sucres et de polyols (Cheftel et al., 1985).
L'augmentation de la force des gels et de leur capacité de rétention d'eau par le
lactose et le glycérol pourrait résulter de ce phénomène.
Cependant, des
diminutions observées de la force de rupture et de la cohésion des gels à certaines
concentrations de lactose et de glycérol laissent penser qu'il existerait des
concentrations limites au-delà desquelles ces humectants inhibent l'agrégation
protéique.
Dans le cas du lactose, le calcul effectué à partir de l'équation de la
force de rupture indique une concentration limite proche de 7,3% et dans celui du
glycérol, une concentration limite de 4%, déterminée à partir de l'équation de la
cohésion. L'inhibition de l'agrégation protéique par le lactose et le glycérol au delà
de leurs concentrations limites s'expliquerait par l'influence de ces substances sur
les monomères de la ~-Iactoglobuline dirigeant la gélification.
Cette protéine
existant essentiellement sous forme d'un dimère à son état natif (à un pH voisin du
pH isoélectrique) se monomérise dès les premiers temps du chauffage. C'est un
début de dénaturation, mais il est à noter qu'à ce moment, les monomères de la (3-lg
ne sont pas encore déplissés. Hillier et Lyster (1979), de même que Garrett et al.
(1988) ont rapporté que le lactose inhibait l'agrégation des protéines du lactosérum
lors des traitements thermiques.
Selon Garrett et gl. (1988),
les sucres
stabiliseraient la forme dénaturée de la B-Iactoglobuline.
En d'autres mots, les

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78
sucres empêcheraient les monomères de la B-Iactoglobuline de se dérouler et de
découvrir leurs sites réactifs conduisant à des réactions d'agrégation. Les polyols
exerceraient Lin effet identique.
4.5 Conclusion
Les effets du NaCl, du lactose et du glycérol, ainsi que de leurs interactions sur des
caractéristiques rhéologiques et la capacité de rétention d'eau des gels de
protéines du lactosérum ont été déterminés dans cette étude. L'addition de NaCl,
de lactose et de glycérol aux solutions protéiques a entraîné d'importantes
modifications au niveau des gels. Ces modifications pourraient provenir de divers
effets des humectants à la fois sur la dénaturation thermique et l'agrégation des
protéines du lactosérum partiellement déplissées.
Le NaCI a pu modifier la gélification des protéines du lactosérum en augmentant
leur charge électrostatique et en influençant la force ionique des solutions jusqu'à
une concentration de 0,43 M. Le lactose et le glycérol peuvent avoir contribué à la
formation des gels en favorisant l'établissement de liaisons hydrogènes. L'addition
d'humectants aux solutions protéiques a également entraîné une variation de la
concentration protéique dans la phase aqueuse des gels pouvant contribuer en
partie à la variation des paramètres mesurés.
Des équations de régression pouvant permettre la prédiction des paramètres
rhéologiques et de la capacité de rétention d'eau des gels de protéines du
lactosérum à partir de la concentration en NaCl, en lactose et en glycérol des
solutions protéiques ont été déterminées.
4.6 Références bibliographiques
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4.7 Tableaux et figures

---

82
Tableau 4.1: Composition chimique du CPL de l'étude et contribution à la
composition finale des solutions protéiques expérimentales.
Composition
CPL
Solutions
Concentration
CPL
Solutions
chimique
protéiques
des minéraux
protéiques
(% p/p)
(% p/p)
(% p/p)
(mM)
Protéines
totales
64,9
10,0
Sodium
0,2
10,1
a-La
26.0
4,0
Potassium
1,7
68,2
f3-lg
34,4
5.3
Calcium
0,3
12,4
Lactose
24,0
3,7
Magnesium
0,1
3,8
Lipides
2,9
0.5
Fer
11,5 (ppm) < 0,1
Eau
6,0
0,9
Manganèse
1,0 (ppm) < 0,1

---

83
Tableau 4.2: Quantités de NaCl, de lactose, de glycérol et d'eau requises pour la
préparation des solutions expérimentales à 10% de protéines du
lactosérum (sur une base de calcul de 300g).
NaCI
Lactose
Glycérol(2)
Eau pour compléter
Echantillon (1)
300 9 de solution
(g)
(g)
(g)
(g)
1
0,0
0,0
0,0
253,5
2
0,0
0,0
15,6
237,9
3
0,0
0,0
31,3
222,3
4
0,0
9,0
0.0
244,5
5
0.0
9,0
15,6
228,9
6
0.0
9.0
31.3
213,3
7
0.0
18,0
0,0
235,5
8
0.0
18,0
15,6
219,9
9
0.0
18,0
31,3
204,3
10
4,5
0.0
0,0
249.0
11
4,5
0,0
15,6
233,4
12
4,5
0,0
31.3
217,8
13
4,5
9,0
0,0
240,0
14
4,5
9.0
15,6
224,4
15
4,5
9,0
31,3
208,8
16
4,5
18,0
0,0
231,0
17
4,5
18,0
15,6
215,4
18
4,5
18,0
31,3
199,8
19
9,0
0,0
0.0
244,5
20
9,0
0,0
15,6
228,9
21
9,0
0,0
31,3
213,3
22
9,0
9,0
0,0
235,5
23
9,0
9,0
15.6
219,9
24
9,0
9,0
31,3
204,3
25
9,0
18,0
0,0
226,5
26
9,0
18.0
15,6
210,9
27
9,0
18,0
31,3
195,3
(1 )
La quantité de CPL (à 64,9% de protéine) ajoutée aux échantillons était de
46.2g.
(2)
La quantité de glycérol (pur à 96%) a été calculée en tenant compte de sa
pureté soit: glycérol (g)= 300g x % glycérol x 1/0,96.

---

84
Tableau 4.3:
Valeurs moyennes pour les 2 répétitions du plan d'expérience des
paramètres de texture et de la capacité de rétention d'eau (CRE) des
gels en fonction des concentrations en NaCI, lactose et glycérol dans
le produit final.
Concentration dans le produit
Paramètres de tex1ure
Capacité de rétention
Echantillon
final
d'eau
de gel
NaCI
Lactose 1Glycérol
eau2
Fermeté
Cohésion Force de
CRE
CRE
rupture
(g sol}1 OOg)
(g eau!100g)
(% p/p) (% p/p)
(% p/p)
(% p/p)
(N/m)
(N)
1
0,0
3,7
0,0
85,1
~ 0,12
0,66
4,85
76,73
73,52
2
0,0
3,7
5,0
80,6
0,25
0,72
6,03
75,50
68,13
3
0,0
3,7
10,0
75,7
0,20
0,77
8,39
72,93
61,73
4
0,0
6,7
0,0
81,5
0,16
0,80
8,82
74,56
68,87
5
0,0
6,7
5,0
77,3
0,17
0,83
9,45
72,15
62,65
6
0,0
6,7
10,0
72,4
0,34
0,68
10,78
74,72
60,71
7
0,0
9,7
0,0
78,6
0,19
0,75
8,01
72,85
64,82
8
0,0
9,7
5,0
74,8
0,24
0,74
8,95
71,90
60,07
9
0,0
9,7
10,0
69,5
0,39
0,65
12,94
73,89
57,57
10
1,5
3,7
0,0
83,0
0,26
0,71
9,27
72,91
68,59
11
1,5
3,7
5,0
78,5
0,21
0,88
12,49
72,67
64,30
12
1,5
3,7
10,0
73,3
0,39
0,67
10,98
72,19
59,78
13
1,5
6,7
0,0
80,0,
0,28
0,80
11,49
75,18
68,16
14
1,5
6,7
5,0
75,0
0,27
0,70
18,41
71,03
60,38
15
1,5
6,7
10,0
72,0
0,39
0,72
16,39
73,67
58,79
16
1,5
9,7
0,0
77,0
0,31
0,70
12,53
74,35
64,89
17
1,5
9,7
5,0
72,7
0,31
0,72
18,99
71,19
58,21
18
1,5
9,7
10,0
68,0
0,36
0,67
17,63
70,39
53,64
19
3,0
3,7
0,0
81,5
0,27
0,75
11,00
71,47
66,01
20
3,0
3,7
5,0
76,8
0,33
0,69
16,38
73,44
63,71
21
3,0
3,7
10,0
72,6
0,41
0,71
13,25
72,94
59,28
22
3,0
6,7
0,0
79,6
0,31
0,80
16,91
71,04
63,31
23
3,0
6,7
5,0
75,3
0,26
0,87
16,81
72,20
60,39
24
3,0
6,7
10,0
71,8
0,38
0,77
23,40
70,95
55,66
25
3,0
9,7
0,0
75,5
0,33
0,72
13,88
73,92
63,26
26
3,0
9,7
5,0
71,3
0,30
0,72
12,99
73,39
58,78
27
3,0
9,7
10,0
65,5
0,36
0,68
11,88
69,50
51,60
Sx3
0,011
0,09
0,59
0,68
0,68
1
La composition finale en lactose correspond au niveau d'addition du lactose dans
l'échantillon additionné de la quantité de lactose apportée par le lactosérum.
2
Le % d'eau dans les gels équivaut à l'eau ajoutée lors de la formulation des échantillons
additionné de la quantité d'eau apportée par le lactosérum (soit 0,93%).
3
Sx = Erreur-type de la moyenne

