Communication scientifique
Session of 2 avril 2008

Laits et produits laitiers en consommation humaine. Apports des procédés technologiques

MOTS-CLÉS : filtration. lait. produits laitiers. protéines lait. valeur nutritive
Milk and dairy products for human nutrition : contribution of technology
KEY-WORDS : dairy products. filtration. milk. milk proteins.

Jean-Louis Maubois *

Résumé

La complexité organisationnelle des composants du lait a permis, paradoxalement, une application privilégiée, à ce liquide, de nombre de procédés technologiques innovants tels que les technologies séparatives à membrane. L’industrie laitière est maintenant à même de mettre à la disposition des consommateurs des produits classiques (laits liquides et fromages au lait cru) de haute sécurité hygiénique, n’ayant subi que des traitements thermiques modérés voire nuls, traitements toujours dommageables tant pour les qualités organoleptiques que pour la bio-activité de nombre de molécules laitières. La mise en commun des acquis cognitifs de la Recherche sur les propriétés physiques et physico-chimiques des composants protéiques du lait avec les potentialités nouvellement offertes par ces technologies, notamment la microfiltration sur membrane, a aussi permis de différencier la cinétique d’assimilabilité des deux grands groupes de protéines (concept des protéines lentes et rapides), de produire des nouveaux dérivés débactérisés, hautement purifiés (caséine micellaire native et isolats de protéines de lactosérum répondant tant à des besoins de nutrition (laits infantiles, régimes amaigrissants) qu’à des besoins de fonctionnalité technologique. La même technologie a été appliquée au colostrum dans le but de produire un « sérocolostrum » stérile contenant des immunoglobulines, des facteurs de croissance et d’autres molécules biologiquement actifs. Combinés avec d’autres technologies séparatives, les procédés à membrane devraient permettre à brève échéance, les séparations et purifications industrielles des protéines dites mineures du lait auxquelles il est attribué une activité essentielle dans la fixation du calcium par l’os ou encore le transport physiologique de nombreuses vitamines. Sur un autre plan, grâce à la maîtrise acquise des réacteurs enzymatiques à membrane, des études cliniques ont pu être mises en place avec la Recherche médicale pour démontrer l’activité physiologique de plusieurs peptides bioactifs tels que le -caséinomacropeptide inducteur de la sécrétion de CCK (cholécystokinine), le α CN S1 (91-100) à activité de type benzodiazépine, le κ CN (106-116) à activité anti thrombotique ou encore les phosphopeptides des caséines α et β facilitant l’absorption du fer et probableS ment aussi celle du calcium.

Summary

The complex composition of milk has led to the development of innovative technological processes such as membrane separation. The dairy industry is now able to offer consumers safe classical products (liquid milk, raw-milk cheeses) with little or no heat treatment. Indeed, heat treatment undermines the organoleptic qualities and bioactivity of many molecules found in milk. New technologies, and especially membrane microfiltration, have allowed researchers to identify two groups of milk proteins in terms of their human absorption kinetics : slow micellar casein and fast whey proteins. The highly purified products thus obtained are used for infant foods and slimming aids, and as functional ingredients. The same technologies have been applied to colostrum, yielding a sterile ‘‘ serocolostrum ’’ containing biologically active immunoglobulins, growth factors, and polypeptides. Combined with other separation techniques, membrane technologies should soon allow the separation and purification of minor milk proteins described as having essential roles in bone calcium uptake and vitamin transport, for example. The use of enzymatic membrane reactors has led to the identification of several bioactive peptides, such as — κ -caseinomacropeptide, which induces CCK (cholecystokinin) secretion and thus regulates food intake and lipid assimilation, — α CN (91-100), a compound with S1 benzodiazepine activity, — κ CN (106-116), which has anti-thrombotic activity by inhibiting blood platelet binding to fibrinogen, and — α and β casein phosphopeptides, which are S thought to increase iron and calcium absorption.

