Lactosérum

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Place du lactosérum dans les produits issus du lait.

Le lactosérum, ou petit-lait[N 1] ou sérum, est la partie liquide issue de la coagulation du lait. Le lactosérum est un liquide jaune-verdâtre, composé d'environ 94 % d'eau, de sucre (le lactose), de protéines et de très peu de matières grasses.

Il a longtemps été considéré comme un déchet encombrant car à la fois très polluant et produit en grandes quantités par l'industrie fromagère. De nouvelles technologies permettent maintenant d'en récupérer les principaux constituants et d'en tirer des produits très élaborés comme les concentrés de protéines sériques, destinés à être incorporés dans les produits finis alimentaires

Composition[modifier | modifier le code]

Le lait peut être coagulé en lui ajoutant de la présure ou en l'acidifiant par l'intermédiaire de bactéries lactiques ou par acidification chimique. Il en résulte une agrégation des micelles de caséine donnant un gel (ou coagulum). Au début de la fabrication du fromage, la phase aqueuse, appelée lactosérum, est séparée du caillé qui sera ensuite par une procédure propre, transformé en fromage. De très grandes quantités de lactosérum sont produites chaque année par l'industrie laitière. On obtient en effet environ 9 litres de lactosérum et 1 kg de fromage à partir de 10 litres de lait.

Le lactosérum est formé d'eau, de lactose, de protéines globulaires solubles et de sels minéraux. Deux grandes classes de lactosérums sont souvent distinguées en fonction du coagulant : le lactosérum doux, obtenu par coagulation du lait avec de la présure et le lactosérum acide, obtenu par coagulation du lait par acidification provoquée par le métabolisme des bactéries lactiques[1]. La coagulation par la présure donne un caillé mou, gélatineux et très imperméable. La coagulation par les bactéries lactiques donne un caillé cassant, ferme et perméable.

Mais l'industrie fromagère actuelle offre de nombreux intermédiaires où le lait est ensemencé avec des levains naturels puis mélangé à de la présure. Le caractère présure domine par exemple dans le pont-l'évêque, le caractère lactique dans le brie de Melun, avec entre les deux le cas du camembert (en fabrication industrielle).

On distingue donc maintenant les lactosérums selon l'acidité du liquide obtenu[2],[3]  :

  1. les lactosérums doux dont l'acidité varie entre 15 et 22 ° Dornic (pH ≈ 6,5), issus de la production de fromages à pâtes pressées et/ou cuites (emmental, saint-paulin, edam)
  2. les lactosérums acides atteignent une acidité de 120 ° Dornic (pH ≈ 4,5), issus de la production des fromages à pâtes fraîches et molles ou lors de la production de caséines.

Pour l'obtention de l'emmental, le lait est chauffé à 32 °C et ensemencé avec des ferments lactiques spécifiques. Puis il est coagulé avec 17 ml de présure pour 100 litres de lait, avec un apport éventuel de chlorure de calcium[4]. Le caillé est coupé finement puis brassé vigoureusement afin de bien faire égoutter le lactosérum doux. En revanche, le lactosérum acide de caséinerie est obtenu par la précipitation de la caséine par l'acide chlohydrique (ou sulfurique). On obtient aussi des lactosérums acides lors de la fabrication de fromages à pâte fraîche ou à pâte molle. Mais du fait de la diversité des technologies de fabrication fromagère, une forte hétérogénéité de la composition minérale peut être observée. En fait, Schuck et als[2] observent que « à chaque type de fromage et à chaque étape de fabrication est associé un lactosérum ». Les lactosérums doux sont pauvres en calcium et phosphore contrairement aux lactosérums acides, tout en présentant une teneur un peu supérieure en lactose et protéine.

Composition d'un lactosérum doux et d'un lactosérum acide
(d'après Sottiez[3] 1990)
Lactosérum doux
(Emmental)
Lactosérum acide
(Caséine)
Liquide % 93,5 94
Extrait sec % 6,5 6,00
pH 6,70 4,60
Composition en g/l
Lactose 76,00 74,00
Protéines 13,50 12,00
Cendres 8,00 12,00
Acide lactique 1,80 1,80
Matière grasse 1,00 0,50
Matière minérale
Ca % 0,60 1,80
P % 0,60 1,50
NaCl 2,50 7,50

Le lactosérum emporte avec lui la plus grande partie de l'eau du lait. Il est donc fait à 94  % d'eau, à 4 à 5  % de lactose puis de protéines solubles (9 % de ms), de sels minéraux. Le lactose est le seul sucre comestible d'origine animale[4]. C'est un diholoside constitué d'un D-galactose uni à un D-glucose par une liaison osidique 1-4.

