Fabrication de fromages de type Cheddar à partir de laits de fromagerie concentrés en protéines et fortifiés

en vitamine D

Mémoire

Jonathan Boivin-Piché

Maîtrise en Sciences et Technologie des Aliments

Maître ès sciences (M. Sc.)

Québec, Canada

© Jonathan Boivin-Piché, 2014

iii

Résumé

La vitamine D joue un rôle métabolique important au niveau de l’absorption du

calcium et du phosphore. Or, selon une étude récente, 10 % des Canadiens souffrent d’une

carence en vitamine D et 32 % ont des niveaux jugés inadéquats pour le maintien d’une

bonne santé osseuse. Au Canada, de par sa fortification obligatoire, le lait de consommation

est une bonne source de vitamine D. Cependant, comme sa consommation est en constante

diminution, d’autres sources de vitamine D, tels que les fromages, permettraient de combler

les besoins nutritionnels des Canadiens. Afin de réduire la perte de vitamine D dans le

lactosérum durant la production fromagère, des fromages de type Cheddar ont été fabriqués

à partir de laits concentrés par ultrafiltration. Ce processus a permis de réduire la quantité

de lactosérum produit lors des fabrications fromagères et par conséquent, a augmenté la

rétention de la vitamine D dans les fromages.

v

Abstract

Vitamin D plays an important metabolic role in the absorption of calcium and

phosphorus. However, according to a recent study, 10 % of Canadians are deficient in

vitamin D and 32 % having levels considered inadequate to maintain a good bone health. In

Canada, due to its regulation, milk is a good source of vitamin D. However, as milk

consumption is decreasing continuously, other sources of vitamin D, such as cheeses,

would fulfill the nutritional needs of Canadians. To reduce the loss of vitamin D in whey

during cheesemaking, Cheddar cheeses were manufactured from milk concentrated by

ultrafiltration. This process allowed the reduction of the amount of whey produced during

cheese manufacturing and consequently improved the vitamin D retention in the cheese.

vii

Table des matières

Résumé ............................................................................................................................................................... iii

Abstract ............................................................................................................................................................... v

Table des matières ............................................................................................................................................. vii

Liste des tableaux .............................................................................................................................................. xi

Liste des figures ................................................................................................................................................ xiii

Liste des abréviations et des sigles ................................................................................................................... xv

Remerciements ................................................................................................................................................ xvii

Avant-propos ..................................................................................................................................................... xxi

Introduction générale........................................................................................................................................... 1

Chapitre 1: État des connaissances .................................................................................................................... 3

1.1. La vitamine D ............................................................................................................................ 3

1.1.1. Historique .......................................................................................................................... 3

1.1.2. Caractéristiques générales ................................................................................................ 4

1.1.3. L’ergocalciférol .................................................................................................................. 5

1.1.4. Photobiologie de la vitamine D3 ....................................................................................... 6

1.1.5. Absorption et métabolisme de la vitamine D ................................................................... 8

1.1.6. Principales pathologies reliées à une déficience en vitamine D ..................................... 10

1.1.7. Apports nutritionnels recommandés .............................................................................. 12

1.1.8. Limites maximales et hypervitaminose ........................................................................... 14

1.1.9. Sources alimentaires de vitamine D ................................................................................ 15

1.2. La fortification du fromage Cheddar en vitamine D .............................................................. 17

1.2.1. Le fromage, nouveau vecteur de vitamine D .................................................................. 17

1.2.2. Les caractéristiques du fromage Cheddar et sa fabrication ........................................... 18

1.2.3. Enrichissement du fromage Cheddar en vitamine D ...................................................... 21

1.2.4. Contamination du lactosérum ........................................................................................ 22

1.2.5. Valorisation du lactosérum contaminé par la vitamine D .............................................. 23

1.3. L’ultrafiltration appliquée à la fabrication du fromage Cheddar ........................................... 25

1.3.1. Principe et équipements ................................................................................................. 25