Le lait est un milieu extraordinairement complexe. Les biochimistes, les plus experts, estiment que ce liquide doit contenir plus de cent mille espèces moléculaires différentes. Ces molécules s’assemblent et interagissent au gré de la température, de la lumière ou de la composition de l’atmosphère environnante, dès la sortie de la mamelle. Cette complexité extrême, cette richesse, trouve sa raison d’être, sa finalité, dans le fait que le lait est l’unique réponse alimentaire aux besoins de vie, voire de survie, du jeune mammifère, à la période, peut-être, la plus critique de son existence, celle qui suit sa naissance, période où l’organisme nouveau-né doit tout à la fois entamer une croissance rapide et faire face à une multitude d’agressions du milieu environnant.

De manière un peu paradoxale, il peut être dit que c’est la complexité physicochimique organisationnelle du lait ; y sont, en effet, présentes toutes les formes structurales de la chimie biologique : ions, molécules, macromolécules, micelles dont les dimensions s’étagent de quelques angströms à 300-400 nm ainsi que des particules également de taille variée, de 0,2 μm à plus de 10 μm, (globules de matière grasse, cellules somatiques, bactéries) qui a facilité l’application de nombre de procédés technologiques novateurs comme les séparations basées sur l’exclusion stérique mettant en œuvre les membranes poreuses (osmose inverse, nanofiltration, ultrafiltration et microfiltration).

Grâce à la « fécondation croisée » qu’a permis l’approche multidisciplinaire mise en place au début des années 70 entre les biochimistes des protéines, les microbiologis- tes et les chercheurs en génie des procédés, un « cracking » du lait a été conçu [1] (Figure 1). L’industrie laitière dispose maintenant des technologies propres à assurer la mise à disposition des utilisateurs d’aval (nutritionnistes ou consommateurs finaux) tant des produits classiques de qualité accrue que toute une palette de nouveaux dérivés laitiers répondant aux besoins de nutrition voire de préservation de la santé de diverses catégories de population.

Fig. 1. — « Cracking » du lait (Maubois et Ollivier, 1998)

Fig. 2 — Séparation sélective des bactéries du lait procédé de Microfiltration Ces produits classiques sont des laits liquides ou des fromages de haute sécurité hygiénique ayant subi des traitements thermiques d’intensité fortement diminuée voire nulle, ce qui non seulement assure le maintien de la bio-activité native de nombre de composants (Immunoglobulines, β-lactoglobuline, Lactoferrine) mais la « débactérisation » réalisée permet aussi une maîtrise totale des écosystèmes ajoutés d’acidification et d’affinage des produits fermentés. Dans la figure 2 sont représentées les principales étapes des procédés mettant en œuvre la technologie de microfiltration sur membrane (MF) et conduisant à deux types commerciaux de lait liquide : lait « cru » (durée de vie quatorze jours) et lait pasteurisé à durée de vie allongée (trente jours) [2]. Le lait cru obtenu selon cette technologie est parfaitement à même de constituer la matière première de fabrication des fromages au lait cru [2, 3] Pour cela, il doit être ensemencé avec un écosystème microbien spécifique à chaque variété de fromage. Les recherches menées tant au sein des laboratoires de l’INRA qu’au sein des entreprises ont permis la mise sur le marché de fromages à pâte molle (Camembert notamment) de typicité de goût et de texture indistinguable des meilleurs fromages traditionnels et quasiment sans risque hygiénique (moins de deux bactéries pathogènes par fromage !) [2]. Une innovation récente en matière de conception de membranes MF a permis d’atteindre le niveau requis de « débactérisation » (RD > 13) pour une stérilisation du lait écrémé, ce qui conduira à offrir aux consommateurs un lait de longue conservation, moins chauffé (96° C — 5 s, traitement nécessaire pour inactiver les enzymes endogènes) que l’actuel lait UHT (148° C — 3 s) et une durée de vie à température ambiante supérieure à douze mois, lait ayant une très faible teneur en composés de la réaction de Maillard et donc sans goût de cuit [4].