---

Tableau 4.4:
Résultats d'analyses de variance effectuées sur les paramètres de texture et la capacité de rétention d'eau
des gels.
Source de
dl
FERMETÉ
FORCE DE
COHÉSION
CRE
CRE
variation
RUPTURE
(g solution/100g)
(9 eau/100g)
SCE(cr--Va~exp(d)
S-CË(C)-V~~~xp(d) --scE(cf--Va~-;PTd)
S-cË(C)-v~7exp(d) SCË(c1-V~~~~p(ci)-
(b)
(x 10-3 )
(%)
(%)
(x 10.4)
(%)
(%)
(%)
(a)
REP
1
0,24
0,07
1.87
0,19
36,34
1,72
7,65
4,20
5,85
0,45
SelL
1
87.32....
25,33
377,14· .. •
38,43
15.47
0,73
29,73 ....
16.33
144,53....
11,10
SelO
1
10,23'
2.97
64,31· .. • 6,55
9.72
0,46
1,77
0,97
1,61
0,12
Lact L
1
15.01"
4,36
70,42.... 7,18
45,11
2,14
9,42',
5,39 303,06· .. •
23,28
Lact 0
1
0,41
0,12
109,99·.. •
11,21
388,74"
18,44
0,05
0,03
0,00
0,00
GlycL
1
115,56....
33,53
92,71 ....
9,45
157,08'
7,45
15,48"
8,50
759,72....
58,36
GlycO
1
21,90"
6.35
12,83'
1,31
187,23'
8,88
1,94
1,07
1,79
0,14
Sel L Lact L
1
11,87*
3,44
26,08"
2,66
1,01
0,05
4,99
2,74
5,11
0,39
Sel L Lact 0
1
0,29
0,08
37,33"
3,80
40,20
1,91
1,58
0,87
0,37
0,03
SelO Lact L
1
0,01
0,00
32,27
3,29
59,77
2,84
0,84
0,46
1,09
0,08
SelO Lact 0
1
0,67
0,19
9,30
0,95
100,04
4,75
6,91
3,79
4,65
0,36
Sel LGlycL
1
8,89'
2,58
2,27
0,23
0,09
0,00
0,03
0,02
0,22
0,02
Sel LGlycO
1
2,45
0,71
2,69
0,27
7,54
0,36
12,20'
6,70
8,21'
0,63
SelO Glyc L
1
1,06
0,31
2,18
0,22
6,54
0,31
2,53
1,39
1,77
0,14
SelO GlycO
1
3,54
1,03
38,96"
3,97
14,57
0,69
7,01
3,85
5,55
0,43
Lact L Glyc L
1
0,96
0,28
0,05
0,01
55,82
2,65
3,08
1,69
1,35
0,10
Lact L Glyc 0
1
1,74
0,51
2,77
0,28
7,74
0,37
2,00
1,10
1,40
0,11
Lact 0 Glyc L
1
0,29
0,08
6,96
0,71
51,68
2,45
3,14
1.72
2,79
0,21
Lact 0 Glyc 0
1
6.25
1.81
3,60
0,37
0,11
0,01
8,02'
4,40
6,70'
0,52
Erreur
35
60,16
89,47
960,29
63,45
46,11
Total
53
344,70
981,31
2107,75
182,23
1301,85
(a)
Rep = repetition; Lact = lactose; Glyc = glycérol; L = effet linéaire; 0 = effet quadratique.
(b)
dl = degré de liberté
(c)
SCE = Somme des carrés des écarts
(d)
Var exp = variation expliquée
•
Significatif au seuil 0,05; .. Significatif au seuil 0,01: ....Significatif au seuil 0,0001.
(Xl
l/l

---

Tableau 4.5:
Equations de régression multiple reliant les paramètres mesurés sur les gels à leurs concentrations en sel,
lactose et glycérol.
Paramètre du gel
Equations 1
R2
F
Fermeté
Y=(150,46 + 32,838 + 6,81L - 5,96G + 1,71G2)x 10-3
0,684
26,52****
(N/m)
Force de rupture
Y=(5,248 - 1,0382 + 4,99L - O,34L2 + O,32G) - 9,22
0,728
25,72****
(N)
Cohésion
Y=(520,44 + 81,26L - 6,32L2 + 11 ,62G - 1,58G2)x 10-3
0,369
7,17****
Capacité de
Y=75,20 - 1,348 - O,97L - O,92G
0,927
212,83****
rétention d'eau
(g eaul100 g de gel)
1
S = sel; L = lactose et G = glycérol;
Intervalles de validité: 0 < sel < 3%; 3,72 < lactose < 9,72%; 0 < glycérol < 10% (g/100g de solutions)
••••
Significatif au seuil 0,0001
co
Û\\

---

87
Tableau 4.6: Concentration en NaCl, lactose, glycérol et protéines dans la phase
aqueuse des gels.
Echantillon
NaCI
Lactose
G1ycérol
Protéine
Protéine
de gel
(gl1 00g eau)
(g/100g eau)
(g/100g eau)
(g/100g eau)
(g/100g eau + glycérol)
1
D,DO
4,37
0,00
11,76
11,76
2
0,00
4,61
6,20
12,41
11,68
3
0,00
4.91
13,21
13.21
11,67
4
D,DO
8,25
D,DO
12,27
12,27
5
0.00
8,69
6,47
12,93
12,15
6
D,DO
9,28
13,81
13,81
12,13
7
D,DO
12,37
D,DO
12,73
12,73
8
0,00
13,00
6,69
13,37
12,53
9
0.00
13,98
14,38
14.38
12.57
10
1,81
4.48
0,00
12,05
12,05
11
1,91
4.74
6.37
12,50
11,98
12
.,2.05
5,07
13,64
12.74
12.00
13
1,88
8,40
0,00
12,99
12,99
14
2,00
8,96
6,67
13,34
12,50
15
2,09
9,34
13.90
13,64
12,20
16
1,95
12,63
0,00
13,76
13,76
17
2,06
13,37
6,88
13,90
12,87
18
2,21
14,30
14,71
14,71
11.37
19
3,68
4,57
0,00
12,27
12,27
20
3,91
4,85
6,51
12,56
12,23
21
4,13
5,13
13,78
13,03
12,11
22
3,77
8,44
0,00
13,25
13,25
23
3,99
8,93
6,65
13,29
12,46
24
4,18
9,36
13,93
13,78
12,23
25
3,98
12,88
0,00
13,93
13,93
26
4,21
13,63
7,01
14,02
13,10
27
4,58
14,84
15,27
15,27
13,25

---

Figure 4.1
ChraTBtoRramme obtenu lors de la quantification par H P Le des fractions protéiques du
CP L de l~étude.
300
200
:J
a:E
100
~
- - '
~
,
0 J ~~~~.~~~~'~~~~~~~~~;-~~::~L=;~~~;;~~~~~~~:l:=~:~~~~~=::=-
.
~
; ç ? ;
f
,
i
i l )
1,
,
, 1
I~ 1 ::::--
-
---.;:::=,===;===;:=--
,
•
10
20
30
Tem'ps
(min. )
00
00

---

Figure 4.2
Effet du sel et du gtycérol sur ta fenneté des gels de
protéines de lactosérun pour une concentration de lactose
de 3,72 %.
89
FERMETE
(N/m)
0.50
0.37
0.23
3
GlycéroJ
(96)

---

90
Figure 4.3: Effet du sel pt du lactose sur la force de rupture des gels
de protéines de lactosérum.
force
de
rupture
(N)
26
1.8
1.0
3
Sel
(2:)
lactose
(~)

---

91
CHAPITRE 5
PROPRIÉTÉS THERMIQUES DES PROTÉINES DU LACTOSÉRUM EN
PRÉSENCE DE CHLORURE DE SODIUM, DE LACTOSE ET DE GLYCÉROL.
5.1 Résumé
Le comportement thermique des protéines du lactosérum en solutions aqueuses à
10% de protéines (pH 6,0) en présence de NaCI (0 à 3%), de lactose (3,7 à 9,7%)
et de glycérol (0 à 10%) a été étudié par calorimétrie différentielle à balayage
(DSC).
Les thermogrammes obtenus ont été dominés par la présence de 2
transitions endothermiques correspondant à la dénaturation de l'a-lactalbumine (a-
La) et de la ~-Iactoglobuline (~-Ig).
Pour l'échantillon sans addition de sel, de
lactose ou de glycérol, la température de dénaturation (Tmax) de l'a-La a été de
70,5°C et l'enthalpie de dénaturation (~H) de 6 J/g de protéine. La ~-Ig a été
dénaturée à 7S,SoC avec un ~H de 10 J/g de protéine. Des valeurs de Tmax et de
~H plus élevées ont été obtenues lors d'addition de sel, de lactose et de glycérol
aux solutions protéiques. L'effet thermostabilisant du NaCI a été le plus important,
suivi de celui du lactose. Les changements dans le comportement thermique des
protéines du lactosérum résulteraient des influences individuelles du N,aCI. du
lactose et du glycérol sur la structure du solvant, l'eau, et sur les principales forces
de liaison qui stabilisent la structure native des protéines. spécialement les
interactions hydrophobes.
.
5.2 Introduction
Les protéines du lactosérum, largement utilisées comme ingrédients dans de
nombreux produits alimentaires, sont bien connues pour leur valeur nutritionnelle

---

92
élevée et la diversité de leurs propriétés fonctionnelles. Cependant, l'utilisation par
l'industrie alimentaire de ces protéines en tant que source de protéines
fonctionnelles n'a pas encore atteint son plein potentiel dû en partie à leur
comportement variable dans les produits (Morr, 1985; Mangino et al., 1987). Selon
de Wit (1988), cette variabilité de la fonctionnalité serait reliée au comportement
complexe des protéines du lactosérum lors des traitements thermiques, associé à
leur thermo-sensibilité élevée. Étapes importantes dans la production de
concentrats de protéines du lactosérum et lors de la fabrication des produits
alimentaires, les traitements thermiques couramment utilisés, tels le préchauffage,
la pasteurisation et la stérilisation, affectent la structure et les propriétés des
protéines du lactosérum de façon réversible ou irréversible (de Wit et Klarenbeek,
1984).
Une meilleure compréhension de leur comportement thermique est
essentielle pour arriver à contrôler les propriétés fonctionnelles des protéines du
lacto~érum (de Wit, 1988). La connaissance de la stabilité sous diverses conditions
des protéines du lactosérum dans les aliments auxquels elles sont ajoutées, est
importante pour les fabriquants qui envisagent l'utilisation des concentrats de
protéines du lactosérum (CPL) en tant qu'ingrédients nutritionnels et fonctionnels
(Bernai et Jelen, 1985).
Le chauffage déclenche des réactions de dénaturation, d'agrégation et de
précipitation des protéines du lactosérum.
Ces réactions à leur tour altèrent les
propriétés fonctionnelles et provoquent une diminution des propriétés de solubilité,
d'émulsification, de moussage et de gélification (Morr, 1982; Mulvihill et Donovan,
1987; Patel et al., 1990). Lorsqu'elles sont chauffées, les protéines globulaires se
déplissent.
Un tel déplissement est accompagné d'un changement de propriétés
thermiques de la protéine pouvant être observé par l'analyse calorimétrique
différentielle à balayage (DSC) (Wright,1982).
Selon Paulsson et gL (1990),
l'utilisation du
DSC pour étudier la stabilité et certains par am èt r e s
thermodynamiques de la dénaturation protéique s'est largement généralisée. Cette
technique, peut fournir directement des informations sur les changements
d'enthalpie associés à la dénaturation de la protéine, en plus des données de
température accessibles par des méthodes spectroscopiques.
De nombreux travaux sur la stabilité thermique des protéines du lactosérum ont
déjà été réalisés à l'aide du ose, mais ces travaux ont été majoritairement
consacrés au comportement thermique des protéines du lactosérum considérées