1.3.2. Application de l’ultrafiltration à la fabrication d’un fromage de type Cheddar ............. 26

1.3.3. Incidence du pouvoir tampon sur l’acidification ............................................................. 28

1.3.4. Effet de la concentration du lait sur l’action de la présure ............................................. 29

viii

1.3.5. Défaut de texture et de goût d’un fromage fabriqué à partir de lait ultrafiltré ............. 30

1.4. Problématique, but, hypothèses et objectifs du projet de recherche ................................... 30

1.4.1. Problématique ................................................................................................................. 30

1.4.2. But ................................................................................................................................... 31

1.4.3. Hypothèse de recherche ................................................................................................. 31

1.4.4. Objectif général ............................................................................................................... 31

1.4.5. Objectifs spécifiques........................................................................................................ 31

Chapitre 2: Fabrication de fromages de type Cheddar à partir de laits concentrés et fortifiés en vitamine D à

l’échelle laboratoire............................................................................................................................................ 33

2.1. Résumé ................................................................................................................................... 33

2.2. Introduction ............................................................................................................................ 33

2.3. Matériel et méthodes ............................................................................................................. 35

2.3.1. Fabrications fromagères .................................................................................................. 35

2.3.2. Analyse de la vitamine D ................................................................................................. 41

2.3.3. Analyses physico-chimiques ............................................................................................ 43

2.3.4. Dispositif expérimental et analyses statistiques ............................................................. 45

2.4. Résultats et discussion ........................................................................................................... 45

2.4.1. Stabilité de la vitamine D à la pasteurisation .................................................................. 45

2.4.2. Effet de la réfrigération sur la stabilité de la vitamine D ................................................ 46

2.4.3. Effet de la congélation sur la stabilité de la vitamine D .................................................. 47

2.4.4. Dispersion de la vitamine D dans les laits concentrés .................................................... 48

2.4.5. Sensibilité des ferments à la vitamine D ......................................................................... 49

2.4.6. Optimisation du taux d’ensemencement ........................................................................ 51

2.4.7. Optimisation du taux d’emprésurage ............................................................................. 53

2.4.8. Composition des laits de fromagerie .............................................................................. 54

2.4.9. Effet de la concentration du lait sur les paramètres de fabrication ............................... 55

2.4.10. Effet de la concentration du lait sur la quantité de lactosérum produite..................... 57

2.4.11. Effet de la concentration du lait sur les rendements fromagers et la rétention de la

vitamine D ................................................................................................................................. 59

2.4.12. Composition des fromages ............................................................................................ 61

2.5. Conclusion .............................................................................................................................. 63

2.6. Remerciements ...................................................................................................................... 63

ix

Chapitre 3: Production de fromages de type Cheddar enrichis en vitamine D à l’échelle pilote........................ 65

3.1. Résumé ................................................................................................................................... 65

3.2. Introduction ........................................................................................................................... 65

3.3. Matériel et méthodes ............................................................................................................ 67

3.3.1. Fabrications fromagères ................................................................................................. 67

3.3.2. Analyse de la vitamine D ................................................................................................. 69

3.3.3. Analyses physico-chimiques ............................................................................................ 69

3.3.4. Dispositif expérimental et analyses statistiques ............................................................. 70

3.4. Résultats et discussion ........................................................................................................... 71

3.4.1. Stabilité de la vitamine D à la pasteurisation .................................................................. 71

3.4.2. Composition des laits de fromagerie .............................................................................. 72

3.4.3. Effet de la concentration du lait sur les paramètres de fabrication ............................... 73

3.4.4. Effet de la concentration du lait sur la quantité et la composition du lactosérum ........ 75

3.4.5. Effet de la concentration du lait sur les rendements fromagers et les coefficients de

rétention de la vitamine D ........................................................................................................ 78

3.4.6. Composition des fromages ............................................................................................. 80

3.4.7. Population des lactocoques dans les fromages pendant l’affinage ................................ 81

3.4.8. pH des fromages pendant l’affinage ............................................................................... 82

