Le babeurre est le co-produit issu du barattage de la crème en beurre. Puisque la consommation de beurre est en constante hausse au Québec et au Canada, d'importantes quantités de babeurre, qui est produit dans les mêmes proportions massiques que le beurre, sont à valoriser. Bien que le babeurre partage une composition similaire à celle du lait écrémé, ses caractéristiques limitent son utilisation sur le plan technologique. En effet, en dehors de son pouvoir émulsifiant, ses propriétés techno-fonctionnelles sont souvent moins bonnes que celles du lait écrémé. Ces différences sont entre autres attribuées aux fragments de la membrane du globule de gras du lait (MGGL) qui sont relargués dans le babeurre lors du barattage de la crème. La MGGL possède toutefois plusieurs composés à hautes valeurs ajoutées, telles que les phospholipides (PL) et des protéines membranaires, possédant des propriétés nutritionnelles et santé. Ainsi, la séparation de la MGGL du babeurre permettrait de produire deux fractions, d'une part, une fraction délipidée pouvant être utilisée comme un lait écrémé, et d'autre part, une fraction lipidique riche en phospholipides de la MGGL utilisable comme composé bioactif. En revanche, la séparation des composants du babeurre demeure un défi important, particulièrement au niveau industriel. Cette étude porte donc sur la mise en place d'une technique de séparation des composants du babeurre en utilisant leur affinité pour un adsorbant, l'hydroxyapatite (HA). Dans le cadre de cette thèse, une première étude a été menée afin de déterminer s'il était possible d'adsorber les fragments de MGGL issus du babeurre de crème pasteurisée et de crème non-pasteurisée sur des HA. Cette étude a ainsi pu prouver que les deux types de MGGL pouvaient interagir avec les HA, avec la MGGL issue de babeurre de crème pasteurisée montrant une plus grande affinité pour les HA que la MGGL de crème crue. De plus, les protéines de la MGGL avaient tendance à s'adsorber à la surface des HA tandis que les PL migrent progressivement à l'interne des HA. Cependant, ils se sont adsorbés dans les mêmes proportions et à la même vitesse, démontrant que les fragments de la MGGL se sont initialement fixés dans leur entièreté. Puis, une agrégation des HA a été observée, permettant de penser que les fragments de MGGL s'adsorbaient en multicouches à la surface des HA. Cette agrégation a formé des espaces inter particulaires dans lesquels des fragments de MGGL supplémentaires ont pu s'intercaler. Cette première partie a donc permis de vérifier que les MGGL, composées de protéines et de PL, peuvent interagir avec les HA et s'y adsorber. De plus, aucune différence de proportion ou de vitesse d'adsorption n'a été constatée entre les PL et les protéines de la MGGL, mais uniquement sur leur localisation d'adsorption au sein des HA. Dans une seconde étude, l'affinité des principales protéines du babeurre, telles que les micelles de caséines (MC), l'α-lactalbumine (α-lac) et la β-lactoglobuline (β-lg) ainsi que de la MGGL a été déterminée individuellement en fonction de changements de paramètre de l'environnement physicochimique (pH, force ionique et température). Il a pu être constaté que la MC possédait la plus grande affinité pour les HA, suivi de l'α-lac et de la β-lg, qui possédaient une affinité semblable pour les HA, et de la MGGL. Ensuite, une étude de l'influence des paramètres physicochimiques sur l'adsorption de chacun de ces composants du babeurre sur la HA a été réalisée. Il a été observé que les changements de pH, de la force ionique et de la température impactaient l'adsorption des MC uniquement. En effet, la MGGL et la β-lg se fixaient totalement, quels que soient les paramètres utilisés, et l'α-lac s'adsorbait à 90% indépendamment des conditions étudiées. La troisième étude visait à valider ces observations obtenues pour chaque composé individuel, mais cette fois-ci en les examinant dans un mélange modèle. Cette fois-ci les modifications des paramètres physicochimiques ont influencé l'adsorption de chaque composé étudié en mélange, entraînant une adsorption prédominante de la MC (90%) et une adsorption minoritaire des protéines du lactosérum (11% de α-lac et 37% de β-lg) et de la MGGL (7%). Il a alors été envisagé de fixer la MC via les HA, permettant ainsi de séparer ultérieurement la MGGL du reste des protéines du babeurre, en exploitant leurs différences de solubilité en fonction du pH. En ajustant les paramètres physicochimiques déterminés sur le mélange modèle, il a été possible de récupérer 90% de la MC présente dans une solution diluée de babeurre par adsorption avec des HA. La MGGL a été ensuite séparée des protéines du lactosérum non-adsorbées aux HA par précipitation sélective. En effet, l'ajustement du pH à environ 4.0, a entraîné la précipitation complète de la MGGL par rapport aux protéines du lactosérum qui sont demeurées majoritairement solubles. Seulement 30% de la β-lg a été co-précipitée avec la MGGL, probablement dû à leur interaction avec la MGGL durant le traitement thermique de pasteurisation de la crème. Ainsi, la majorité de la β-lg (70%) et de l'α-lac (100%), cette dernière étant plus stable thermiquement, ont été récupérée dans la phase soluble. Finalement, cette séquence de procédés (HA et précipitation sélective) a permis d'obtenir trois fractions à partir du babeurre dilué, l'une enrichie en MC, l'autre en MGGL et une dernière en protéines du lactosérum et le reste des composants du babeurre (lactose et minéraux). Cette thèse a apporté de nouvelles connaissances sur l'utilisation des HA pour la séparation des composants protéiques et de la MGGL du babeurre et l'influence de paramètres physicochimiques sur leurs interactions. Les connaissances acquises sur le comportement des protéines du babeurre et de la MGGL avec les particules d'HA combiné à la précipitation sélective de la MGGL ont conduit au développement d'une technique de fractionnement des composants du babeurre, permettant de générer une fraction enrichie en caséines (CN), une autre en protéines du lactosérum, et une fraction de MGGL. Finalement, deux problématiques identifiées dans la littérature ont pu être résolues. La première consistait à parvenir