Nombre de dérivés de très haute qualité bactériologique fortement purifiés correspondant à des besoins nutritionnels spécifiques de diverses catégories de populations ont été développés. Par la mise en contact du lait écrémé avec une membrane MF ayant un diamètre de pores moyen égal à 0,1 μm, il est obtenu la séparation et la purification des deux grands groupes de protéines du lait la caséine micellaire native et les protéines du lactosérum dont nous avons montré avec l’équipe du CNRH [5] que le premier conduisait chez l’homme à une assimilation lente au contraire du second, à assimilation rapide. Les isolats de protéines sériques ainsi obtenus sont utilisés dans la formulation des laits infantiles et des produits de régime amaigrissant mais aussi en raison de leur capacités à mousser et à structurer l’eau dans des industries d’aval (crèmes glacées, charcuterie, panification). La caséine micellaire induit l’accroissement de la masse musculaire chez les personnes âgées mais son débouché le plus conséquent est l’enrichissement des laits de fromagerie. Une propriété originale de cette caséine a été la mise au point d’un …dilueur, hautement efficace en termes de fertilité, de sperme équin [6]. L’application de la même technologie MF au colostrum bovin, liquide laitier peu exploité du moins dans notre pays, nous a conduit à proposer l’obtention d’un « sérocolostrum » stérile [7] contenant sous forme biologiquement active (du fait de l’absence de traitement thermique dénaturant) et concentrée, les immunoglobulines (IgG), les facteurs de croissance ainsi que d’autres molécules telles que qu’un polypeptide riche en proline, dénommé « colostrinine » dont une étude clinique récente indiquerait qu’il pourrait stabiliser l’évolution de la maladie d’Alzheimer [8].

Combinés avec d’autres technologies séparatives telles que la chromatographie en phase liquide sur échangeurs d’ions, les technologies séparatives à membrane permettent déjà la purification à l’échelle industrielle des différentes protéines solubles dites majeures :

• β lactoglobuline, source d’acides aminés soufrés, précurseurs de la biosynthèse du glutathion [9] et donc impliquée dans l’immuno-régulation et la prévention de nombreux cancers. Cette protéine ayant une structure spatiale de type lipocalline interviendrait aussi dans le transport de molécules hydrophobes (acides gras, phéromones ou assimilés). Mais elle présente une sensibilité très élevée à la réaction de Maillard, il y a formation de lysino-lactose au dessus de 40° C qui conduirait à une perte de disponibilité des lysines ainsi glycosylées, à une antigé- nicité accrue et probablement à un développement de l’allergénicité bien connue de cette protéine laitière [10] ;

• α lactalbumine, source majeure de tryptophane (4 résidus par mole) et donc nutriment essentiel pour la biosynthèse des hormones cérébrales mais dont les oligomè- res auraient un effet apoptosique sur les cellules cancéreuses du poumon [11] ;

• lactoferrine, protéine aux propriétés multiples : apport de fer à l’organisme, protection antibactérienne, facteur de croissance et de prolifération cellulaire, activité anti-thrombotique [12].

• A échéance un peu plus lointaine, ce sera nombre de protéines solubles dites mineures (en raison de leur concentration relativement faible) qui seront produites commercialement comme celles présentes dans la fraction appelée « Milk Basic Proteins » en raison de leur pHi alcalin : mélange d’ostéopontine, de cystatine C et de kininogène qui jouerait un rôle régulateur essentiel dans la régulation de la prolifération des ostéoblastes et des ostéoclastes avec en corollaire la fixation des phosphates de calcium alimentaires par les os, ce qui permettrait de prévenir l’ostéoporose [13]. Un fort intérêt est aussi porté aux protéines de liaison avec les vitamines particulièrement celle liant l’acide folique qui accroitrait fortement la biodisponibité de cette vitamine avec les conséquences positives en termes de malformations fœtales, d’artériosclérose, voire de cancer du tractus digestif [14].