---

93
individuellement (Rüegg et al., 1977; de Wit et Swinkels, 1980; Harwalkar, 1980;
de Wit et Klarenbeek, 1981;
Bernai et Jelen, 1985;
Park et Lund, 1984).
Seulement quelques travaux portant sur le comportement thermique des protéines
du lactosérum entières en fonction de certains facteurs environnementaux (pH,
lactose, calcium) sont rapportés dans la littérature. de Wit et al. (1983) ont mesuré
le niveau de dénaturation des protéines de divers concentrats de protéines de
lactosérum du commerce; Varunsatian et al. (1983) ont étudié les effets des sels et
de Wit et Klarenbeek (1984) ceux des traitements thermiques sur les propriétés
thermiques des concentrats de protéines du lactosérum. Plus récemment Patel et
al. (1990) ont déterminé la relation existant entre les propriétés thermiques des
protéines du lactosérum et la composition des concentrats protéiques.
Dans la présente étude, les objectifs visés étaient de déterminer les changements
dans le comportement thermique des protéines du lactosérum en solutions
aqueuses en présence de NaCI, de lactose et de glycérol à différentes
concentrations en vue d'expliquer les effets de ces humectants sur le pouvoir
gélifiant des protéines.
5.3
Matériel et méthodes
5.3.1 Préparation des solutions aqueuses de protéines du lactosérum
Tel que détaillé au chapitre précédent (chapitre 4, section 4.3.1), des solutions
aqueuses à 10% de protéines du lactosérum (pH 6,0) et à différentes
concentrations de NaCI (0, 1,5 et 3%, p/p) , de lactose (3,72, 6,72 et 9,72%, p/p) et
de glycérol (0, 5 et 10%, p/p) ont été préparées à partir d'un concentrat à 65% de
protéines du lactosérum originant d'un lactosérum doux écrémé, clarifié, concentré
par ultrafiltration et diafiltration, puis lyophilisé, et dont la composition a été
présentée au Tableau 4.1.
5.3.2
Analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC) des solutions
protéiques de lactosérum
L'analyse des propriétés thermiques des protéines du lactosérum a été effectuée à
l'aide d'un calorimètre différentiel à balayage Dupont 9900 (Dupont, Wilmington,
DE) équipé d'une cellule DSC 910.
Le calibration du calorimètre pour la

---

94
température et l'enthalpie était effectuée au moyen de l'indium possédant une
température de fusion de 156,6°C et une enthalpie de 6,80 cal/g. Des échantillons
de solutions protéiques d'environ 20mg ont été pesés précisément (± 0,1 mg) et
scellés hermétiquement dans des capsules d'aluminium Dupont. De l'eau distillée
(20mg) était également scellée dans une autre capsule
et utilisée co mm e
référence.
Les échantillons ont été chauffés de 20°C à 110°C à une vitesse de
10°C/min.
Les courbes obtenues de flux de chaleur versus température
présentaient 2 pics de transition (Figure 5.1) dont la délimitation des aires a été
effectuée en extrapolant le début de la seconde transition jusqu'à la ligne de base
(Wright, 1982). Le tracé de cette ligne, ainsi que le calcul de l'aire sous la courbe
du pic de transition endothermique ont été effectués à l'aide du programme
d'intégration des courbes du DSC (Dupont, Wilmington, DE).
L'enthalpie (J 1g)
associée à la dénaturation de la fraction protéique a été mesurée à partir de l'aire
sous la courbe du pic de transition endothermique et rapportée à la quantité de la
fraction protéique de l'échantillon:
(1 )
où
C= Constante de calibrage (J/m 2)
A= Aire sous la courbe du pic endothermique de la fraction considérée (m 2)
M= Quantité de la fraction protéique considérée dans l'échantillon (g)
La température maximum du pic (Tmax) a été considérée comme représentant la
température de dénaturation de la fraction protéique considérée (Wright, 1982).
L'analyse thermique des échantillons a été effectuée en triplicata.
5.3.3
Analyses statistiques
La répartition du sel, du lactose et du glycérol dans les solutions protéiques de
lactosérum avait été effectuée selon un plan factoriel complet à 3 facteurs et 3
niveaux.
Les niveaux d'addition étaient les suivants:
NaCI (0, 1,5 et 3%, p/p),
lactose (0, 3 et 6%, p/p) et glycérol (0, 5 et 10%,p/p).
La préparation et la
composition des échantillons sont indiquées aux Tableaux 4.2 et 4.3. Les valeurs
moyennes de température et d'enthalpie de dénaturation ont été calculées à partir
des thermogrammes et soumises à une analyse de variance après décomposition
en degré simple de liberté par une méthode de comparaison orthogonale (Lison,

---

9S
1968). Le seuil de significativité des effets des traitements a été fixé à 0= 0,05. Les
effets significatifs expliquant au moins 5% de la variation totale d'un paramètre ont
été retenus pour une analyse de régression multiple afin de calculer des équations
reliant les différents paramètres aux effets importants des facteurs étudiés.
Le
calcul des moyennes, les contrastes, les analyses de variance et de régression ont
été réalisés à l'aide des procédures du progiciel SAS (SAS Institute Inc., 1985).
5.4
Résultats et discussion
5.4.1 Propriétés thermiques de la solution protéique (10% de protéines du
lactosérum) sans addition d'humectants
L'analyse par OSC de la solution de protéines du lactosérum sans additif
(échantillon témoin) a généré des thermogrammes caractérisés par la présence de
deux transitions endothermiques (Figure 5.1), à partir desquelles étaient mesurées
la température (Tm ax) et l'enthalpie (.6. H) de dénaturation
représentant
respectivement la stabilité thermique et l'énergie requise pour dénaturer la protéine.
La première transition a été obtenue à 70,5°C (± O,87°C) et la seconde à 78,8°C (±
0,46°C). La première transition correspondrait à la dénaturation de l'a-lactalbumine
(a-La) et la seconde à la ~-Iactoglobuline (~-Ig), l'a-La étant moins stable à la
chaleur que la ~-Ig (de Wit et al., 1983; Bernai et Jelen, 1985; Patel et al., 1990).
Les enthalpies correspondantes à la dénaturation de ces 2 protéines ont été de 6,3
J/g d'a-La et de 10 J/g de ~-Ig.
Les valeurs de Tmax de cette étude sont comparables à celles de Paulsson et .ê.L
(1990) qui ont récemment rapporté des Tmax de 67°C et 80°C, respectivement pour
l'a-La et la ~-Ig. D'autres auteurs (de Wit et al.,1983; de Wit et Klarenbeek, 1984;
Bernai et Jelen, 1985;
Patel et al., 1990) ont rapporté des températures de
dénaturation plus basses pour ces 2 protéines du lactosérum, mais les valeurs
rapportés avaient été obtenues après extrapolation de la température de
dénaturation (TO) à une vitesse de chauffage nulle afin d'éliminer l'effet de la
vitesse de chauffage produisant des valeurs de température de dénaturation plus
élevées (de Wit et Swinkels, 1980). Ainsi, de Wit et Klarenbeek (1984) ont obtenu
des TO de 62°C pour l'a-La, 64°C pour la sérumalbumine bovine, 72°C pour
l'immunoglobuline (G) et 76°C pour la ~-Ig.
La valeur d'enthalpie associée à la
dénaturation de la ~-Ig dans cette étude est similaire à celle trouvée par Paulsson et

---

96
ID.:. (1990), tandis que pour l'a-La, nous avons obtenu une valeur plus faible. Une
valeur de 6H faible pour l'a-La peut indiquer que cette protéine dans le concentrat
protéique étudié avait subi une dénaturation partielle avant l'analyse.
On admet généralement que les transitions endothermiques observées sur les
thermogrammes de OSC traduisent les changements de conformation des
protéines.
La conformation d'une protéine liée à ses structures secondaire et
tertiaire est fragile et par conséquent, le traitement des protéines par un acide, une
base, des solutions salines concentrées, la chaleur, les radiations, etc.
peut
modifier de façon importante cette conformation (Cheftel et aL, 1985).
Tout
changement de conformation de la molécule protéique résultant d'une modification
au niveau de la structure secondaire, tertiaire ou quaternaire et non suivi d'une
rupture de liaisons peptidiques impliquées dans la structure primaire peut être
considéré comme une dénaturation protéique (Arntfield et Murray, 1981; Cheftel et
aL, 1985). La sensibilité d'une protéine à la dénaturation est fonction de la vitesse
avec laquelle l'agent dénaturant va rompre les interactions ou liaisons stabilisant
les structures autres que primaire et comme ces structures varient d'une protéine à
l'autre, les effets des agents dénaturants dépendront de la protéine (Cheftel et aL,
1985). La chaleur est, parmi les agents physiques, celui qui est le plus souvent
impliqué dans le phénomène de dénaturation des protéines.
Les changements importants qui se sont produits dans la structure des protéines du
lactosérum étaient gouvernés par la température.
Dû à la faible stabilité de leur
structure tridimensionnelle résultant de la faible énergie impliquée dans chacune
des interactions stabilisant les structures secondaire, tertiaire et quaternaire, les
protéines du lactosérum sont particulièrement sensibles à la dénaturation
thermique. Selon Cheftel et 91 (1985), la vitesse de dénaturation des protéines du
lactosérum augmenterait d'environ 600 fois lorsque la température augmente de
10°C dans l'intervalle de température dans lequel intervient la dénaturation, alors
que dans les mêmes conditions, la vitesse double pour de nombreuses réactions
chimiques.
Cependant, le comportement thermique affiché par chacune des
protéines du lactosérum a possiblement été influencé par d'autres facteurs pouvant
être la vitesse de chauffage, la présence d'autres protéines, leurs proportions et leur
état natif, le pH, la nature et la quantité d'autres constituants présents tels les
lipides, le lactose et les minéraux.
En effet, la température de dénaturation
augmente avec la vitesse de chauffage (de Wit et Swinkels, 1980). En mélange les