3.4.9. Protéolyse primaire et secondaire des fromages ........................................................... 83

3.4.10. Texture des fromages pendant l’affinage ..................................................................... 84

3.4.11. Stabilité de la vitamine D lors de l’affinage .................................................................. 86

3.5. Conclusion .............................................................................................................................. 88

3.6. Remerciements ...................................................................................................................... 88

Conclusion générale.......................................................................................................................................... 89

Références ........................................................................................................................................................ 91

Annexes ............................................................................................................................................................ 99

Annexe 1 : Composition moyenne des ingrédients utilisés pour la standardisation des laits

concentrés ................................................................................................................................. 99

Annexe 2 : Exemple de calcul matriciel inverse ...................................................................... 100

Annexe 3: Fiche de Kingsway Chocolate ................................................................................. 101

Annexe 4 : Montage expérimental utilisé pour les mini-fabrications ..................................... 102

Annexe 5 : Test de Pearce modifié .......................................................................................... 104

x

Annexe 6 : La chambre noire ................................................................................................... 105

xi

Liste des tableaux

Tableau 1.1: Différences entre la vitamine D2 et D3 .......................................................................... 6

Tableau 1.2: Facteurs influençant la photobiologie de la vitamine D3 .............................................. 8

Tableau 1.3: Localisation et fonction des enzymes responsables de la conversion de la vitamine D

........................................................................................................................................................... 10

Tableau 1.4: Recommandations journalières en vitamine D (UI) ..................................................... 13

Tableau 1.5: Recommandations proposées par diverses organisations ........................................... 14

Tableau 1.6: Quantité journalière de vitamine D pouvant être consommée avant de développer

une hypercalcémie ............................................................................................................................ 15

Tableau 1.7: Concentration en vitamine D de certains aliments ...................................................... 16

Tableau 1.8: Consommation annuelle de litres de lait par Canadien ............................................... 16

Tableau 1.9: Concentration en vitamine D de certains fromages .................................................... 17

Tableau 1.10: Répartition des constituants du lait entre le lactosérum et le fromage lors d'une

fabrication fromagère de type Cheddar ........................................................................................... 22

Tableau 1.11: Types d'aliments dans lesquels les protéines du lactosérum sont utilisées .............. 24

Tableau 1.12: Configurations membranaires disponibles commercialement pour l'ultrafiltration . 26

Tableau 1.13: Fromages produits à partir de lait concentré par ultrafiltration................................ 26

Tableau 2.1: Taux d'ensemencement calculés pour la souche CUC-222 à utiliser en fonction du

facteur de concentration du lait à une température de 32°C .......................................................... 53

Tableau 2.2: Taux d'emprésurage calculés en fonction du facteur de concentration du lait à pH

6,50 et à 32°C .................................................................................................................................... 54

Tableau 2.3: Composition des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après pasteurisation .... 55

Tableau 2.4: Temps de production, pH et acidité titrable obtenus lors des fabrications fromagères

........................................................................................................................................................... 56

Tableau 2.5: Lactosérum égoutté et vitamine D perdue lors des différentes étapes de fabrication

en fonction de la concentration des laits utilisés ............................................................................. 59

Tableau 2.6: Composition des fromages fabriqués à partir de laits concentrés et coefficients de

rétention de l’azote total et de la matière grasse ............................................................................ 62

Tableau 3.1: Composition des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après pasteurisation .... 73

Tableau 3.2: Temps de production, pH et acidité titrable obtenus lors des fabrications fromagères

........................................................................................................................................................... 74

Tableau 3.3: Composition des lactosérums obtenus lors des fabrications fromagères en fonction de

la concentration des laits de fromagerie .......................................................................................... 77

Tableau 3.4: Composition des fromages fabriqués à partir de laits concentrés et coefficients de

rétention de l’azote total et de la matière grasse ............................................................................ 81

xiii

Liste des figures

Figure 1.1 : Structures des vitamines D2 et D3 ................................................................................... 4

Figure 1.2: Synthèse cutanée de la vitamine D3 ................................................................................. 7