Les protéines du lactosérum possèdent un véritable intérêt nutritionnel en raison de leur composition élevée en acides aminés essentiels. Les plus importantes[5] sont la ß-lactoglobuline (ß-LG), l'α-lactalbumine (α-LA), le glycomacropeptide (GMP), les immunoglobulines bovines (IgG), l'albumine sérique bovine (BSA) et la lactoferrine bovine (LF). La ß-lactoglobuline est la protéine la plus importante dans le lait de vache  : elle représente 2,5 à 3 g par litre, ce qui correspond à 50 % des protéines lactosériques. Elle est absente dans le lait de femme. L'α-lactalbumine dont le taux moyen dans le lactosérum est de 1,3 g/l, fait partie intégrante de la lactose synthase à l'origine de la synthèse du lactose. Elle présente de forte analogie avec une protéine globulaire du blanc d’œuf, le lysozyme, sans en partager les propriétés bactéricides. L'albumine sérique bovine (ou sérum albumine) vient du plasma sanguin et la lactoferrine qui fixe deux atomes de fer par molécule, possède des propriétés bactériostatiques.

Le lactosérum contient aussi des vitamines (thiamine-B1, riboflavine-B2 et pyridoxine-B6) et des minéraux (calcium, phosphore et sodium).

Valorisation du lactosérum[modifier | modifier le code]

Jusque dans les années 1970, le lactosérum servait majoritairement à l'alimentation du bétail et à l'élaboration de préparations laitières très anciennes et pauvres en matières grasses  : recuite, ricotta, brocciu, sérac, brunost, etc, Les fromageries écoulaient le maximum de leur lactosérum dans les porcheries voisines. Et le déversement dans les cours d'eau était à l'origine de pollution grave due à la fermentation des matières organiques.

Les progrès de la technologie ont permis ces dernières décennies de résoudre les problèmes de valorisation d'un produit agricole qui contient encore la moitié de la matière sèche du lait. À cette fin, il faut procéder à une série d'extractions[6] : 1) éliminer l'eau, le principal constituant du lactosérum, 2) extraire le lactose 3) enrichir et extraire les protéines sériques 4) éliminer une partie des minéraux.

L'industrie du lactosérum s'est considérablement développée depuis l'an 2000 et a vu la progression de marchés se chiffrant en milliards d'euros, de poudre de lactosérum, de protéines de lactosérum, de fractions de protéines de lactosérum, sans parler du marché du lactose, du lactose pharmaceutique, des perméats[N 2] et des dérivés du lactose.

L’Union européenne, suivie par les États-Unis, sont les principaux producteurs de lactosérum et de ses dérivés. La seule production française de poudre de lactosérum s'élève à 562 170 tonnes en 2009 suivant l'enquête de FranceAgriMer[7].

La poudre de lactosérum est obtenue par élimination partielle de l'eau puis par déshydratation par atomisation en tour de séchage[8]

Les protéines de lactosérum sont proposées sur le marché, soit sous forme d'isolats soit comme concentrés[9] :

  • Isolats de protéines sériques (WPI, whey protein isolate) : ils sont obtenus par chromatographie sur résines échangeuses d'ions. Complètement débarrassés du lactose, ils ont une teneur en protéines d'environ 90 %. Ils sont plus riches en protéines que les concentrés et présentent des propriétés fonctionnelles différentes, en raison notamment de leur richesse en immunoglobulines.
  • Concentrés de protéines sériques (WPC, whey protein concentrate) : ils sont obtenus par élimination des constituants non protéiques du lactosérum, de manière à obtenir une poudre contenant au minimum 25 % de protéines. Ils se présentent généralement sous forme de poudres pouvant contenir entre 30 et 90 % de protéines sur matière sèche[10]. Leur production se fait grâce aux techniques de séparation physique comme la précipitation, la filtration ou la dialyse. Pour la précipitation des séroprotéines, le procédé par thermocoagulation consiste en un chauffage en milieu acide. Cette méthode ancienne qui dénature en partie les protéines est le plus souvent remplacée par un procédé membranaire, consistant à concentrer les protéines par ultrafiltration. Une membrane permet de retenir les protéines et les lipides du lactosérum et de laisser passer les sels minéraux, le lactose et l'azote non protéique. Pour obtenir les protéines sériques seules, on délipide préalablement le lactosérum par microfiltration. On procède ensuite à une extraction sélective sur des résines de chromatographie par échanges d'ions.