---

97
protéines du lactosérum chauffées manifestent une plus grande stabilité due à la
fois à la présence d'autres protéines et constituants du CPL (Rüegg et al., 1977;
Bernai et Jelen, 1985).
Il est bien connu que la résistance à la dénaturation
thermique des protéines augmente avec la concentration protéique.
Cette
concentration atteignant 10% (p/p) dans les solutions protéiques étudiées a été
dominée par la ~Hg (5,3%, p/p) et l'a-La (4,0%, p/p).
Dans les préparations
protéiques de lactosérum où la ~Hg est majoritaire comme dans cette étude, ce
serait la thermosensibilité de cette protéine qui influencerait le comportement de
l'ensemble des constituants protéiques (Dumais. 1988).
La présence d'environ
0,5% de matière grasse dans les solutions protéiques a également pu contribuer à
la stabilité des protéines du lactosérum, des protéines telle la SAB voyant leur
stabilité à la chaleur augmentée par des liaisons avec des acides gras (Bernai et
Jelen, 1985). L'effet protecteur de ces acides gras semble d'ailleurs fonction de la
longueur de la chaine (Yon, 1969). Parmi les constituants de la solution protéique
sans humectants ajoutés, figure le lactose (à raison de 3,7%, p/p) dont les effets sur
la dénaturation thermique des protéines du lactosérum seront discutés en détail
ultérieurement (section 5.4.2.).
Il est aussi connu que lors du chauffage d'une solution de protéines du lactosérum,
le pH exerce un effet considérable sur la dénaturation des protéines, mais variable
de part et d'autre d'une valeur de pH (pH isoélectrique) où la stabilité protéique est
habituellement la plus grande.
Aux valeurs extrêmes de pH, les protéines sont
souvent dénaturées par les fortes répulsions électrostatiques des groupes ionisés
favorisant le déplissement de la molécule (Cheftel et gl., 1985).
La zone
isoélectrique des protéines du lactosérum est située dans l'intervalle de pH 4,5 . 5,5
(Jost et aL, 1986; Paulsson et aL, 1986). Ces protéines, cependant, présenteraient
du côté alcalin du point isoélectrique une thermosensibilité plus élevée que du côté
acide (de Wit, 1981; Varunsatian et aL, 1983). La ~-Ig, par exemple, stable à un pH
de 5 à 7 subirait une diminution de sa température de dénaturation lorsque le pH
augmente de 6 à 8 (Park et Lund, 1984). Les autres constituants importants du
concentrat protéique étudié ayant pu irl'fluencer la stabilité thermique des protéines
sont les minéraux. Les minéraux en plus grande concentration dans les solutions
protéiques expérimentales ont été le K+ (68 mM), suivi de Ca++ (12 mM/I), de Na+
(10 mMI1) et de Mg++ (4 mMI1) donnant une force ionique, respectivement de 0,034,
0,024,0,005 et 0,008. Selon Varunsatian et al., (1983) les effets de certains de ces
cations (Ca++, Mg++ et Na+) sur la dénaturation des protéines du lactosérum

---

98
peuvent être observés à des concentrations correspondant à une force ionique
aussi faible que 0,01, soit pour les ions Ca++ et Mg++ une concentration d'environ
5 mM/I et pour les ions Na+, une concentration de 20 mM/I. Les minéraux trouvés
ont pu exercer une action stabilisante sur les protéines du lactosérum. L'a-La, par
exemple, aurait besoin de la présence du calcium pour augmenter sa stabilité
thermique à un pH supérieur à 4,5 (Dumais, 1988).
Cependant, en dépit de
l'importance du sujet, relativement peu de travaux ont été consacrés à ce jour sur
les effets des minéraux sur la stabilité thermique des protéines du lactosérum.
5.4.2 Effets de l'addition de NaCI. de lactose et de glycérol sur les propriétés
thermiques de l'a-La et de la ~-lg.
Les modifications apportées au comportement thermique de l'a-La et de la ~-Ig
suite à l'addition dans les solutions protéiques de NaCl, de lactose et de glycérol
seuls ou en combinaison sont présentées au Tableau 5.1. On peut remarquer pour
les deux protéines que l'addition d'humectant a entraîné une augmentation de la
température de dénaturation. Pour la ~-Ig, Tmax a varié de 78,75°C (échantillon
sans addition d'humectant) à 87,82°C (échantillon ayant reçu le plus d'humectant)
et pour l'a-La de 70,46°C à 75,18°C.
Contrairement à la température de
dénaturation, les valeurs de ~H pour les deux protéines augmentaient ou
diminuaient selon les cas, avec des variations relatives plus importantes pour l'a-
La. L'analyse de variance réalisée sur les données de température et d'enthalpie
de dénaturation a donné les résultats rapportés au Tableau 5.2.
Pour la
température de dénaturation des protéines, les effets simples des humectants ont
été les plus importants.
L'effet linéaire du NaCI expliquait à lui seul 87% de la
variation totale du Tmax de la ~-Ig et 49% pour l'a-La. Celui du lactose représentait
14% de la variation totale du Tmax de l'a-La et près de 5% pour la ~-Ig. L'effet
linéaire du glycérol, significatif seulement pour la ~-Ig, n'assumait que 2%
seulement de la variation totale de la température de dénaturation de cette protéine.
Un seul effet complexe significatif a été observé, soit l'interaction lactose linéaire x
glycérol quadratique pour le Tmax de l'a-La, avec moins de 2% de la variation
totale. Pour l'enthalpie de dénaturation, l'effet linéaire du NaCI a expliqué 39% de
la variation de l'a-La et 3% seulement de celle de la ~-Ig.
L'effet principal du
lactose était significatif sur la variation d'enthalpie des 2 protéines, et celui du
glycérol uniquement sur la variation d'enthalpie de la ~-Ig. Les effets complexes
significatifs et expliquant au moins 5% de la variation totale d'enthalpie ont été, pour

---

99
l'a-La, l'effet quadratique du lactose (5%) et les interactions suivantes: sel linéaire x
lactose linéaire (8%), sel quadratique x lactose linéaire (6%) et lactose linéaire x
glycérol quadratique (9%).
Pour la fHg, de tels effets complexes ont été:
l'interaction sel quadratique x lactose linéaire (6%), sel quadratique x lactose
quadratique (7%), sel linéaire x glycérol quadratique (5%), sel quadratique x
glycérol quadratique (11 %). Seules les équations de régression reliant le Tmax de
l'a-La et de la fHg aux effets principaux significatifs des humectants ont été
calculées et présentées au Tableau 5.3. Ces équations valides dans l'intervalle
des limites de l'étude permettent d'expliquer 95% de la variation de la température
de dénaturation de la ~-Ig et 66% de celle de l'a-La.
La température de
dénaturation des protéines du lactosérum augmente avec la concentration de sel
principalement et de lactose. L'influence du glycérol sur la stabilité des protéines a
été la moins importante, son coefficient étant le plus faible. Dans l'ensemble, les
résultats obtenus concordent avec les propriétés générales des agents humectants
sur la dénaturation des protéines. Le NaCl, le lactose et le glycérol stabilisent les
protéines globulaires contre un déplissement à la chaleur.
Un effet protecteur
similaire du NaCI sur la dénaturation thermique de la ~-lg a déjà été rapporté (Yon,
1969; Varunsatian et aL, 1983; Harwalkar et Kalab, 1985). Il en est de même de
celui du lactose (de Wit, 1981; Park et Lund, 1984; Bernai et Jelen, 1985), ainsi
que de celui du glycérol vis à vis de la dénaturation thermique de diverses
protéines (Back et aL, 1979). Ces derniers auteurs ayant mesuré l'augmentation de
la température de dénaturation de plusieurs protéines en présence des sucres et
des polyols (glucose,saccharose, sorbitol et glycérol) ont observé également que,
parmi tous ces composés, l'effet protecteur du glycérol sur la dénaturation
thermique des protéines était le plus faible, même si le glycérol était utilisé à une
concentration aussi élevée que 50% dans les solutions protéiques.
5.4.2.1
Mécanisme de dénaturation thermique des protéines du
lactosérum en mélange
Le mécanisme de la dénaturation thermique des protéines du lactosérum en
mélange a été proposé par certains auteurs (Hillier et Lyster, 1979; Dumais, 1988;

---

100
Garrett et al., 1988). Processus à deux étapes incluant un déplissement et une
agrégation, la dénaturation thermique des protéines du lactosérum serait réversible
lorsque le déplissement implique une rupture des liaisons hydrogènes et
hydrophobes et irréversible lorsque celui-ci implique une rupture de ponts
disulfures contribuant au maintien de la conformation native des protéines (Schmidt
etgh, 1984; Cheffel et al., 1985; de Wit, 1989). La dénaturation des protéines en
mélange a probablement débuté au dessus de 40°C avec une dissociation en
monomère (PM = 18000 - 18400 Da) de la ~-Ig existant essentiellement sous la
forme d'un dimère (PM: 36000 Da) à l'état natif et à un pH voisin du pH
isoélectrique (pH 5,2 - 5,4). Entre 40 et 70°C, le déplissement des monomères de
la B-Ig ne serait que partiel et encore réversible. celui-ci n'impliquant qu'une rupture
de liaisons hydrogènes et hydrophobes. Contrairement à la ~-Ig, l'a-La et la SAB
dans le même intervalle de température seraient déplissées de façon irréversible.
Le déplissement de ces deux protéines a pu stimuler celui des monomères de la ~­
Ig en l'impliquant dans les réactions d'agrégation entre 70 et 90°C.
Le
déplissement d'une protéine du lactosérum serait intimement relié à celui des
autres protéines (Bernai et Jelen, 1985; Paulsson et gh, 1990). Au delà de 79°C,
pour le contrôle sans addition d'humectants, les deux ponts disulfures stabilisant la
conformation de la ~-Ig partiellement déplissée se sont ouverts. Le bris des ponts
disulfures a entraîné une dénaturation irréversible de cette protéine, les monomères
de celle-ci étant devenus plus susceptibles à participer pleinement à une série de
réactions incluant les interactions inter-protéines via la formation de nouveaux
ponts disulfures et de ponts de calcium, ainsi que via la formation des liaisons
hydrophobes et hydrogènes lors du refroidissement.
La conformation déplissée
des molécules de protéines du lactosérum découvrirait les chaînes latérales
enfouies dans la structure native des protéines globulaires et augmenterait ainsi la
réactivité de certains groupements tels les ponts disulfures et plus spécialement les
groupements thiol des cystéines (Paulsson et gL, 1990). Il est connu que les
réactions d'échange entre groupements thiol et les ponts disulfures jouent souvent
un rôle décisif dans l'irréversibilité de la dénaturation des protéines en déclenchant
les phénomènes d'agrégation, la seconde étape de la dénaturation.
En fin de
traitement, le stade ultime de la dénaturation pouvait correspondre à une structure
protéique totalement déplissée dans laquelle les interactions intra-protéines et
protéine-eau étaient transitoires (Cheffel et al., 1985). En ajoutant du sel, du lactose
et du glycérol aux solutions protéiques, de nombreux phénomènes ont pu intervenir
simultanément, lesquels ont conféré une plus grande stabilité thermique aux