Figure 1.3: Métabolisme des vitamines D2 et D3 ............................................................................... 9

Figure 1.4: Enfant souffrant de rachitisme ....................................................................................... 11

Figure 1.5: Fromage Allegro Probio enrichi en vitamine D3 ............................................................. 17

Figure 1.6: Étapes de fabrication du fromage Cheddar .................................................................... 21

Figure 1.7: Procédés de valorisation du lactosérum ......................................................................... 24

Figure 2.1: Effet de la pasteurisation des laits à 65°C pendant 30 min sur la vitamine D et suivit de

la stabilité après conservation à 4°C sur une période maximale de 72 heures ................................ 46

Figure 2.2: Stabilité de la vitamine D dans le lait 1x, 1,4x et 1,8x après réfrigération à 4°C sur une

période de 7 jours ............................................................................................................................. 47

Figure 2.3: Stabilité de la vitamine D à la congélation du lait à -20°C après 1 et 14 jours ............... 48

Figure 2.4: Distribution de la vitamine D dans le lait en fonction de sa concentration et de la

profondeur d’échantillonnage ........................................................................................................ 49

Figure 2.5: Effet de la concentration en vitamine D sur l’acidification du lait à 32°C par la souche

CUC-222 ............................................................................................................................................ 50

Figure 2.6: Effet de la concentration en vitamine D sur la croissance de la souche CUC-222 dans un

lait à 32°C .......................................................................................................................................... 50

Figure 2.7: Effet de la concentration en vitamine D sur l’acidification du lait à 32°C par la souche

CUC-248 ............................................................................................................................................ 51

Figure 2.8: Effet de la concentration en vitamine D sur la croissance de la souche CUC-248 dans un

lait à 32°C .......................................................................................................................................... 51

Figure 2.9: Profils d'acidification des laits en fonction de leur concentration et du taux

d'ensemencement de la souche CUC-222 lors de tests de Pearce ................................................... 52

Figure 2.10: Temps de coagulation des laits à pH 6,50 et à 32°C en fonction du taux d'emprésurage

........................................................................................................................................................... 54

Figure 2.11: Indice de pouvoir tampon des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après

pasteurisation ................................................................................................................................... 57

Figure 2.12: Proportions de lactosérum et de vitamine D totale perdues lors des fabrications en

fonction de la concentration des laits de fromagerie ....................................................................... 58

Figure 2.13: Rendement fromager en fonction du facteur de concentration des laits de fromagerie

........................................................................................................................................................... 60

Figure 2.14: Coefficients de rétention de la vitamine D en fonction de la concentration du lait de

fromagerie ......................................................................................................................................... 61

Figure 3.1: Effet de la pasteurisation des laits de fromagerie sur la vitamine D .............................. 72

Figure 3.2: Indice de pouvoir tampon des laits de fromagerie après pasteurisation ....................... 74

Figure 3.3: Proportions de lactosérum et de vitamine D totale perdues lors des fabrications en

fonction de la concentration des laits de fromagerie ....................................................................... 75

Figure 3.4: Rendement fromager en fonction du facteur de concentration des laits de fromagerie

........................................................................................................................................................... 78

xiv

Figure 3.5: Coefficients de rétention de la vitamine D dans les fromages fabriqués à partir des

différents laits de fromagerie ............................................................................................................ 79

Figure 3.6: Indice de pouvoir tampon des fromages fabriqués à partir de laits concentrés ............ 81

Figure 3.7: Population des lactocoques pendant l’affinage .............................................................. 82

Figure 3.8: Évolution du pH des fromages pendant l'affinage .......................................................... 83

Figure 3.9: Indice de protéolyse primaire des fromages lors de l'affinage ....................................... 84

Figure 3.10: Indice de protéolyse secondaire des fromages lors de l’affinage ................................. 84

Figure 3.11: Évolution de la dureté des fromages pendant l'affinage .............................................. 85

Figure 3.12: Évolution de l'élasticité des fromages pendant l'affinage ............................................ 85