Les ingénieurs parlent parfois de ces techniques en termes de « cracking du lactosérum ».

Les protéines de lactosérum sont principalement composées[11] de la β-lactoglobuline (50 %), de l'α-lactalbumine (20 %), d'immunoglobulines (10 %), l'albumine de sérum bovin (10 %) et la lactoferrine (2,8 %).

Le lactose peut être isolé des autres éléments du lactosérum par cristallisation ou ultrafiltration[5].

Utilisations industrielles[modifier | modifier le code]

Dans l'Union Européenne, on a assisté de 2005 à 2010, à un développement des ingrédients à plus hautes valeurs ajoutée que sont les isolats WPI et les concentrés WPC du lactosérum. Le produit classique qu'est la poudre de lactosérum est partiellement remplacé par les produits plus élaborés issus du cracking du lactosérum (et du lait) dans les produits finis alimentaires ainsi qu'en alimentation animale[12]. Par contre, à l'exportation, les produits classiques, poudre de lactosérum (et de lait) sont en croissance.

Utilisations principales de la poudre de lactosérum et des WPC, en Europe (UE 27)
(volumes en tonnes en 2010) FranceAgrimer[12]
Alimentation
animale
Fromage
frais
Produits
diététiques
Glaces Sauces Boulangerie Laits
infantiles
Concentré de protéines sériques
WPC en équ. prot.
60 000 23 500 20 000 3 500 2 000 1 500
Poudre de lactosérum
et poudre modifiée
800 000 44 000 6 000 234 000

L'industrie agro-alimentaire utilise les qualités nutritionnelles et techno-fonctionnelles des protéines sériques : solubilité sur toute l'échelle de pH, pouvoirs moussant, thermogélification à partir de 70 °C, bonnes propriétés émulsifiantes, structurantes et de rétention de l'eau.

Les concentrés de protéines sériques (WPC) de bonnes qualités organoleptiques sont principalement utilisés dans l'alimentation animale, la fabrication des fromages frais, des produits diététiques, glaces, sauces et en boulangerie-viennoiserie-pâtisserie. Les concentrés de protéines sériques sont très recherchées en diététique en raison de leur très hautes valeur nutritive. Les produits pour sportifs, seniors et pour le contrôle du poids à base de protéines sériques sont en constant développement en Europe mais à un rythme plus modéré qu'aux États-Unis[12].

La poudre de lactosérum est principalement utilisée en alimentation animale (800 000 t en Europe), les laits infantiles (234 000 t), la chocolaterie (46 000 t), les glaces (44 000 t), en biscuiterie (19 500 t), pour les fromages fondus (14 000 t) et les sauces (6 000 t). Dans les laits infantiles, elle sert à augmenter leur taux de protéines sériques (moins élevé dans le lait de vache que dans le lait maternel). Il existe une forte demande asiatique et russe en poudre de lactosérum déminéralisé pour l'alimentation infantile. La poudre de lactosérum est ajoutée comme additif dans la préparation du bœuf, des volailles, des saucisses et des soupes. Le lactosérum est aussi utilisé pour remplacer partiellement le lait dans la chocolaterie et la biscuiterie industrielle. La matière grasse du lactosérum (la « crème de sérum ») peut être utilisée pour la fabrication de fromage à pâte fondue.

Propriétés biologiques[modifier | modifier le code]

Les protéines du lactosérum traversent plus rapidement l'estomac que les caséines. Dans l'estomac, la fraction solubles des protéines de lait est évacuée rapidement alors que les caséines précipitent au contact du pH acide du milieu en formant un réseau protéique dense[13]. Ainsi, les protéines de lactosérum qui sont rapidement vidangées de l'estomac, peuvent être considérées comme des protéines « rapides », entraînant une élévation rapide mais de courte durée de la teneur en acides aminés du plasma sanguin (ou hyperaminoacidémie) et une stimulation concomitante de la synthèse protéique[14]. Au contraire, les caséines qui sont absorbées progressivement, sont qualifiées de protéines « lentes ».

  • Stimulation immunitaire

Des essais préliminaires ont montré que l'isolat de lactosérum, à raison de 24 à 45 g par jour pouvait agir favorablement sur le système immunitaire défaillant de malades[15]. Chez la souris immunisée par des globules rouges de mouton, l'administration d'α-lactalbumine accroît la réponse immunitaire qui se traduit par une augmentation du poids du thymus, du nombre de thymocytes et lymphocytes[5].