---

101
protéines du lactosérum. L'influence des humectants ajoutés s'est manifestée à la
fois sur le solvant l'eau et sur la structure même des protéines.
5.4.2.2 Influence du sel. du lactose et du glycérol sur l'hydratation des
protéines et la structure de l'eau
Selon de Wit (1981), la thermolabilité des protéines du lactosérum diminue lorsque
la teneur en matière sèche augmente.
La présence d'eau faciliterait ainsi la
dénaturation (Cheftel et ID., 1985), suite à une augmentation des forces de
répulsion intramoléculaires se produisant lorsque les protéines sont en solution
dans l'eau (Urbanski et -êL 1983). Les conditions qui assurent la stabilité des
protéines doivent être considérées en relation avec le milieu dans lequel ces
protéines sont dissoutes. Selon Yon (1969), les diverses liaisons non covalentes
(telles les liaisons hydrogènes et les liaisons hydrophobes) contribuant à la stabilité
conformationnelle des protéines en solution résultent non seulement des
interactions entre les groupes polaires ou entre les groupes non-polaires de la
molécule, mais aussi des interactions entre ces groupes et le solvant eau.
L'eau en tant que solvant constitue un facteur important en conditionnant la
structure des protéines en solution (Yon, 1969).
En ajoutant aux solutions
protéiques du NaCl, du lactose et du glycérol, la structure de' l'eau autour des
molécules de protéine a été modifiée, laquelle a pu entraîné une modification de la
conformation de la ~-Ig et de l'a-La. L'action du NaCI sur la structure de l'eau
proviendrait du champs électrique des ions. Selon Yon (1969), les ions possédant
un champ électrique intense attireraient les dipôles d'eau et possèderaient ainsi un
grand pouvoir de relargage ou de précipitation sur les protéines. De plus, à une
force ionique (1) inférieure à 0,5 la concentration de NaCI dans les échantillons
permettait à ce composé de compétitionner avec les protéines du lactosérum pour
l'eau d'hydratation (Arntfield et §l., 1986).
Le lactose et le glycérol en
compétitionnant également avec les protéines pour l'eau d'hydratation
renforceraient les interactions hydrophobes (Back et al., 1979). Selon ces mêmes
auteurs, il est probable que c'est en structurant l'eau d'hydratation des protéines
que résiderait le principal mécanisme par lequel les sucres et les polyols stabilisent
généralement les protéines vis à vis de la dénaturation thermique.

---

102
5.4.2.3
Influence du NaCI, du lactose et du glycérol sur la structure
des protéines du lactosérum.
Parmi les forces de maintien de la structure native des protéines du lactosérum, on
peut distinguer les liaisons de forte énergie, comme les ponts disulfures et un grand
nombre de liaisons de faible énergie, telles les liaisons hydrogènes, les liaisons
électrostatiques et les liaisons hydrophobes. Les interactions hydrophobes, terme
désignant les liaisons dans l'eau entre groupements non polaires des protéines,
jouent un rôle majeur dans le maintien de l'intégrité de la conformation native
(Garrett et al., 1988). De par leur nature et leur nombre, elles vont imprimer à la
molécule protéique une conformation particulière. Dans celle-ci, les groupements
non polaires tendent à s'associer entre eux dans la partie centrale de la molécule
afin d'éviter la phase aqueuse, laissant à la surface de la molécule en contact avec
le solvant les groupements polaires qui ont une grande affinité pour les molécules
d'eau (Yon, 1969). Avec la modi'fication de la structure de l'eau, les humectants
ajoutés aux solutions de protéines du lactosérum ont possiblement favorisé les
interactions hydrophobes. Les sucres et les polyols renforceraient ces interactions,
tout spécialement les interactions hydrophobes de type "pairwise" au détriment des
interactions hydrophobes de type "complete transfert" (Back et al., 1979; Garrett et
al., 1988). Dans le type pairwise, les groupements hydrophobes s'associeraient
tout en demeurant en contact avec l'eau, tandis que le second type (complete
transfert) impliquerait un transfert des groupements hydrophobes de l'eau vers un
environnement non polaire. Back et al. (1979) ont trouvé qu'à des concentrations
auxquelles ils présentent un effet protecteur sur les protéines contre la dénaturation
thermique, le saccharose et le glycérol renforçaient les interactions entre
groupements hydrophobes.
Les autres liaisons stabilisant la conformation native
des protéines du lactosérum ayant pu être influencées par les humectants ajoutés
sont les liaisons hydrogènes et les interactions électrostatiques.
De par leurs
groupements hydroxyl (OH), le lactose et le glycérol ont pu compétitionner avec
l'eau dans la formation des liaisons hydrogènes avec certains groupements
polaires des protéines, mais avec moins de succès que l'eau (Back et al, 1979).
Les interactions électrostatiques étaient possiblement plus élevées dans les
solutions protéiques contenant plus d'humectants, la constante diélectrique des
solutions de sucre, de polyol et de sel étant plus faible que celle de l'eau pure.
Cependant. la contribution de telles interactions sur la stabilisation de la structure
protéique serait faible (Back et al.. 1979).

---

103
5.5
Conclusion
Des effets positifs du NaCl, du lactose et du glycérol sur la stabilité thermique de la
~-Ig et de l'a-La ont été trouvés. La température de dénaturation des protéines du
lactosérum augmentait en fonction de la concentration en sel principalement, ainsi
que de celles en lactose et en glycérol dans une moindre mesure.
L'action d'un
humectant était indépendante de celle des autres. L'influence du sel, du lactose et
du glycérol a porté vraisemblablement sur la structure de l'eau, qui à son tour a
renforcé les interactions hydrophobes.
5.6 Références bibliographiques
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5.7 Tableaux et figure

---

106
Tableau 5.1 :
Effet de la concentration en NaCl, en lactose et en glycérol sur la
température (Tmax) et l'enthalpie (~H) de dénaturation de la (3-
lactoglobuline et de l'a lactalbumine en mélange.(1)
Traitement
NaO
Lactose Glycérol
Tmax-B-1g(2) Tmax"Ù.-La(2) llH-B-lg(2) ~H-a-La(2)
(%p/p)
(%p/p)
(%p/p)
(CC)
(CC)
(J/g)
(J/g)
1
0
3,72
0
78,75
70,46
9,49
6,13
2
0
3,72
5
79,53
69,84
9,42
3,18
3
0
3,72
10
80,17
70,35
8,52
4,10
4
0
6,72
0
79,82
70,93
9,22
3,45
5
0
6,72
5
80,92
71,26
10.27
5,18
6
0
6,72
10
80,70
71,27
9,33
3,65
7
0
9,72
0
80,08
71,83
9.53
3,43
8
0
9,72
5
80,78
71,26
8,80
2,48
9
0
9,72
10
81,17
72,54
8,09
3,55
10
1,5
3,72
0
82,96
72,93
9,82
5,45
11
1,5
3,72
5
83,81
71,86
8,31
4,10
12
1,5
3,72
10
83,35
72,86
7,78
4,33
13
1,5
6,72
0
83,12
72,03
9,07
5,23
14
1,5
6,72
5
83,90
72,67
10,41
3,53
15
1,5
6,72
10
83,45
73,31
5,76
3,83
16
1,5
9,72
0
84,58
73,90
8,72
5,75
17
1,5
9,72
5
85,11
73,22
13,16
9,03
18
1,5
9,72
10
85,18
72,73
10,42
7,43
19
3,0
3,72
0
85,37
73,79
10,26
6,68
20
3,0
3,72
5
85,06
72,00
9,13
4,30
21
3,0
3,72
10
86,17
73,56
8,82
6,51
22
3,0
6,72
0
85,88
73,03
11,00
5,93
23
3,0
6,72
5
86,81
72,95
9,73
6,25
24
3,0
6,72
10
87,30
74,11
9,71
6,76
25
3.0
9,72
0
86,32
74,54
10,71
7,30
26
3,0
9,72
5
86,77
75,23
8,00
9,45
27
3,0
9,72
10
87,82
75,18
11,89
6,65
Sx(3)
0,46
0,87
1,20
0,94
(1 ) Moyennes calculées à partir des résultats de 3 répétitions
(2) a-La = a-lactalbumine; (3-lg = B-Iactoglobuline;
(3) Sx= erreur-type de la moyenne