Figure 3.13: Évolution de la cohésion des fromages pendant l'affinage .......................................... 86

Figure 3.14: Évolution de l’adhérence des fromages pendant l’affinage ......................................... 86

Figure 3.15: Stabilité de la vitamine D lors de l'affinage ................................................................... 87

xv

Liste des abréviations et des sigles

1.25(OH)2D : 1,25-dihydroxyvitamine D, calcitriol 25(OH)D :25-hydroxyvitamine D, calcidiol AAC : Agriculture et Agro-alimentaire Canada ACIA : Agence Canadienne d’Inspection des Aliments CCIL : Centre Canadien d’Information Laitière CEN : Cendre CR : Coefficient de rétention CRDA : Centre de Recherche et Développement sur les Aliments DEM : Dose érythémale minimale DBP : Vitamin D Binding Protein ESM : Erreur Standard Moyen EST : Extraits Secs Totaux FC : Facteur de concentration IOM : Institute of Medecine IUT : Institut Universitaire de Technologie LAC : Lactose MG : Matières Grasses NC : Azote caséique NNC : Azote non-caséique NSE : Azote soluble dans l’eau NSTCA : Azote soluble dans l’acide trichloracétique NT : Azote total PLC : Producteurs Laitiers du Canada UI : Unité Internationale UVB : rayon Ultra-violet B

xvii

Remerciements

Je voudrais premièrement remercier mon co-directeur de recherche, le Dr. Daniel

St-Gelais, ainsi que Gabrielle Gagné, étudiante à la maîtrise, qui m’ont permis de me faire

valoir lors d’un stage de quatre mois, lorsque j’étais encore aux études de premier cycle à

l’Université de Sherbrooke. Votre foi en mes capacités et vos encouragements m’ont

permis de réaliser que les études graduées étaient possibles pour moi.

Je tiens également à remercier mon directeur de recherche, le professeur Jean-

Christophe Vuillemard, qui m’a fait confiance et qui m’a accueilli lors de mes premiers pas

à l’Université Laval.

Un merci tout spécial aux membres de l’équipe de recherche de Daniel St-Gelais

pour leur chaleureuse présence, leur aide en laboratoire et leur soutien moral. Merci à toi

Annie Caron pour ta bonne humeur, ta confiance et ton grand soutien tout au long de ce

beau projet de recherche. Merci également à toi Sophie Turcot pour ton aide et ton rire

contagieux. Un merci tout spécial à Gaétan Bélanger. Ton soutien lors des productions

fromagères a été plus qu’extraordinaire. Ton calme exemplaire a permis de déstresser le

petit apprenti nerveux que j’étais.

Un grand merci à tous les étudiants stagiaires qui ont été de passage au CRDA lors

de ma maîtrise. Plus spécifiquement, merci à Floriane de Biasio, stagiaire de l’IUT de

Quimper, pour sa contribution lors des fabrications à petite échelle, mais aussi pour sa

bonne humeur, sa générosité et sa gentillesse. Tu étais certes une novice dans le domaine,

mais ton soutien fût digne d’une stagiaire d’expérience. Merci également à Julien Baret,

stagiaire de l’IUT de Saint-Pierre. Ta détermination et ton sens du devoir m’ont été d’une

grande aide lors des productions à grande échelle et lors des analyses au Mojonnier.

Un merci à tous les partenaires de ce projet de recherche, les Producteurs Laitiers du

Canada (PLC), Agriculture et Agro-alimentaire Canada (AAC), le Centre de Recherche et

de Développement sur les Aliments (CRDA) ainsi que l’Université Laval.

