Structure et stabilité face au traitement UHT de micelles de caséines acidifiées et modifiées

As sterilization destabilizes acidified dairy proteins, stabilizers are usually added. The objective of this thesis was to understand the physicochemical mechanisms induced by the acidification of dairy formulas and to look for clean label solutions to stabilize for acidified and heat treated caseins. To study their stability, the mineralization, surface charge, hydration and chemical modifications of caseins were characterized.At the pilot scale, caseins were more stable at pH > 5.8 (between pH 6.7 and 3.7), low temperature (8 versus 42°C), in formulas which were enriched in proteins (7 versus 3.2 %) and acidified with citric acid (versus lactic). This set of conditions (amid 140 combinations) would be the best to preserve the stability of proteins because it would correspond to a decrease of electrostatic and hydrophobic repulsions and of diffusion and to an increase of buffer strength and of citrate-chelated calcium content.However, a heat treatment at 120°C during 15 s destabilized casein micelles from pH 6.2 whatever the set of conditions. Adding fat did not bring any improvement.Next, lactosylation was studied to decrease the pHi of caseins so as to stabilize them at acidic pH. A heat pretreatment (90°C/60 min) at pH 7.5 in the presence of lactose was applied to casein micelles in several physicochemical environments. Lactosylation rates of casein in aqueous conditions were low but they were increased with high lactose content (150 g/L) or in dry conditions. This heat pretreatment, implemented with a high casein (50 g/L) or mineral (triple-concentrated permeate content) concentration improved even more the heat stability of acidified proteins than lactosylation only. This could be explained by higher buffer strength due to this richer environnementLa stérilisation déstabilisant les protéines laitières acidifiées, des stabilisants sont généralement ajoutés. L’objectif de cette thèse était de comprendre les mécanismes physico-chimiques induits par l’acidification de formules laitières puis de rechercher des voies de stabilisation clean label pour les caséines acidifiées et traitées UHT. Des analyses décrivant la minéralisation, la charge de surface, l’hydratation et les modifications chimiques des caséines ont été mises en œuvre pour étudier leur stabilité.À l’échelle pilote, les caséines étaient plus stables à pH > 5,8 (entre pH 6,7 et 3,7), à basse température (8 versus 42°C), dans une formule riche en protéines (7 versus 3,2 %) et acidifiées par acide citrique (versus lactique). La meilleure stabilité dans ces conditions (parmi 140 combinaisons) s’expliquerait par des diminutions de répulsions électrostatiques, hydrophobes et de diffusion ainsi que par des augmentations de pouvoir tampon et de calcium chélaté par le citrate.Cependant, un traitement de 120°C / 15 s déstabilisait les micelles de caséines dès pH 6,2. L’ajout de matière grasse n’apportait pas d’amélioration. La lactosylation a ensuite été étudiée pour diminuer le pHi des caséines et donc les stabiliser à pH acide. Un prétraitement thermique (90°C / 60 min) à pH 7,5 avec du lactose leur a été appliqué dans différents environnements physico-chimiques. Les niveaux de lactosylation des caséines en milieu dilué étaient faibles mais augmentés avec une forte concentration en lactose (150 g/L) ou en milieu sec. Ce prétraitement appliqué en présence d’une concentration élevée en caséines (50 g/L) ou en minéraux -teneur en perméat triplée) améliorait davantage la stabilisation thermique des protéines acidifiées que la lactosylation seule. Cela s'exliquerait par un pouvoir tampon supérieur lié à cet environnement plus riche

Structure and stability of acidified and modified casein micelles during heat treatment

La stérilisation déstabilisant les protéines laitières acidifiées, des stabilisants sont généralement ajoutés. L’objectif de cette thèse était de comprendre les mécanismes physico-chimiques induits par l’acidification de formules laitières puis de rechercher des voies de stabilisation clean label pour les caséines acidifiées et traitées UHT. Des analyses décrivant la minéralisation, la charge de surface, l’hydratation et les modifications chimiques des caséines ont été mises en œuvre pour étudier leur stabilité.À l’échelle pilote, les caséines étaient plus stables à pH > 5,8 (entre pH 6,7 et 3,7), à basse température (8 versus 42°C), dans une formule riche en protéines (7 versus 3,2 %) et acidifiées par acide citrique (versus lactique). La meilleure stabilité dans ces conditions (parmi 140 combinaisons) s’expliquerait par des diminutions de répulsions électrostatiques, hydrophobes et de diffusion ainsi que par des augmentations de pouvoir tampon et de calcium chélaté par le citrate.Cependant, un traitement de 120°C / 15 s déstabilisait les micelles de caséines dès pH 6,2. L’ajout de matière grasse n’apportait pas d’amélioration. La lactosylation a ensuite été étudiée pour diminuer le pHi des caséines et donc les stabiliser à pH acide. Un prétraitement thermique (90°C / 60 min) à pH 7,5 avec du lactose leur a été appliqué dans différents environnements physico-chimiques. Les niveaux de lactosylation des caséines en milieu dilué étaient faibles mais augmentés avec une forte concentration en lactose (150 g/L) ou en milieu sec. Ce prétraitement appliqué en présence d’une concentration élevée en caséines (50 g/L) ou en minéraux -teneur en perméat triplée) améliorait davantage la stabilisation thermique des protéines acidifiées que la lactosylation seule. Cela s'exliquerait par un pouvoir tampon supérieur lié à cet environnement plus riche.As sterilization destabilizes acidified dairy proteins, stabilizers are usually added. The objective of this thesis was to understand the physicochemical mechanisms induced by the acidification of dairy formulas and to look for clean label solutions to stabilize for acidified and heat treated caseins. To study their stability, the mineralization, surface charge, hydration and chemical modifications of caseins were characterized.At the pilot scale, caseins were more stable at pH > 5.8 (between pH 6.7 and 3.7), low temperature (8 versus 42°C), in formulas which were enriched in proteins (7 versus 3.2 %) and acidified with citric acid (versus lactic). This set of conditions (amid 140 combinations) would be the best to preserve the stability of proteins because it would correspond to a decrease of electrostatic and hydrophobic repulsions and of diffusion and to an increase of buffer strength and of citrate-chelated calcium content.However, a heat treatment at 120°C during 15 s destabilized casein micelles from pH 6.2 whatever the set of conditions. Adding fat did not bring any improvement.Next, lactosylation was studied to decrease the pHi of caseins so as to stabilize them at acidic pH. A heat pretreatment (90°C/60 min) at pH 7.5 in the presence of lactose was applied to casein micelles in several physicochemical environments. Lactosylation rates of casein in aqueous conditions were low but they were increased with high lactose content (150 g/L) or in dry conditions. This heat pretreatment, implemented with a high casein (50 g/L) or mineral (triple-concentrated permeate content) concentration improved even more the heat stability of acidified proteins than lactosylation only. This could be explained by higher buffer strength due to this richer environnemen

Modifications of structures and functions of caseins: a scientific and technological challenge

International audienceAbstractCasein molecules are used in food industry as ingredients. They can be used as isolated forms and under micellar form consisting in an association of different casein molecules and calcium phosphate. In this review, after a brief reminder of the main characteristics of casein molecules and casein micelles, the modifications of caseins induced by physical, chemical, and enzymatic actions are reported. The resulting new physicochemical properties (mineral and casein compositions, charge, hydrophobicity, aggregation state, and morphology) and techno-functionalities (heat stability, viscosity, gelation, emulsifying, and foaming properties) are described and discussed with a special attention paid to the results obtained in our laboratory since several decades