---

Tableau 5.2:
Analyses de variance réalisées sur les données de température et d'enthalpie de dénaturation de l'a-La et de la
B-Ig en présence de NaCI, de lactose et de glycérol dans des solutions à 10% (p/p) de protéines du lactosérum.
Source
Tmax -~-Ig
t.H
-~-lg
Tmax -a-La
f1H
-a-La
de
variation
dl(b)
SCE(c)
Var expJd)
dl(b)
SCE(c)
Var exp. (d)
dl(b)
SCE(c)
Var exp. (d)
dl(b)
SCE(c)
Var exp.(d)
(a)
(%)
(x 10.3)
(%)
(%)
(x 10-3)
(%)
Répétitions
2
1,12
0,20
2
4,82
1.43
2
1,01
0,53
2
2.22
0,62
Sel L
1
488.05····
86,98
1
10,91
3,24
1
92.60···
48,90
1
137,71'"
38,55
SelO
1
7.19····
1.28
1
3,16
0,94
1
2,37
1,25
1
0,41
0,12
Lact L
1
25.84····
4,61
1
12,66·
3,76
1
26,82···
14,16
1
25,51···
7,11
Lact a
1
0,03
0,01
1
0,15
0,05
1
1,47
0,78
1
18,03··
5,05
Glyc L
1
11,26····
2,01
1
17,36·
5.16
1
1,00
D,53
1
1,12
0,31
Glyc a
1
0,56
0,10
1
3,60
1,07
1
3,64
1,92
1
0,78
0,22
Sel L Lact L
1
0,12
0,02
1
3,27
0,99
1
0,03
0,02
1
29,00··
8,12
Sel L Lact a
1
0,00
0,00
1
0,34
0.10
1
1,61
0,85
1
0,46
0,13
Sel a Lact L
1
0,23
0,04
1
18,60·
5,53
1
3,31
1,75
1
20,97··
5,87
Sel a Lact a
1
4,53
0,81
1
22,11··
6,57
1
0,02
0,01
1
10,98·
3,02
Sel L Glyc L
1
0,03
0,01
1
0,22
0,07
1
0,08
0,04
1
1,48
0,41
Sel LGlyc a
1
0,91
0,16
1
15,65·
4,65
1
0.23
0,12
1
1,81
0,51
Sel a Glyc L
1
1,63
0.29
1
1,86
0,56
1
0,46
0,24
1
0,17
0,05
Sel a Glyc a
1
0,93
0,17
1
37,69-·
11,20
1
0,06
0.03
1
1,15
0,32
Lact L Glyc L
1
0.07
0,01
1
14,27*
4,24
1
0,07
0,04
1
9,46·
2,65
Lact L Glyc a
1
0,00
0,00
1
0,33
0,10
1
2,61'
1,38
1
30,61·'
8,57
Lacl a Glyc L
1
0,03
0,01
1
5.88
1,75
1
2,47
1,30
1
0,12
0,03
Lact a Glyc a
1
0,96
0,17
1
10,02
2,98
1
0,84
0,44
1
0,04
0,01
Erreur
58
11,98
52
150,10
57
43,20
50
70,01
Total
78
561,10
72
336,51
77
189,38
70
357,24
(a)
Lact == lactose; Glyc = glycérol; L == effet linéaire; a == effet quadratique.
(b)
dl= degré de liberté
(c)
SCE= somme des carrés des écarts; (d)
var exp.= % de la variation totale expliquée par la source.
. Significatif au seuil D,OS; •• Significatif au seuil 0,01; ···Significatif au seuil 0,001; ····Significatif au seuil 0,0001
t-"
o
---J

---

Tableau 5.3:
Équations de prédiction de la température de dénaturation de l'a.-La et de la 13-lg en mélange à
partir des concentrations de sel, de lactose et de glycérol de la solution protéique.
Équation de régression(1)
R2
F
Tmax -13-lg
=
79,26 + 2,06S + O,23L + 0,09G
0,947
450,44····
Tmax -a.-La
=
70,50 + O,90S+0,24L
0,660
71,16····
(1 )
S = sel; L = lactose et G = glycérol, en gl1 OOg de solution protéique.
•• **
Significatif au seuil 0,0001 dans les limites du plan expérimental, soit: 0 < sel < 3%; 3,72 < lactose < 9,72%;
o< glycérol < 10%
........
o
0:>

---

0 . 0 6 5 , , : : : - : - : - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . ,
67. 07°C
O.02302J/g
d'échantillon
1
\\,
<li
~
cr
or-
E
'-
Q)
....
~
0
"0
c:
Q)
50.055 J
S9.81°C
\\\\
1
75.50°C
ro
,
Q)
r -
I
/
O.3007J/g d'échantillon
.c
u
Q)
"0
>c
::J
r -
l.L
J
1
79.09°C
Oo045J
~
,
i
1
0
•
f
1
1..0
50
70
90
110
Temperature
(·Cl

---

110
CHAPITRE 6
RELATION ENTRE LES PROPRIÉTÉS THERMIQUES DES PROTÉINES DE
LACTOSÉRUM ET LEUR GÉLIFICATION EN SOLUTION AQUEUSE ET DANS LE
FROMAGE FONDU À TARTINER.
6.1 Résumé
Les propriétés thermiques et rhéologiques des gels obtenus des solutions de
protéines de lactosérum en mélange à 10% (p/p) ont été correlées aux paramètres
de texture et de tartinabilité des fromages fondus à tartiner comportant des
protéines de lactosérum. Des corrélations significatives (p < D,OS) ont été trouvées
entre les propriétés thermiques des solutions protéiques et les caractéristiques de
texture des fromages fondus à tartiner.
La température de dénaturation s'est
révélée la propriété thermique la plus correlée à la fois aux propriétés des gels et
des fromages.
Les corrélations obtenues avec la ~-Ig ont été plus faibles en
systèmes alimentaires complexes qu'en systèmes modèles de gel. La meilleure
corrélation (r= 0,74) a été trouvée entre la température de dénaturation de la ~-Ig et
la force de rupture des gels. La fonctionnalité limitée de la f3-lg dans les fromages a
pu résulter d'une élévation de sa température minimale de gélification au-delà ou
proche de 85°C, correspondant à la température de cuisson des fromages fondus à
tartiner. L'obtention de gels de force élevée retenant fortement l'eau et de fromages
fondus à tartiner fermes et moins tartinables à des températures de dénaturation de
l'a-La et de la ~-Ig élevées s'expliquerait par un renforcement des interactions
hydrophobes résultant d'un effet du NaCI, du lactose et du glycérol sur la structure
de l'eau.

---

111
6.2
Introduction
Les protéines de lactosérum sont des ingrédients réputés rehausser la qualité des
produits alimentaires, ceci à cause de leur valeur nutritionnelle élevée et de leurs
propriétés fonctionnelles intéressantes dans divers produits alimentaires. (Cheftel
et Lorient, 1982; de Wit et al., 1983; de Wit, 1984; de Witt 1988). Cependant, une
fois introduites dans les systèmes alimentaires, le comportement des protéines de
lactosérum devient difficile à prédire et à interpréter (Cheftel et Lorient, 1982). Alors
que ces protéines ont démontré de bonnes propriétés gélifiantes en simples
solutions aqueuses, des expériences effectuées avec des systèmes alimentaires
plus complexes se sont révélées inconsistantes (Peltonen-8halaby et Mangino,
1986). Il est de plus en plus admis que le principal problème limitant l'utilisation
des CPL dans les aliments vient de la difficulté rencontrée par l'industrie à fabriquer
des produits alimentaires comportant des protéines de lactosérum avec des
caractéristiques constantes (Morr, 1985;
Peltonen-8halaby et Mangino, 1986;
Mangino et~, 1987). En dépit de nombreuses études effectuées et rapportées sur
les propriétés fonctionnelles des protéines de lactosérum en solutions aqueuses,
les données sur le comportement des protéines de lactosérum dans des systèmes
plus complexes sont limitées (de Wit, 1984; Paulsson et gL, 1986). La relation
entre les propriétés physico-chimiques des protéines de lactosérum et le
comportement fonctionnel de ces protéines, spécialement lorsque ces propriétés
sont influencées par des facteurs de composition et de procédé est encore peu
comprise (Morr, 1985).
Des recherches additionnelles sont requises pour
déterminer cette relation, à la fois en systèmes modèles et dans des systèmes
alimentaires complexes (Evans,
1982;
de Wit,
1989).
Une meilleure
compréhension des facteurs affectant la gélification des protéines de lactosérum
permettrait l'extension de l'utilisation des CPL dans les produits de charcuterie,
boulangerie, pâtisserie et fromagerie.
L'objectif principal visé par la présente étude était de déterminer si les propriétés de
gélification des protéines de lactosérum en systèmes modèles et dans les fromages
fondus à tartiner sont reliés au comportement thermique de l'a-lactalbumine et de la
~-Iactoglobuline.

---

112
6.3
Matériel et méthodes
6.3.1 Fabrication des fromages. des solutions protéiques. des qels et
méthodes d'analyses
Les méthodes de fabrication et d'analyse de la texture des fromages fondus à
tartiner sont détaillées dans les chapitres 2 et 3 et celles des solutions aqueuses et
des gels de protéines de lactosérum au chapitre 4. La technique d'évaluation des
propriétés thermiques des solutions protéiques a été présentée au chapitre 5. Les
données des paramètres de texture des fromages expérimentaux, celles des
propriétés thermiques des solutions protéiques, de même que celles des gels
correspondants sont présentées au Tableau 6.1.
6.3.2 Analyses statistiques
Les corrélations simples linéaires entre les différents paramètres ont été calculés à
l'aide des procédures de SAS (SAS, 1985) du Centre de traitement de l'information
de l'Université Laval.
6.4 Résultats et discussion
Les corrélations existant entre les caractéristiques de texture des fromages fondus à
tartiner contenant des protéines de lactosérum et les propriétés thermiques de ces
protéines en simples solutions aqueuses sont présentées au Tableau 6.2. On peut
remarquer dans l'ensemble que les caractéristiques de texture des fromages sont
correlées signifivativement (a < 0,05) et positivement avec les propriétés
thermiques des protéines de lactosérum en solution.
Dans ce même tableau, on
peut remarquer également que les coefficients de corrélation obtenus avec l'a-
lactalbumine étaient généralement plus élevés que ceux de la ~-Iactoglobuline.
Le coefficient de corrélation le plus élevé a néanmoins été obtenu entre la
température de dénaturation de la ~-Ig et la force de rupture des gels (r= 0,74; p<
0,0001). Cependant, il est à noter une absence de corrélation entre les propriétés
des gels et des fromages et l'enthalpie de dénaturation de la ~-Ig.
Les résultats obtenus révèlent l'existence d'une relation entre le comportement à la
gélification des protéines de lactosérum en solutions aqueuses et dans les

