Traitement UHT du lait

Aspects microbiologiques

Le principal objectif microbiologique du traitement UHT est d’inactiver les bactéries sporulées qui pourraient se développer pendant le stockage et provoquer des altérations. Les principales cibles sont les espèces de Bacillus, en particulier celles qui résistent à la chaleur, comme B. licheniformis et B. subtilus. Le Geobacillus stearothermophilus est un sporeformeur extrêmement résistant à la chaleur que l’on trouve dans le lait, mais comme il ne se développe qu’à des températures supérieures à environ 50°C, il ne pose pas de problèmes dans le lait UHT, à moins que le lait ne subisse de fortes variations de température pendant le stockage. À une époque comparativement récente, un autre sporeformeur extrêmement résistant à la chaleur, B. sporothermodurans, a causé des problèmes dans le lait UHT ; malheureusement, contrairement à G. stearothermophilus, cet organisme est mésophile, c’est-à-dire qu’il peut se développer à température ambiante5.

Les conditions thermiques utilisées pour le traitement UHT sont conçues pour donner une réduction de 9 log des sporeformeurs résistants à la chaleur. Cela équivaut à un indice bactériologique (B*) de 1. Un procédé UHT devrait avoir un B* d’au moins 1. En pratique, la plupart des usines UHT dépassent cette exigence avec une marge raisonnable. De nombreuses combinaisons température-temps différentes, allant de 130°C pendant ~30 secondes à 160°C pendant moins de 0,05 seconde, pourraient permettre d’atteindre cet objectif mais, en réalité, les temps de maintien très longs et très courts ne sont pas commercialement pratiques. Les températures UHT les plus couramment utilisées dans le commerce vont de 137 à 145°C6.

Le procédé UHT

Les principales étapes d’un procédé UHT sont les suivantes :

• Préchauffage, avec ou sans temps de maintien
• Homogénéisation (pour les systèmes indirects)
• Chauffage à la température de stérilisation
• Maintien à la température de stérilisation
• Refroidissement initial

.

• Homogénéisation (position alternative pour les systèmes directs ou indirects)
• Refroidissement final
• Emballage aseptique

L’étape de préchauffage fait passer la température de ~ 5°C à ~ 90°C, en utilisant le lait chaud post-stérilisation comme source de chaleur dans des échangeurs de chaleur tubulaires ou à plaques. Cette étape de régénération de la chaleur est très importante pour l’efficacité énergétique de l’usine UHT. Plus de 90 % de la chaleur peut être régénérée, bien que ce chiffre varie selon le type d’usine. Dans certaines usines, le lait est maintenu pendant un certain temps dans un tube de maintien après le préchauffage, par exemple pendant 60 secondes à ~95°C comme dans la figure 1. La principale raison de cette étape est de réduire la quantité d’encrassement, ou la formation de dépôts, dans les échangeurs de chaleur ultérieurs, bien que, comme indiqué ci-dessous, elle puisse également avoir un effet majeur sur la qualité du produit final en inactivant une enzyme naturelle du lait.

L’étape finale de chauffage à la température de stérilisation requise est réalisée par l’un des deux principaux types de chauffage, les systèmes dits directs et indirects. Les systèmes directs chauffent le lait par contact direct avec la vapeur surchauffée culinaire tandis que les systèmes indirects utilisent des échangeurs de chaleur dans lesquels la vapeur surchauffée chauffe le lait indirectement à travers une barrière en acier inoxydable sous la forme d’un tube ou d’une plaque. Les systèmes directs peuvent être de type injection, la vapeur étant injectée dans le lait, ou de type infusion, le lait étant infusé dans une chambre de vapeur surchauffée. La principale différence entre les systèmes directs et indirects est la vitesse à laquelle le lait est chauffé. Les systèmes directs font passer le lait de la température de préchauffage à la température de stérilisation en moins d’une seconde, alors que les systèmes indirects peuvent prendre plusieurs secondes, voire plusieurs minutes. La conséquence majeure de cette différence est que, pour un même effet bactéricide, les systèmes directs produisent beaucoup moins de changements chimiques dans les constituants du lait que les systèmes indirects7.

Lorsque la température de stérilisation est atteinte, le lait entre dans un tube de maintien. La température du lait et le temps qu’il met à passer dans ce tube de maintien sont les conditions nominales qui sont habituellement citées pour un procédé UHT, par exemple, 140°C pendant cinq secondes. Bien que cette convention soit pratique, elle ne donne pas une image réelle du processus thermique auquel le produit est soumis. De nombreux changements chimiques et microbiologiques se produisent dans l’étape de chauffage qui précède immédiatement et dans l’étape de refroidissement qui suit immédiatement l’étape de stérilisation et, par conséquent, ces sections de l’installation doivent être prises en compte en plus du tube de maintien de la stérilisation lorsqu’on examine l’ampleur de ces changements.