Je voudrais terminer en remerciant chaleureusement ma famille, non seulement pour

le soutien, mais plus précisément pour l’intérêt porté à mon projet. Un merci tout particulier

xviii

à mon père, Michel Boivin. Ta détermination et ta vision positive lors de ton combat contre

le cancer ont été un véritable exemple de courage et de confiance en la vie.

xix

« Chaque chose à sa raison d’être »

Michel Boivin

xxi

Avant-propos

Ce mémoire comporte trois chapitres dont deux sont rédigés sous forme d’articles

scientifiques en français. L’ensemble de ce projet de recherche, incluant la réalisation des

manipulations en laboratoire, l’analyse des résultats et la rédaction du mémoire, a été

supervisé sous la direction du Dr. Jean-Christophe Vuillemard et la co-direction du

Dr Daniel St-Gelais.

Le premier chapitre, intitulé « État des connaissances », est un document de

référence sur la vitamine D, le fromage Cheddar et l’ultrafiltration. Ce chapitre détaille

l’importance des vitamines D2 et D3 au sein du métabolisme, les dernières

recommandations nutritionnelles émises par l’Institute of Medecine ainsi que les principales

sources alimentaires dans lesquelles la vitamine D est retrouvée. La fabrication et la

fortification du fromage Cheddar sont également abordées, ainsi que l’impact de

l’application de l’ultrafiltration du lait de fromagerie sur l’acidification des laits, leur

aptitude à la coagulation et la modification de la texture des fromages. Finalement,

l’hypothèse de recherche, le but, les objectifs généraux et spécifiques de l’étude sont

présentés.

Le second chapitre « Fabrication à l’échelle laboratoire de fromages de type

Cheddar à partir de laits concentrés et fortifiés en vitamine D » consiste en l’optimisation

des paramètres de fabrication permettant de standardiser les fabrications afin d’obtenir des

fromages de compositions similaires, ainsi que la détermination de l’impact de la

concentration du lait par ultrafiltration sur la quantité de lactosérum produit et sur la

rétention de la vitamine D dans les fromages. Ce chapitre détaille l’impact des différentes

étapes de la production fromagère à l’échelle laboratoire sur la stabilité de la vitamine D,

ainsi que l’effet de la concentration du lait sur les paramètres de fabrication et la quantité de

lactosérum et de vitamine D perdue.

Le troisième chapitre « Production de fromages de type Cheddar fortifiés en

vitamine D à l’échelle pilote » consiste en l’analyse de l’impact de la mise à l’échelle du

procédé de fabrication sur la rétention de la vitamine D. Ce chapitre détaille également

xxii

l’impact de la fortification du lait de fromagerie sur la composition du fromage et sur la

stabilité de la vitamine D pendant l’affinage.

Cet ouvrage se termine par une conclusion générale mettant en lien les résultats des

différents chapitres et confirmant l’atteinte des objectifs de recherche.

1

Introduction générale

La découverte du pouvoir antirachitique de la vitamine D remonte à la première

moitié du 20e siècle (Wolf 2004). De par son rôle principal au sein du métabolisme, la

vitamine D permet de bonifier la formation et le maintien d’une bonne santé osseuse en

améliorant l’absorption intestinale du calcium et du phosphore (Institute of Medecine

2011). Lorsqu’absorbée par l’alimentation ou synthétisée à la suite d’une exposition de la

peau au soleil, la vitamine D est convertie en calcitriol, soit un dérivé métabolique

biologiquement actif au sein du corps humain. Ce dérivé serait impliqué dans la régulation

d’environ 5 % du génome humain et permettrait de réduire les risques de développement de

plusieurs maladies chroniques telles que l’arthrite rhumatoïde (Adorini 2011), la sclérose

en plaques (Hayes et al. 2011), le diabète (Gysemans et al. 2011), le psoriasis (Reichrath &

Holick 2011), les maladies inflammatoires de l’intestin (Bruce & Cantorna 2011), divers

cancers (Cross 2011; Krishnan & Feldman 2011; Tang & Epstein Jr 2011; Trump &

Johnson 2011; Welsh 2011).