---

113
fromages fondus à tartiner.
Antérieurement, de nombreuses études ont été
effectuées et rapportées sur le comportement fonctionnel des protéines de
lactosérum en solutions aqueuses, mais il est très rare que l'on relie ces résultats
au comportement des protéines dans les aliments (Delaney, 1976; de Wit, 1984;
de Wit, 1988). En l'absence de données de corrélation, l'extrapolation des résultats
obtenus en systèmes modèles simples aux produits alimentaires plus complexes
est effectuée habituellement sur une base spéculative (Cheftel et Lorient, 1982).
Selon Lorient (1988), seul le milieu complexe dans lequel se trouve le constituant
étudié permet d'apprécier sa fonctionnalité dans des conditions aussi proches que
possible de la réalité alimentaire. Cependant, du fait des nombreux paramètres de
l'aliment (dont le pH, l'Aw, la présence d'autres fractions protéiques et de diverses
substances), l'approche consistant à évaluer la fonctionnalité des protéines
directement au sein de l'aliment complexe est considérée comme empirique, celle-
ci excluant toute approche explicative des phénomènes (de Wit, 1988; Lorient,
1988). Pour arriver à comprendre le comportement des protéines dans un système
alimentaire, on a recours aux systèmes modèles, représentant une simplification
extrême des milieux alimentaires complexes, très variables, mal connus et difficiles
à reproduire fidèlement (de Wit, 1988; Lorient, 1988).
Selon Lorient (1988), il
convient cependant de définir avec précision le système modèle approprié, de
déterminer les propriétés physiques ou physico-chimiques de l'aliment les plus
correlées et représentatives de la propriété fonctionnelle étudiée et de choisir
adéquatement les conditions d'environnement (pH, force ionique, température,
présence d'autres constituants protéiques ou non-protéiques) afin de réaliser un
système expérimental imitant celui de l'aliment et permettant l'établissement de
corrélations entre les propriétés physiques, fonctionnelles et sensorielles.
L'existence des liens positifs entre la température de dénaturation des protéines de
lactosérum et les paramètres rhéologiques des gels et des fromages, de même que
celle des liens négatifs entre cette même température de dénaturation et la perte
d'eau des gels peut indiquer que des gels plus forts retenant plus d'eau et des
fromages plus fermes et moins tartinables s'obtiennent lorsque l'a-La ou la f3-lg est
thermiquement plus stable. L'interprétation de tels résultats peut néanmoins porter
à confusion. Pour gélifier, les protéines doivent au préalable être dénaturées, la
gélification étant le résultat des changements majeurs de la conformation induits
par la dénaturation thermique des protéines (Paulsson et~, 1986). La question
que l'on pourrait se poser dès lors est celle de savoir comment les protéines de

---

114
lactosérum une fois stabilisées thermiquement arrivent à former des gels forts
retenant fortement l'eau.
Selon de Wit (1981) et Paulsson et gL (1986), la
corrélation entre la dénaturation thermique d'une protéine et la gélification de celle-
ci est très peu connue et difficile à élucider, probablement du fait que le
déplissement et l'agrégation constituant les deux étapes de la gélification des
protéines sont deux processus différents pouvant se comporter différemment vis-à-
vis d'un changement de pH, de la concentration en protéines, en sels ou en autres
substances.
Au chapitre S, nous avons discuté des mécanismes par lesquels les protéines de
lactosérum auraient été stabilisées.
Le principal mécanisme s'effectuerait via
l'influence du NaCl, du lactose et du glycérol sur la structure de l'eau renforçant à
son tour les interactions hydrophobes.
Ce mécanisme a vraisemblablement
prévalu pour les protéines de lactosérum à la fois en systèmes modèles et dans les
fromages fondus à tartiner. Tout en accroissant la stabilité thermique des protéines,
un renforcement des interactions hydrophobes favorise les interactions protéine-
protéine pouvant conduire à la formation des gels plus forts susceptibles de piéger
l'eau.
La ~-Ig, la protéine du lactosérum la plus importante à la fois quantitativement et
qualitativement, gouverne habituellement le comportement fonctionnel des
protéines du lactosérum.
Dans cette étude, son rôle a pu être amoindri, en
particulier dans les fromages, comme en témoignent les coefficients de corrélation
inférieures à ceux de l'a-La. Un accroissement de la stabilité thermique de l'a-La et
de la ~-Ig a pu entraîner une augmentation de leurs températures minimales de
gélification. Les valeurs de température de dénaturation de l'a-La ont oscillé entre
69,84°C et 7S,23°C, bien en dessous de 8SoC ou de 90°C correspondant aux
températures de cuisson des fromages fondus à tartiner et des gels,
respectivement.
Avec de tels traitements thermiques, on peut penser que cette
protéine a subi des déplissements pour lui permettre de gélifier. Au contraire, la
température de dénaturation de la ~-Ig avoisinait ou dépassait le barème de
cuisson dans près de la moitié des échantillons de fromage.
Il est possible que
dans ces échantillons, une partie de la ~-Ig n'ait pas été dénaturée pour participer
pleinement aux réactions d'agrégation.
L'implication de la ~-Ig aurait été plus
importante lors de la gélification dans le système modèle, la température de
chauffage ayant été plus élevée (90°C). Ceci pourrait expliquer l'obtention des

---

115
coefficients de corrélation plus élevés pour la ~-Ig. notamment avec la force de
rupture (r= 0,74).
La variation de la température minimale de gélification pour l'a-La et la ~-Ig
résultant des modifications de leur stabilité thermique peut avoir d'importantes
répercussions au niveau des applications alimentaires des CPL.
Chauffées à
environ 85°C, les protéines de lactosérum formeraient des gels de force égale
sinon supérieure à celle des gels d'albumine d'oeuf (Melachouris. 1984). Selon cet
auteur, les protéines de lactosérum en comparaison avec l'albumine d'oeuf gélifiant
à une température plus basse (à environ 60°C) seraient nettement désavantagées.
Le désavantage se situerait au niveau de la différence de température de
gélification entre les deux sources protéiques. Le rôle de l'albumine d'oeuf dans
divers produits alimentaires étant de fournir une structure de gel après chauffage,
de nombreux produits alimentaires sont formulés à partir de cette propriété de
l'albumine d'oeuf.
Un substitut de cette protéine, par exemple les protéines de
lactosérum présentant une différence de température minimale de gélification, peut
se révéler moins fonctionnel et moins performant dans plusieurs produits
alimentaires que l'albumine d'oeuf (Melachouris, 1984).
Les protéines de
lactosérum en tant que substituts de l'albumine d'oeuf seraient encore moins
fonctionnelles et moins performantes si au sein des dits aliments, on y retrouve des
facteurs de composition qui stabilisent leurs structures et augmentent ainsi leurs
températures de gélification.
6.5 Conclusion
Cette étude a permis de relier le comportement de gélification des protéines de
lactosérum au sein d'un aliment complexe le fromage fondu à tartiner aux
propriétés de ces protéines en solutions aqueuses et plus particulièrement à leurs
propriétés thermiques. La relation entre la dénaturation thermique des protéines de
lactosérum et leur fonctionnalité en système modèle simple également a été mise
en évidence. En accroissant la stabilité des protéines de lactosérum via l'effet sur la
structure de l'eau, l'addition d'humectants renforce les interactions hydrophobes
pouvant conduire à la formation des gels de force élevée retenant fortement l'eau.
La fonctionnalité limitée des protéines du lactosérum et leur comportement variable
dans les systèmes alimentaires de type fromage fondu à tartiner pourraient être

---

116
expliqués en terme d'effet d'autres ingrédients et paramètres de composition sur
leur stabilité thermique conditionnant l'initiation de la gélification.
6.6 Références bibliographiques
Cheftel, J.C. et Lorient, D. 1982.
Les propriétés fonctionnelles des protéines
laitières et leur amélioration. Le Lait. 62: 435.
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Lorient, D. 1988. Propriétés fonctionnelles des macromolécules alimentaires.
D.
Lorient, B. Colas, M. Le Meste (Eds.). Les cahiers de l'ENSBANA (6), Dijon.
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individual whey proteins: A dynamic rheological study. J. Food Sci. 51: 87.

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117
Peltonen-Shalaby, R. et Mangino, M.E. 1986. Compositional factors that affect the
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Sei. 51: 91.
SAS Institute /ne. 1985. SAS user's Guide: Statisties, Version 5, Edition Cary NC:
SAS Institute Ine.
6.7 Tableaux

---

Tableau 6,1:
Propriétés thermiques des protéines du lactosérum et caractéristiques rhéologiques et de rétention d'eau des gels et des
fromages fondus à tartiner en fonction des concentrations de sel, de lactose et de glycérol.
Propriétés des fromages
Propriétés des gels protéiques
Propriétés thermiques des protéines
-------------------------------
----------------------------
Fermeté
Seuil
V.A.fa)
Fermeté
Force de
CRE
Tmax(b)(oC)
t>H(C)(J/g)
d'écoulement
rupture
(kPa)
(kPa)
(kPa.s)
(N/m)
(N)
(g eau perdue!100g)
8-lg
a-La
8-lg
a-La
1
4,11
3,49
6620
0,115
4,85
73,52
78,75
70,46
9,49
6,13
2
0,48
0,37
750
0,247
6,03
68,13
79,53
69,84
9,42
3,18
3
1,04
0,83
1790
0,201
8,39
61,73
80,17
70,35
8,52
4,10
4
2,40
1,61
3980
0,161
8,82
68,87
79,82
70,93
9,22
3,45
5
1,09
0,91
1740
0,174
9,45
62,65
80,92
71,26
10,27
5,18
6
1,93
1,43
3260
0,340
10,78
60,71
80,70
71,27
9,33
3,65
7
3,16
2,48
5620
0,186
8,01
64,82
80,08
70,49
9,53
3,43
8
5,40
4,79
5540
0,238
8,95
60,07
80,78
71,26
8,80
2,48
9
3,62
3,10
4230
0,393
12,94
57,57
81,17
72,54
8,09
3,55
10
3,13
2,83
3550
0,257
9,27
68,59
82,96
72,93
9,82
5,45
11
0,75
0,61
898
0,207
12,49
64,30
83,81
71,86
8,31
4,10
12
1,44
0,90
3670
0,388
10,98
59,78
83,35
72,86
7,78
4,33
13
4,37
4,94
8480
0,276
11,49
68,16
83,12
72,03
9,07
5,23
14
1,29
1,08
1290
0,267
18,41
60,38
83,90
72,67
10,41
3,53
15
2,56
1,95
5220
0,386
16,39
58,79
83,45
73,31
5,76
3,83
16
10,09
7,76
12100
0,310
12,53
64,89
84,58
73,13
8,72
5,75
17
3,34
2,64
5580
0,312
18,99
58,21
85,11
73,62
13,16
9,03
18
5,44
4,45
5770
0,357
17,63
53,64
85,18
72,73
10,42
7,43
19
4,53
4,20
8650
0,266
11,00
66,01
85,37
73,79
10,26
6,68
20
2,72
2,21
5360
0,329
16,38
63,71
85,06
72,00
9,13
4,30
21
3,15
3,00
16500
0,409
13,25
59,28
86,17
73,56
8,82
6,51
22
5,95
5,45
6390
0,309
16,91
63,31
85,88
73,03
11,00
5,93
23
1,59
1,23
2130
0,259
16,81
60,39
86,81
73,62
9,73
6,25
24
7,45
6,59
6830
0,378
23,40
55,66
87,30
74,11
9,71
6,76
25
6,43
5,79
7130
0,332
13,88
63,26
86,32
74,54
10,71
7,30
26
4,05
3,56
4410
0,296
12,99
58,78
86,77
75,23
8,00
9,45
27
10,40
9,30
8620
0,362
11,88
51,60
87,82
75,18
11,89
6,65
(a) VA: Viscos~é apparente
(b) Tmax: Température de dénaturation
(c) t.H: Enthalpie de dénaturation
~
~
00