à isoler la MGGL des autres composants du babeurre afin de valoriser ces deux fractions distinctes, à savoir la MGGL et le babeurre délipidé. Le second défi résidait dans la séparation de la MGGL des protéines du lactosérum. Ces nouvelles connaissances permettent d'envisager d'autres applications possibles à partir de la fixation de protéines et PL via les HA pour d'autres fluides laitiers, mais aussi l'utilisation de la précipitation sélective par ajustement du pH pour séparer la MGGL des protéines du lactosérum. / Buttermilk is the co-product obtained from churning cream into butter. As butter consumption continues to rise in Quebec and Canada, significant quantities of buttermilk, produced in the same mass ratios as butter, need to be valorized. Although buttermilk shares a similar composition to skim milk, its technological use is limited due to certain characteristics. Apart from its emulsifying power, its techno-functional properties are often inferior to skim milk. These differences are attributed, among other factors, to the release of milk fat globule membrane (MFGM) fragments into buttermilk during cream churning. However, MFGM contains several high-value compounds, such as phospholipids and membrane proteins, possessing nutritional and health properties. Thus, separating MFGM from buttermilk could yield two fractions: a delipidated fraction usable as skim milk and a lipid-rich fraction containing MFGM phospholipids usable as a bioactive compound. However, separating buttermilk components remains a significant challenge, especially on an industrial scale. This study focuses on implementing a technique for separating buttermilk components using their affinity for an adsorbent, hydroxyapatite (HA). As part of this thesis, an initial study was conducted to determine if it was possible to adsorb MFGM fragments from pasteurized and non-pasteurized cream buttermilk onto HA. This study confirmed that both types of MFGM could interact with HA, with MFGM from pasteurized cream buttermilk showing greater affinity for HA than MFGM from raw cream. Moreover, MFGM proteins tended to adsorb onto the surface of HA, while phospholipids (PL) adsorbed internally. However, they adsorbed in equal proportions and at the same rate, indicating complete adsorption of MFGM fragments initially. Subsequently, aggregation of HA was observed during MFGM adsorption, suggesting that MFGM fragments adsorbed in multilayers on HA surfaces. This aggregation created interparticle spaces where additional MFGM fragments could intercalate. This first part verified that MFGM, composed of proteins and PL, could interact with and adsorb onto HA. Furthermore, no proportion or adsorption rate differences were observed between PL and MFGM proteins, only in their adsorption location within HA. In a second study, the affinities of major buttermilk proteins, such as caseins (CN), α-lac (α-lac), and β-lg (β-lg), and MFGM fragments for HA were individually determined under physicochemical parameters changes (pH, ionic strength, and temperature). It was found that caseins exhibited the highest affinity for HA, followed by α-lac and β-lg, which had similar affinities for HA, and then MFGM. Subsequently, a study on the influence of physicochemical parameters on the adsorption of each buttermilk component onto HA was conducted. Changes in pH, ionic strength, and temperature only affected casein (CN) adsorption. Specifically, MFGM and β-lg adsorbed completely regardless of the parameters, while α-lac adsorbed at 90%, irrespective of the studied conditions. The third study aimed to validate these observations for each component but in a model mixture. This time, changes in physicochemical parameters influenced the adsorption of each component in the mix, resulting in the predominant adsorption of CN (90%) and minor adsorption of whey proteins (11% α-lac and 37% β-lg) and MFGM (7%). It was then proposed to fix the CN via HA, allowing subsequent separation of MFGM from the remaining whey proteins based on their solubility differences at varying pH levels. By adjusting the physicochemical parameters determined in the model mixture, it was possible to recover 90% of the CN in a diluted buttermilk solution through HA adsorption. Subsequently, MFGM was separated from the unadsorbed whey proteins by selective precipitation. Adjusting the pH to approximately 4.0 led to complete MFGM precipitation compared to whey proteins, which remained mostly soluble. Only 30% of β-lg was co-precipitated, attributed to its interaction with MFGM following cream pasteurization. Thus, the majority of β-lg (70%) and α-lac (100%), being more thermally stable, were entirely recovered in the soluble phase. Ultimately, this sequence of processes (HA and selective precipitation) yielded three fractions from diluted buttermilk: one enriched in CN, another in MFGM, and a third in whey proteins and the remaining buttermilk components (lactose and minerals). This thesis project has contributed new insights into the HA-based separation of buttermilk components and the influence of physicochemical parameter changes on their interactions. The knowledge gained regarding the behavior of buttermilk proteins and MFGM with HA particles, combined with selective precipitation of MFGM, has led to the development of a novel and straightforward technique for fractionating buttermilk components, generating fractions enriched in CN, whey proteins, and notably MFGM. This has addressed two identified challenges in the literature: isolating MFGM from other buttermilk components to valorize these distinct fractions (MFGM and delipidated buttermilk), and separating MFGM from whey proteins. These new insights suggest potential applications for fixing proteins and PL via HA for other dairy fluids, as well as using selective precipitation by pH adjustment to separate MFGM from whey proteins.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/147443 |
| Date | 05 August 2024 |
| Creators | Iung, Jean |
| Contributors | Brisson, Guillaume, Pouliot, Yves |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xx, 153 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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