Le refroidissement initial du produit dans les systèmes directs est réalisé très rapidement car il passe dans une chambre à vide qui élimine l’eau condensée dans le produit pendant le chauffage à la vapeur et, ce faisant, ramène la température du produit à une valeur proche de celle à partir de laquelle il a été chauffé, généralement autour de 75°C. Dans l’étape finale de refroidissement dans les systèmes directs, et dans les deux étapes de refroidissement dans les systèmes indirects, la chaleur du lait chaud est transférée au lait froid dans les étapes de préchauffage/régénération de chaleur.

Lorsque la matière grasse est présente dans le produit, comme dans le lait entier, une étape d’homogénéisation est incluse. Celle-ci est réalisée à 60-70°C, soit avant, soit après l’étape de stérilisation. Si l’homogénéisateur se trouve en aval de l’étape de stérilisation, il doit être aseptique car aucune bactérie ne peut être introduite après la stérilisation. Les opérateurs de l’usine doivent donc s’assurer que l’homogénéisateur est aseptique et c’est pourquoi, dans la mesure du possible, l’homogénéisation est effectuée avant la stérilisation. Cependant, il a été constaté que le lait traité par un procédé de chauffage direct doit être homogénéisé en aval pour briser les agrégats de protéines qui se forment pendant le chauffage et provoquent un goût astringent dans le lait.

L’étape de conditionnement aseptique est cruciale. Le produit doit être transféré après refroidissement dans l’emballage final et l’emballage scellé sans introduire la moindre cellule bactérienne. Dans la plupart des usines commerciales, le produit est maintenu dans une cuve aseptique avant d’être envoyé à l’emballeur aseptique. Différents types d’emballages sont disponibles, mais les plus courants sont le carton et le plastique multicouche. Les emballages sont stérilisés avant d’être remplis, généralement avec du peroxyde d’hydrogène chaud suivi d’air chaud pour éliminer le peroxyde résiduel.

Changements dans le lait pendant le traitement UHT

Il est inévitable que le chauffage d’un produit tel que le lait à des températures allant jusqu’à ~140°C ait un certain effet sur ses constituants, en plus des effets bactéricides prévus. En outre, le stockage à température ambiante pendant de longues périodes (jusqu’à 12 mois) provoque des effets supplémentaires.

Pour les consommateurs habitués à boire du lait pasteurisé dont la saveur diffère peu de celle du lait cru, le lait UHT semble souvent avoir une saveur cuite ou chauffée. La technologie UHT moderne minimise la production de cette saveur mais la plupart des consommateurs peuvent encore la détecter et c’est une des raisons pour lesquelles de nombreux consommateurs préfèrent le lait pasteurisé8. La saveur typique du lait UHT est due à une combinaison d’arômes, dont les principaux sont les arômes sulfureux causés par les composés sulfureux volatils libérés par les protéines du lactosérum, et les protéines de la membrane entourant le globule gras du lait9. Les autres contributeurs sont les composés carbonylés aliphatiques formés pendant le chauffage et les composés formés dans la réaction de Maillard. Immédiatement après sa fabrication, le lait UHT a une forte odeur et un goût sulfureux dus au sulfure d’hydrogène et à d’autres composés sulfurés volatils tels que le méthane thiol. Ces composés sont nettement réduits au cours de la première semaine, vraisemblablement par oxydation.

L’étape initiale de la réaction de Maillard est la réaction entre le lactose et la lysine des protéines du lait, principalement les protéines du lactosérum. En fait, l’ampleur de cette réaction est une indication de l’intensité de la chaleur donnée au lait. En pratique, elle est mesurée en furosine, un produit formé lorsque la protéine contenant du lactose est soumise à une hydrolyse acide. Un autre indicateur du traitement thermique est la lactulose, un isomère du lactose10.

Les protéines du lactosérum, en particulier la β-lactoglobuline qui forme environ 50 % de ces protéines solubles dans le lait, sont dénaturées par un chauffage supérieur à environ 70°C, de sorte que dans le lait UHT, un grand pourcentage des protéines du lactosérum est à l’état dénaturé et existe en grande partie sous forme de complexes avec les caséines.

L’instabilité des protéines du lactosérum à la chaleur a une autre conséquence pendant le traitement UHT. Une partie des protéines du lactosérum se dénature et se fixe sur les surfaces des échangeurs de chaleur sous forme de dépôts protéiques qui obstruent le flux de lait et peuvent éventuellement entraîner la fermeture de l’usine pour nettoyage. Cependant, ce n’est pas le seul type de dépôt qui se forme lors du traitement UHT. À haute température, au-delà d’environ 110°C, le phosphate de calcium précipite également sur les parois, s’ajoutant à l' » encrassement  » provoqué par les protéines du lactosérum2.