---

119
Tableau 6.2: Relation entre les propriétés thermiques des protéines du lactosérum
et les caractéristiques rhéologiques et de rétention d'eau des gels et
des fromages fondus à tartiner.
Propriétés thermiques des solutions
Tmax(a-La)
Tmax(~-Ig)
ôH (a-La)
~H (13-Ig)
(1)
(2)
Propriétés des gels
Fermeté
r(3)
0,637
0,610
0,316
0,018
p(4)
0,0004"""
0,0007" ....
0,1079
0,9309
Force de
r
0,617
0,740
0,427
0,252
rupture
p
0,0006...."
0,0001 ........
0,0265"
0,2048
Capacité de
r
-0,541
-0,527
-0,409
-0,176
rétention d'eau
p
0,0035....
0,0047""
0,0342"
0,3801
(perte d'eau)
Propriétés des
fromages
Fermeté
r
0,537
0,488
0,407
0,320
P
0,0039....
0,0098....
0,0353"
0,1043
Seuil
r
0,552
0,510
0,408
0,327
d'écoulement
p
0,0028....
0,0066....
0,0344"
0,0961
Viscosité
r
0,409
0,407
0,369
0,121
apparente
p
0,0341"
0,0352"
0,0579
0,5479
1 Tmax= Température de dénaturation
2 ~H= enthalpie de dénaturation
3 r= coefficient de corrélation (n= 27)
4 p= probabilité
" corrélation significative à 95%; .... corrélation significative à 99%;
...." corrélation significative à 99,9%; ........ corrélation significative à
99,99%.

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120
CHAPITRE 7
CONCLUSION GÉNÉRALE
Dans cette étude, les effets des combinaisons de NaCl, de lactose et de glycérol sur
l'abaissement de l'Aw des fromages fondus à tartiner formulés avec des protéines
de lactosérum ont été déterminés. Les effets linéaires de tous les humectants ont
été les plus importants.
Bien que de faible importance, un effet de synergie
impliquant le sel et le glycérol dans la dépression de l'Aw a été trouvé.
Des
équations de régression reliant l'Aw à la concentration des humectants dans le
produit final ont été calculées. L'utilisation des ces équations expliquant 97% de la
variation totale du paramètre peut être utile en formulation ou pour éviter les erreurs
lors de la mesure de l'Aw du produit, notamment aux valeurs d'Aw élevées pour
lesquelles les mesures précises prennent du temps et présentent des difficultés
techniques importantes. De plus, ces équations peuvent permettre de formuler des
fromages fondus d'une Aw donnée en minimisant la concentration de certains
ingrédients comme le sel ou le lactose.
Les modifications physico-chimiques provoquées par l'addition des humectants aux
fromages fondus à tartiner ont été mesurées.
L'addition des humectants aux
fromages s'accompagne d'une diminution du pH provoquée par un échange d'ions
Na+ du NaCI avec H+ des groupements NH3+ des protéines. L'addition de lactose
entraîne la formation des cristaux dans les fromages à partir d'une certaine
concentration.
Cependant, la présence de glycérol ralentit la cristallisation du
lactose agissant comme l'eau en tant que solvant et milieu dispersant pour le sucre.
Le NeCI et le lactose exercent un effet négatif sur la texture et la tartinabilité

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121
conditionnant l'acceptabilité des fromages fondus à tartiner auprès des
consommateurs, alors qu'en revanche, le glycérol l'améliore.
Son effet optimal
semble se situer à une concentration voisine de 5% dans le fromage.
Des
équations de régression valides permettant de prédire plus de 71 % de l'évolution
des paramètres de tartinabilité en fonction de la concentration finale en humectants
ont été calculées. Celles-ci peuvent être utiles à l'industrie fromagère pour formuler
des produits de tartinabilité optimale sans avoir recours à la mesure de la viscosité
apparente et du seuil d'écoulement nécessitant des analyses rhéologiques
complexes et coûteuses en équipement.
Les tendances dans l'évolution des
paramètres de texture des fromages en fonction des humectants sont complexes,
elles sont modifiées en raison de la présence d'importantes interactions expliquant
plus de 5% de la variation totale, notamment entre le sel et le lactose, ainsi que
entre le sel et le glycérol. Lors de la formulation des fromages fondus, il serait
recommandé de tenir compte de l'effet des humectants sur la couleur, un paramètre
organoleptique important, les humectants tels le lactose et le glycérol favorisant le
brunissement des produits. A défaut d'un substitut de sel, ce dernier étant de plus
en plus déconseillé pour des raisons de santé, l'utilisation des combinaisons
d'humectants assurant la stabilité microbienne des fromages pourrait avoir un
avenir prometteur. Dans de telles combinaisons, le glycérol pourrait jouer un rôle
important.
En plus d'un effet de synergie avec le sel pour déprimer l'Aw, cet
humectant semble contrebalancer les principaux effets négatifs dù sel et du lactose
sur la texture et la tartinabilité des fromages fondus à tartiner.
Les protéines de lactosérum en simples solutions aqueuses ont démontré une
certaine sensibilité face aux effets du sel, du lactose et du glycérol agissant
principalement de façon indépendante lors de la gélification.
A la lueur des
résultats de cette étude, il s'avère que la force des gels de protéines de lactosérum
augmente ou diminue selon la concentration de l'humectant. Le glycérol accroit la
fermeté des gels à partir d'une concentration d'environ 2%.
La force de rupture
exprimant également la force des gels .atteint un maximum avec le sel à une
concentration de 2.5% et avec le lactose à 7,3%, alors que la capacité de rétention
d'eau des gels augmente avec toute addition d'humectant.
Des équations de
prédiction des propriétés rhéologiques et de rétention d'eau des gels de protéines
sont présentées dans cette étude. Celles-ci peuvent être utiles particulièrement en
recherche et développement de nouveaux produits. Devant la difficulté d'incorporer
de nouveaux ingrédients protéiques dans les produits alimentaires existant sans

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122
changer leur texture et leur qualité organoleptique, une approche alternative
consiste à développer de nouveaux produits avec des qualités organoleptique,
nutritionnelle et texturale désirées.
Les protéines du lactosérum possédant une
saveur douce, une valeur nutritionnelle élevée et d'intéressantes propriétés
gélifiantes sont appropriées pour une telle voie. Dans un tel cas. les équations de
régression reliant les paramètres des gels à leurs concentrations en humectants
pourraient servir à optimiser ces paramètres.
Les propriétés thermiques de ces protéines de lactosérum en solution ont
également été modifiées par l'addition des humectants. En mélange, l'action d'un
humectant sur la stabilité thermique des protéines est indépendante de celle des
autres.
Les substances étudiées stabiliseraient les protéines via plusieurs
mécanismes dont principalement la structure de l'eau renforçant à son tour les
interactions hydrophobes.
Le comportement de gélification des protéines de lactosérum dans des systèmes
alimentaires complexes a été corrélé aux comportements thermique et à la
gélification des protéines de lactosérum en solutions aqueuses. Il n'existe pas de
corrélation statistiquement significative au seuil de confiance de 95% entre les
caractéristiques de l'aliment complexe et les propriétés rhéologiques et de rétention
d'eau des gels. En revanche, des liens positifs existent entre la stabilité thermique
des protéines et l'obtention de gels de force et de capacité de rétention d'eau
élevées à la fois en systèmes complexes et en système modèles simples. Avec un
renforcement des interactions hydrophobes au niveau des molécules de protéine
(via l'effet sur la structure de l'eau), les interactions protéine-protéine seraient
favorisées, lesquelles se solderaient par la formation de gel fort capable
d'emprisonner l'eau dans ses mailles.
La température de dénaturation correspondant généralement à la température de
début de gélification, toute variation de la température de dénaturation des
protéines de lactosérum s'accompagnerait d'une modification de leurs températures
de début de gélification. De telles modifications des températures de gélification de
l'a-La et de la B-Ig seraient vraisemblablement à l'origine de la variabilité et de la
fonctionnalité limitée des CPL dans plusieurs aliments du type fromages fondus à
tartiner dans lesquels ils sont ajoutés. Des équations hautement signi'ficatives (p<
0,0001) permettant la prédiction de la température de dénaturation de la B-Ig et de

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123
l'a-La ont été développées. L'utilisation de telles équations peut s'avérer utile pour
extrapoler les températures de gélification de ces protéines et de fixer un barème de
température approprié afin de s'assurer d'un déplissement des protéines
constituant la première étape de gélification. La méthode utilisée dans cette étude
pour observer le comportement de gélification des protéines ne permettait pas
d'obtenir des données sur la cinétique de gélification, ni sur la température à
laquelle la géli'fication était initiée. Pour une meilleure prédiction du comportement
de gélification des protéines de lactosérum dans les aliments, il serait intéressant
dans une future étude de développer un modèle reliant directement la température
de dénaturation des protéines de lactosérum à leur température de gélification. En
déterminant les effets d'un facteur de composition ou de procédé sur la stabilité
thermique de la p-Ig et de l'a-La, il serait en bonne partie possible d'optimiser leur
comportement de gélification à la fois en systèmes modèles simples et dans les
aliments complexes.

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