CASEINE

La caséine est la principale protéine du lait de vache, et représente environ 80 % de la teneur totale en protéines dont le reste,
quelque 20 %, sont les protéines du lactosérum ou du sérum.
La caséine est le composant de base du fromage ordinaire. Dans le processus de fabrication du fromage, la caséine est précipitée par l’action des enzymes de la présure, et il se forme un coagulum constitué de caséine, de protéines du petit-lait, de matières grasses, de lactose et des minéraux du lait.
La caséine commerciale est fabriquée à partir de lait écrémé par l’une des deux méthodes générales – précipitation par l’acide ou coagulation par la présure. La graisse, les protéines du lactosérum, le lactose et les minéraux doivent être éliminés autant que possible par un lavage à l’eau en plusieurs étapes, car ils réduisent la qualité de la caséine ainsi que sa qualité de conservation. La caséine séchée et correctement produite a une qualité de conservation relativement bonne et est utilisée principalement dans l’industrie alimentaire et chimique.

Types de caséine

La caséine est généralement divisée en plusieurs types :

Caséine présure, obtenue par précipitation enzymatique
Caséine acide, obtenue par acidification du lait écrémé jusqu’au point isoélectrique (pH 4,6 – 4.7)

En plus de ces deux types principaux, il existe d’autres produits de caséine commercialement disponibles et importants, tels que :

Le co-précipité, obtenu en chauffant le lait écrémé à une température élevée, puis en précipitant le complexe caséine/protéine de lactosérum, généralement avec du chlorure de calcium.

Le coprécipité contient également des protéines de lactosérum et du calcium.

Caséinates, couramment du caséinate de sodium, obtenu à partir de caséine acide dissoute dans de l’hydroxyde de sodium

Influence de la matière première

Pour produire une caséine de haute qualité, la matière première, le lait écrémé, doit être de bonne qualité. Si les bactéries ont eu le temps d’agir sur les protéines du lait à la suite d’un changement d’acidité, cela aura une incidence sur la couleur et la consistance de la caséine, qui prendra une couleur grisâtre et une consistance plus lisse. Un chauffage excessif du lait avant la précipitation va non seulement provoquer des interactions hétéroclites entre les constituants du lactose, de la caséine et des protéines du petit-lait, mais aussi donner à la caséine une couleur jaune ou, au pire, brunâtre.
Pour produire une caséine de bonne qualité bactériologique, sans traitement thermique élevé du lait écrémé, l’installation de pasteurisation peut également contenir une installation de microfiltration (MF). Pour satisfaire aux exigences élevées de qualité de la caséine destinée à être utilisée dans l’industrie alimentaire, il faut non seulement que la chaîne de production soit soigneusement planifiée dès la réception du lait, mais aussi que le traitement et la manipulation de la matière première avant cette étape soient soigneusement contrôlés.

Caséine présure

Le lait écrémé, normalement pasteurisé à 72 °C pendant 15 à 20 secondes, est utilisé pour la production de caséine présure, ainsi que d’autres types de caséine. De petites quantités de matières grasses sont préjudiciables à la qualité. Il est donc important que le lait ait été séparé efficacement.
La figure 20.1 montre les différentes étapes de la production de caséine présure. L’emprésurage a lieu à l’aide de l’enzyme chymosine contenue dans la présure. Le lait est chauffé pendant un court laps de temps puis refroidi à environ 30 °C. La présure est ensuite ajoutée. Un gel se forme au bout de 15 à 20 minutes. Il est coupé et le coagulum est remué tout en étant chauffé à environ 60 °C. La température élevée est nécessaire pour désactiver l’enzyme. Le temps de cuisson est d’environ 30 minutes.

Lavage par lots

Le lactosérum est évacué lorsque la température finale est atteinte, et la caséine restante, alors qu’elle se trouve dans la cuve, est lavée à l’eau pour éliminer les protéines du lactosérum, le lactose et le sel. Le lavage s’effectue en deux ou trois étapes à une température comprise entre 45 et 60 °C.
Après l’évacuation de l’eau, la caséine est encore déshydratée dans des tamis ou des séparateurs. Elle est ensuite séchée à l’air chaud jusqu’à ce que la teneur en eau soit
12 %, et enfin broyée en poudre. La température de séchage dépend de la méthode utilisée. Dans un processus de séchage en deux étapes, la température est de 50 à 55 °C dans la première étape et d’environ 65 °C dans la seconde.
La caséine présure doit être blanche ou légèrement jaune. Une couleur plus foncée est un signe de qualité inférieure et peut être causée par une teneur en lactose trop élevée.