Surprenant, le procédé UHT n’a qu’un effet minime sur la valeur nutritive du lait. On observe une légère diminution des vitamines hydrosolubles, mais pratiquement aucun changement pour les vitamines liposolubles. En fait, il a été démontré que les protéines sont plus digestibles dans le lait UHT en raison du traitement thermique11. Le traitement UHT peut également réduire l’allergénicité des protéines du lait.

Les modifications chimiques provoquées par une plante particulière peuvent être résumées par un indice chimique, le C*. Un C* de 1 équivaut à une destruction de trois pour cent de la vitamine B, la thiamine. Les installations UHT doivent être exploitées dans des conditions qui donnent un C* inférieur à 1 pour éviter des dommages chimiques excessifs. Les systèmes UHT à chauffage direct ont des valeurs C* inférieures à celles des systèmes indirects. Par conséquent, une meilleure description d’une usine UHT est fournie par son B* et son C* plutôt que par la combinaison température-temps du tube de maintien de la stérilisation utilisée de manière conventionnelle.

La plupart des changements ci-dessus qui se produisent pendant le traitement du lait à haute température ont été étudiés en profondeur et leurs cinétiques de réaction élaborées. Celles-ci permettent d’estimer mathématiquement les changements qui se produisent dans une usine UHT particulière. L’information de base sur une installation qui permet d’effectuer cette estimation est le profil température-temps. Ce profil peut varier considérablement, comme l’illustrent les figures 1 et 2, qui montrent les profils de deux installations UHT commerciales, un système indirect et un système direct, respectivement. Par conséquent, lorsque la cinétique d’un changement particulier, par exemple la dénaturation de la β-lactoglobuline, et le profil température-temps d’une installation UHT sont connus, l’effet de cette installation sur une série de composants du lait peut être prédit. Heureusement, les calculs pour ce faire peuvent être effectués par un ordinateur12 et un logiciel à cet effet est disponible dans le commerce, par exemple NIZO Premia13. Les valeurs B* et C* mentionnées ci-dessus peuvent également être calculées car elles sont définies par des formules mathématiques. Malheureusement, il n’est pas facile d’obtenir le profil température-temps pour la plupart des plantes car une description complète de la plante en termes de températures et de temps dans toutes les sections n’est pas facilement disponible. Cependant, lorsqu’elles sont disponibles, il est possible d’obtenir une multitude d’informations sur l’ensemble de l’usine et le produit qu’elle fabrique. Une application de cette simulation informatique consiste à comparer les effets d’installations pilotes à petite échelle avec des installations commerciales de taille normale, afin de permettre aux installations pilotes d’être configurées pour correspondre aux équipements UHT commerciaux de taille normale6.

Changements dans le lait UHT pendant le stockage

Le maintien du lait en bon état à température ambiante pendant une période pouvant aller jusqu’à 12 mois est un défi majeur en raison de la myriade de changements qui peuvent se produire. L’arôme change par la progression de la réaction de Maillard et par l’oxydation par l’oxygène dissous dans le lait. Les principaux composés aromatiques produits sont les méthylcétones et les aldéhydes aliphatiques, mais un grand nombre de composés aromatiques sont générés. D’autres arômes qui peuvent se développer pendant le stockage sont dus à l’action d’enzymes bactériennes résistantes à la chaleur qui peuvent être présentes dans le lait cru et survivre au traitement thermique UHT. Il s’agit notamment des lipases, qui décomposent les graisses et forment des acides gras libres, dont certains ont un goût prononcé, et des protéases qui décomposent les protéines pour produire des peptides, dont certains sont amers.

Une autre modification qui peut être provoquée par les protéases est ce que l’on appelle la « gélification par vieillissement », où le lait s’épaissit au fil du stockage et finit par se transformer en un gel semblable à un yaourt14. Ce défaut indésirable peut être causé par les enzymes bactériennes résistantes à la chaleur, mais aussi par la plasmine, une protéase naturellement présente dans le lait, qui est assez stable à la chaleur et peut rester active dans le lait UHT. Récemment, on a constaté qu’elle était inactivée par certaines conditions de préchauffage UHT, ce qui constitue une excellente raison pour inclure un temps de maintien dans la section de préchauffage des usines UHT15,16.

Traitement UHT de produits autres que le lait blanc

Le traitement UHT est maintenant largement utilisé pour produire des produits  » longue durée  » tels que la crème, la crème anglaise et les laits aromatisés. Cependant, il n’est pas adapté à la fabrication de fromage car le caillé issu du lait UHT met beaucoup de temps à prendre et retient une grande quantité d’humidité, ce qui donne un fromage très mou et inacceptable. Le lait UHT n’est pas non plus très adapté à la fabrication de yaourts car il forme un gel très mou17 ; cependant, il peut être plus adapté à la production d’un yaourt à boire (à longue durée de vie) où un gel ferme n’est pas requis.