  • Musculation

L'arrivée des concentrés de protéines de lactosérum (parfois appelés whey, leur nom anglais) a été une révolution dans le monde du conditionnement physique et de la musculation. Leur haute teneur en protéines et leur faible teneur en graisses et en calories en feraient un complément de choix avant et après l'entraînement physique. On prête aux protéines contenues dans le lactosérum un grand rôle dans la reconstruction des fibres musculaires qui ont subi des micro-déchirures lors de l'entraînement[16]. L'absorption d'environ 20 g de protéines durant ou juste après l'exercice est suffisant pour maximiser la synthèse post-entraînement des protéines musculaires. La stimulation de l'anabolisme musculaire semble plus marquée en situation de récupération après un exercice musculaire intense et après ingestion d'acides aminés indispensables[14] (notamment de leucine).

  • Lactose

À cause des problèmes d'intolérance de certaines personnes au lactose, ou de leur difficulté à le digérer, beaucoup de fabricants de compléments protéinés à utilisation sportive produisent des poudres de lactosérum sans lactose.

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Attention : l’appellation « petit-lait » est parfois utilisée à tort pour désigner le babeurre.
  2. Liquide qui a traversé la membrane d'un processus de séparation chimique, comme l'ultrafiltration

Références[modifier | modifier le code]

  1. C.M. Bourgeois et J.P. Larpent, Microbiologie alimentaire, Aliments fermentés et fermentations alimentaires, t. 2, TEC & DOC,‎ 1996, 524 p., chap. III, 2 (« Les fromages à pâtes fraiches, molle, pressée ou persillée, J.P. Larpent ») ou acidification chimique
  2. a et b Pierre Schuck, « Séchage des lactosérums et dérivés : rôle du lactose et de la dynamique de l'eau », Le Lait, vol. 84, no 3,‎ 2004, p. 243-268 (ISSN 0023-7302, lire en ligne)
  3. a et b François Luquet (coord.), Lait et produits laitiers : vache, brebis, chèvre, t. 2, Lavoisier, Tec & Doc,‎ 1990, 637 p. (ISBN 978-2852065871), « Produits dérivés des fabrications fromagères (par Sottiez) »
  4. a et b Jean Froc, Balade au pays des fromages, Les traditions fromagères en France, Quae,‎ 2006, 239 p.
  5. a, b et c Pierre Jouan, Lactoprotéines et lactopeptides: propriétés biologiques, INRA-Quae éditions,‎ 2002, 128 p.
  6. Werner J Bauer, Badoud, Science et technologie des aliments principes de chimie des constituants et de technologie des procédés, Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes,‎ 2010 (ISBN 9782880747541 et 2880747546)
  7. FranceAgriMer
  8. Valérie Jacquet Violleau, Déminéralisationpar électrodialyse en présence d'un complexant; application au lactosérum, thèse, Institut national polytechnique de Toulouse,‎ 1999
  9. Jean-Jacques SNAPPE, Anne LEPOUDERE, Natacha SREDZINSKI, Protéines laitières, Edition T1,‎ 2010
  10. Raphaël Badoud, Jürg Löliger, Alain Etournaud, Science et technologie des aliments - Principes de chimie des constituants et de technologie des procédés, PPUR,‎ 2010
  11. P. Cayot, Structures et technofonctions des protéines du lait, TEC & DOC Lavoisier,‎ 1998
  12. a, b et c FranceAgrimer
  13. S Mahé, « Nitrogen movements in the upper jejunum lumen in humans fed low amounts of casein or beta-lactoglobulin », Gastroentérologie clinique et biologique, vol. 19, no 1,‎ 1995-01, p. 20-26 (ISSN 0399-8320)
  14. a et b Magali Lacroix, Variations qualitatives et quantitatives de l'apport en protéines laitières chez l'animal et l'homme : implcations métaboliques, thèse, AgroParisTech,‎ 2008
  15. Y F Moreno, « Features of whey protein concentrate supplementation in children with rapidly progressive HIV infection », Journal of tropical pediatrics, vol. 52, no 1,‎ 2006-02, p. 34-38 (ISSN 0142-6338, DOI 10.1093/tropej/fmi074)
  16. (en) L.M. Burke, Luc J.C. van Loon, Martin J. Gibala, Nestlé Nutrition Institute Workshop Series, vol. 69, Basel, KARGER,‎ 2012, 79-95 p. (ISBN 978-3-8055-9698-5 et 978-3-8055-9697-8), « Dietary Protein to Support Muscle Hypertrophy »

Voir aussi[modifier | modifier le code]