Lavage continu

La caséine présure était à l’origine produite par lots dans des cuves de caséine spéciales, mais de nos jours, des procédés continus sont également utilisés. Dans une installation continue, l’égouttage du lactosérum a lieu avant que la caséine ne passe dans deux ou trois cuves de lavage équipées d’agitateurs. La déshydratation est normalement effectuée dans une centrifugeuse décanteuse afin de réduire la consommation d’eau de lavage. La caséine est déshydratée entre les étapes de lavage, soit sur des tamis statiques inclinés, soit dans des décanteurs. A la sortie des étapes de lavage, le mélange eau/caséine passe par un autre décanteur pour évacuer le maximum d’eau avant le séchage final.
Dans la production à grande échelle, la coagulation de la caséine se fait encore par lots avec un nombre calculé de cuves de caséine vidées en séquence pour alimenter l’installation de déshydratation et de lavage en continu.
Le lavage se fait à contre-courant, ce qui utilise l’eau de manière plus économique que le lavage simultané. Ce dernier système utilise un litre d’eau par litre de lait écrémé, alors que le lavage à contre-courant ne nécessite qu’environ 0,3 à 0,4 litre d’eau par litre de lait écrémé. Le nombre d’étapes de lavage dépend des exigences du produit. Le minimum est de deux étapes. L’eau fraîche n’est fournie que dans la dernière étape. Après le lavage, la caséine est déshydratée dans un décanteur jusqu’à une teneur en MS de 45 – 40 %. Après séchage, par exemple dans un séchoir à vibrations, la caséine est broyée à une granulométrie correspondant à 40, 60 ou 80 mesh et emballée dans des sacs. (Mesh = nombre de lignes de tamisage par pouce ; 40 mesh correspond donc à 0,64 mm.)

Caséine acide

Le lait est acidifié jusqu’au point isoélectrique de la caséine, dont on pense qu’il est de pH 4,6, mais il est décalé par la présence de sels neutres en solution et peut se situer n’importe où dans une plage s’étendant de pH 4,0 à pH 4,8. Le point isoélectrique est le stade où la concentration en ions hydronium neutralise les micelles de caséine chargées négativement, entraînant la précipitation (coagulation) du complexe de caséine. Cette acidification peut être effectuée biologiquement ou par l’addition d’un acide minéral, par exemple l’acide chlorhydrique (HCl) ou l’acide sulfurique (H2SO4).

Acidification biologique – caséine lactique

La caséine lactique est produite par acidification microbiologique. Le lait est pasteurisé et refroidi à 27 – 23 °C. Un starter mésophile, non producteur de gaz, est ensuite ajouté. L’acidulation jusqu’au pH requis prend environ 15 heures. Si le processus d’acidification est trop rapide, il peut entraîner des problèmes tels qu’une qualité inégale et un rendement réduit en caséine. On utilise généralement de grandes cuves, car la vidange de la cuve peut prendre tellement de temps que le degré d’acidité peut varier.
Lorsque l’acidité requise est atteinte, le lait est remué et chauffé à 50 – 55 °C dans un échangeur de chaleur à plaques. Après une courte attente, la poursuite du traitement – lavage et séchage – est pratiquement la même que pour la caséine présure.