Fig. 3. — Réacteur enzymatique à membrane La technologie des réacteurs enzymatiques à membrane (figure 3) permet de moduler et contrôler à volonté l’hydrolyse enzymatique des protéines en conditions physiologiques (rapport enzyme : substrat voisin de 1 : 1 ; enzyme à l’état libre ;

rétention totale de l’enzyme et du substrat ; éventuellement, séparation spécifique des produits intermédiaires de la réaction). Outre des hydrolysats peptidiques à finalité de nutrition entérale [15, 16] ou de nutrition infantile hypoallergénique, elle a été mise en œuvre pour la préparation de la plupart des séquences peptidiques à activité physiologique [17]. En dépit des nombreuses études (démonstration d’effet chez le modèle animal et chez l’homme, identification du mécanisme neuromédié du récepteur intestinal vers ceux du cerveau [18]) qui leur ont été consacrées, les premiers bio-peptides à activité morphino-mimétique isolés de la caséine β n’ont pas donné lieu, à notre connaissance à des développements industriels.[12]. Par contre, ont été commercialisés (Japon, USA, Chine) ces dernières années des laits boissons fermentés ou non à allégation anti-hypertensive basée sur leur contenu en séquences peptidiques (177-183 ; 39-52 ; 43-69) issues de l’hydrolyse de la caséine β et inhibant l’ACE (enzyme de conversion de l’angiotensine) [12]. De même, les études consacrées à la fraction C terminale de la caséine appelée glycomacropeptide ayant démontré l’induction de la sécrétion, chez le modèle animal et chez l’homme, de la CCK (cholécystokinine) [19] et donc la possibilité d’intervention sur la digestion des graisses ainsi que sur la régulation de la sécrétion des enzymes pancréatiques, des produits commerciaux sont proposés pour la régulation de la prise de nourriture [20]. Lesdits produits mettent également en avant, la multi-fonctionnalité de ce peptide notamment celle de la partie N terminale, aisément séparée par hydrolyse trypsique, et ayant une activité anti-thrombotique démontrée in vitro et in vivo reposant sur le blocage des récepteurs spécifiques de la chaine γ du fibrinogène apparaissant sur les plaquettes sanguines lors du processus de la thrombose [21]. Il est aussi allégué des effets bifidogène [22] et anti toxine cholérique [23]. Dans un tout autre domaine de la physiologie humaine, un avis positif de l’AFSSA a été donné récemment, pour une allégation « anti stress chez les femmes particulièrement sensibles » pour la commercialisation d’un décapeptide isolé (séquence 91-100) de la caséine α qui présente la propriété de se fixer sur les récepteurs des benzodiazépines S1 [24].

CONCLUSION

Les progrès accomplis en matière de science et technologie laitières ont permis d’aboutir à des produits classiques, à la fois plus surs sur le plan de la sécurité hygiénique et dont les composants ont conservé tout ou partie de leurs propriétés biologiques natives. Ils ont permis également d’aboutir à une palette très diversifiée de composants isolés et purifiés correspondant aux besoins tant de nutrition très spécifiques de différentes catégories de population que de préservation de l’état de bonne santé. Est offert ainsi au monde médical un ensemble de connaissances et de savoirs supportant des produits naturels, séparés et purifiés par des procédés purement physiques, pouvant intervenir dans la prévention des grandes maladies de santé publique, de notre époque : hypertension, obésité, stress, ostéoporose et peut-être Alzheimer. Les composants de lait ont des potentialités déjà démontrées pour figurer en bonne place dans ce challenge du xxie siècle que constitue la Nutrition-Santé. Mais pour que ce challenge soit relevé, des évolutions profondes sont requises : limitation de l’emploi de molécules issues de la synthèse organique aux effets secondaires souvent lourds, réorientation du monde médical vers la prévention, constitution d’équipes de recherches pluri-disciplinaires (biochimistes, technologues, médecins) mobilisées sur la démonstration de chacun des effets physiologiques recensés.

 

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S1

<p>* INRA, Recherches laitières, 65, rue de Saint-Brieuc, 35042 Rennes cedex Tirés à part : Professeur Jean-Louis Maubois, même adresse Article reçu et accepté le 5 novembre 2007</p>

Bull. Acad. Natle Méd., 2008, 192, no 4, 703-711, séance du 2 avril 2008