Acidification minérale – caséine acide

Le lait est chauffé à la température requise, environ 32 °C. On ajoute ensuite de l’acide minéral pour porter le pH du lait à 4,3 – 4,6. Après le contrôle du pH, le lait est chauffé à 40 – 45 °C dans un échangeur de chaleur à plaques et maintenu pendant environ deux minutes, lorsque des agrégats lisses de caséine se forment. Pour éliminer le maximum de petit-lait avant le début du lavage, le mélange petit-lait/caséine est passé dans un décanteur. De cette façon, moins d’eau est nécessaire pour le lavage.
La figure 20.2 montre un organigramme pour une ligne de procédé pour la fabrication de caséine acide. Comme on peut le voir, l’installation en aval de l’acidification est presque identique à celle utilisée pour la production de caséine présure.
Avant de quitter l’installation, le petit-lait et l’eau de lavage peuvent être séparés et la boue de caséine est recueillie dans une cuve. Mélangée à une solution de soude, la caséine se dissout et est ensuite remélangée au lait écrémé destiné à la production de caséine.
Après déshydratation, la caséine acide est broyée et conditionnée en sacs.
Il convient également de mentionner la technique de production de caséine acide développée par Pillet, France.
Après un préchauffage à 32 °C, le lait écrémé est acidifié et introduit dans une unité de coagulation (figure 20.3). La coagulation est achevée après un chauffage à environ 45 °C par injection directe de vapeur. La déshydratation dans un décanteur est suivie d’un lavage à contre-courant dans une ou deux tours de lavage spécialement conçues (figure 20.4).
Avant d’être séchée dans une unité vibro-fluidisée, la caséine est déshydratée dans un décanteur.

Co-précipité

Le co-précipité contient pratiquement toutes les fractions protéiques du lait.
Après l’addition de petites quantités de chlorure de calcium ou d’acide au lait écrémé, le mélange est chauffé à 85 – 95 °C et maintenu à cette température pendant une période de 1 à 20 minutes pour permettre l’interaction entre les caséines et les protéines du lactosérum. La précipitation des protéines du lait chauffé est ensuite effectuée par l’addition contrôlée d’une solution de chlorure de calcium (pour produire un co-précipité à haute teneur en calcium) ou d’un acide dilué (pour produire un co-précipité à teneur moyenne ou faible en calcium, selon la quantité d’acide ajoutée et le pH du petit-lait résultant). Le caillé est ensuite lavé et soit séché pour produire des coprécipités granulaires et insolubles, soit dissous dans un alcali comme décrit pour les méthodes de fabrication des caséinates pour produire des coprécipités solubles ou « dispersibles ».

Caséinate

Le caséinate peut être défini comme un composé chimique de caséine et de métaux légers, par exemple du sodium monovalent (Na+) ou du calcium divalent (Ca++).
Les caséinates peuvent être produits à partir de caillé de caséine acide fraîchement précipité (« humide ») ou de caséine acide sèche par réaction avec l’une quelconque de plusieurs solutions diluées d’alcali, comme indiqué à la figure 20.5.

Caséinate de sodium

L’alcali le plus couramment utilisé dans la production de caséinate de sodium est la solution d’hydroxyde de sodium (NaOH), avec une force de 2,5 M ou 10 %. La quantité de NaOH nécessaire est généralement de 1,7 à 2,2 % en poids des solides de caséine afin d’atteindre un pH final, généralement d’environ 6,7.
D’autres alcalins, tels que le bicarbonate de sodium ou les phosphates de sodium, peuvent être utilisés, mais les quantités nécessaires et leur coût sont tous deux supérieurs à ceux du NaOH. Ils ne sont donc généralement utilisés qu’à des fins spécifiques, comme dans la fabrication de caséinates citratés.
La viscosité très élevée des solutions de caséinate de sodium de concentration modérée limite leur teneur en solides pour le séchage par pulvérisation à environ 20 %.
En ce qui concerne les procédures de traitement, il convient de mentionner que le temps de dissolution est directement lié à la taille des particules et que la réduction de la taille des particules avant l’addition d’hydroxyde de sodium plutôt qu’après produit une réaction plus rapide. Par conséquent, le caillé est passé dans un moulin colloïdal avant l’addition de l’alcali.
Après le lavage final à la caséine, le caillé peut être déshydraté jusqu’à environ 45% de solides, puis remélangé avec de l’eau (jusqu’à 25 – 30% de solides) avant d’entrer dans le moulin colloïdal. La température de la suspension qui émerge doit être inférieure à 45 °C, car il a été observé que le caillé broyé peut se ré-agglomérer à des températures plus élevées. Généralement, la bouillie est recueillie dans une cuve à double enveloppe munie d’un agitateur efficace et également intégrée dans un système de circulation avec une pompe de grande capacité.
L’addition d’alcali dilué doit être soigneusement contrôlée dans le but d’atteindre un pH final d’environ 6,7. De préférence, l’alcali est dosé dans la ligne de recirculation juste en amont de la pompe.
Une fois que l’alcali a été ajouté à la suspension, il est important d’augmenter la température aussi rapidement que possible à 60 – 75 °C, afin de réduire la viscosité.
Le temps de dissolution du caséinate de sodium préparé en lots est généralement de 30 – 60 min.
Pour une atomisation efficace, la solution de caséinate de sodium doit avoir une viscosité constante lorsqu’elle est introduite dans le sécheur par pulvérisation. Il est courant de minimiser la viscosité en préchauffant la solution à 90 – 95 °C juste avant le séchage par pulvérisation.

Caséinate de calcium

La préparation du caséinate de calcium suit les mêmes lignes générales que pour le caséinate de sodium, avec quelques exceptions importantes. Les solutions de caséinate de calcium sont susceptibles d’être déstabilisées par le chauffage, en particulier à des valeurs de pH inférieures à 6.
On a constaté que pendant le processus de dissolution, la réaction entre le caillé de caséine acide et l’hydroxyde de calcium se déroule à une vitesse beaucoup plus lente que celle entre le caillé et l’hydroxyde de sodium. Pour augmenter la vitesse de réaction entre la caséine et l’hydroxyde de calcium, la caséine peut d’abord être dissoute complètement dans l’ammoniac. On ajoute ensuite de l’hydroxyde de calcium dans une solution de saccharose, et la solution de caséinate de calcium est séchée sur des rouleaux. La plupart de l’ammoniac s’évapore au cours de ce processus.

Autres caséinates

Le caséinate de magnésium a été brièvement mentionné dans la littérature.
Des composés de caséine avec de l’aluminium ont été préparés pour un usage médical ou pour être utilisés comme émulsifiant dans les produits carnés.
Les dérivés de caséine à base de métaux lourds qui ont été utilisés principalement à des fins thérapeutiques comprennent ceux contenant de l’argent, du mercure, du fer et du bismuth. Les caséinates de fer et de cuivre ont également été préparés par échange d’ions pour être utilisés dans les produits pour nourrissons et les produits diététiques.

Caséinate de sodium extrudé

Il est possible de produire du caséinate de sodium à partir de caséine en présence d’une quantité limitée d’eau en utilisant des techniques d’extrusion.
Certaines sociétés européennes traitant de la cuisson par extrusion – Werner & Pfleiderer GmbH (Allemagne), Clextral (France) et quelques autres – rapportent de bons résultats de production de caséinate de sodium par cuisson par extrusion.
La plupart des informations publiées donnent la caséine sèche comme matière première. L’eau et l’alcali sont ajoutés pour former un mélange pour l’extrusion. Le mélange caséine/eau peut avoir une teneur en humidité de
10 à 30%.
La technique d’extrusion utilisée dans la production de caséinates est susceptible de devenir très compétitive par rapport à la technique traditionnelle par lots.
En outre, le traitement par extrusion a également été testé dans la production de caséine acide à partir de poudre de lait écrémé. J Fichtali et F R van der Vort ont effectué des essais dans une usine pilote au Collège MacDonald de l’Université McGill, Québec, Canada. Ils résument les résultats de leurs essais (1990) comme suit:
« Notre travail initial sur la production d’un caillé acide à partir de SMP (poudre de lait écrémé) par traitement d’extrusion a indiqué que beaucoup plus d’efforts devaient être faits pour développer le procédé afin de produire un produit de qualité. Les États-Unis, le Canada et la Communauté économique européenne ont parfois connu une surproduction chronique de lait, dont des quantités importantes sont transformées en poudre de lait écrémé. En modifiant les conditions du procédé d’extrusion, en étudiant la coagulation à haute teneur en solides et en optimisant les étapes de coagulation et de lavage, il est possible de produire par extrusion une caséine acide de qualité acceptable. Ce procédé est continu, contrôlable, utilise des SMP à haute teneur en solides et peut réduire les besoins en main-d’œuvre et en espace au sol par rapport aux procédés conventionnels. Cette matière peut servir d’alimentation pour une conversion ultérieure par extrusion en caséinate de sodium, qui sera discutée dans un article suivant. »