Devant l’ampleur des récentes publications prouvant l’importance de la vitamine D,

l’Institute of Medecine (IOM) a revu à la hausse ses recommandations vis-à-vis cette

dernière en ajustant la consommation journalière d’une personne d’âge adulte

de 200 Unités Internationales (UI), datant de 1997, à 600 UI par jour (Institute of Medecine

2011). Cependant, plusieurs facteurs physiologiques, environnementaux et socio-culturels

rendent difficile l’atteinte de ces recommandations par la population canadienne. Ces

facteurs, en plus de l’importante diminution de la consommation du lait, principale source

alimentaire de vitamine D, observée depuis le début des année 1990, font en sorte que 10 %

des Canadiens âgés entre 3 et 79 ans souffrent actuellement d’une carence en vitamine D et

que 32 % ont des niveaux jugés inadéquats pour le maintien d’une bonne santé osseuse

(Janz & Pearson 2013).

Compte tenu de leur faible teneur en vitamine D, les fromages actuellement

disponibles sur le marché ne permettent pas d’améliorer significativement l’apport

quotidien en vitamine D recommandé. Cependant, la fortification du lait servant à la

fabrication du fromage permettrait d’introduire sur le marché canadien une source

2

alternative de vitamine D pour les consommateurs. Le fromage Cheddar, qui totalise près

de 35 % des ventes de fromages au Canada, s’avère un vecteur intéressant pour la

fortification (Centre canadien d'information laitière 2013). De plus, les derniers travaux

effectués sur la fortification du fromage en vitamine D ont démontré que cette dernière

n’est généralement pas affectée par l’ensemble des étapes de fabrication fromagère

(Banville et al. 2000; Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a). La vitamine D, en plus

d’être distribuée uniformément dans le caillé fromager (Wagner et al. 2008a), n’affecte

aucunement la flaveur de ce dernier (Ganesan et al. 2011). La vitamine D présente dans un

morceau de fromage est tout aussi bio-disponible que la vitamine D retrouvée sous forme

de supplément (Wagner et al. 2008b). Cependant, la vitamine D ajoutée au lait de

fromagerie n’est pas totalement retenue dans le fromage. La rétention pouvant varier

entre 40 % (Banville et al. 2000) et 90 % (Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a) et

résulte en une présence non désirée de vitamine D dans le lactosérum, rendant plus difficile

la valorisation de ce dernier.

Cette perte pourrait être atténuée par l’application de l’ultrafiltration au lait de

fromagerie. L’application de ce procédé de séparation par membranes au domaine fromager

remonte à la fin des années 1960 (Maubois et al. 1969) et permet de produire un rétentat

concentré en protéines caséiques et sériques ainsi qu’en minéraux, en éliminant une partie

de la phase aqueuse du lait (Mistry & Maubois 2004). L’utilisation de ce concentré

protéique lors des fabrications fromagères permet, outre la standardisation de la teneur

protéique des laits (Mistry & Maubois 2004; Mistry 2013), d’augmenter les rendements

fromagers (Guinee et al. 1996; St-Gelais et al. 1998; St-Gelais et al. 2001; Guinee et al.

2006) mais surtout de réduire la quantité de lactosérum (St-Gelais & Haché 1995; Caron et

al. 2001). Jusqu’à présent, la littérature ne rapporte aucune étude de production à grande

échelle de fromage de type Cheddar à partir de lait concentré par UF et fortifié en

vitamine D.

Les objectifs de ce travail étaient d’optimiser les paramètres de fabrication

permettant de standardiser les fabrications afin d’obtenir des fromages de compositions

similaires ainsi que de déterminer l’impact de la concentration du lait par ultrafiltration sur

la quantité de lactosérum produit et sur la rétention de la vitamine D dans les fromages.

3

Chapitre 1: État des connaissances

1.1. La vitamine D

1.1.1. Historique

Le rachitisme, décrit en détail pour la première fois par Glisson en 1650, n’était pas

une maladie jugée, à l’époque, comme étant importante (Wolf 2004). Cependant, avec la

révolution industrielle, de nombreuses villes d’Angleterre se retrouvèrent plongées sous les

épais écrans de fumées dégagées par les multiples usines, privant ainsi les citoyens des

bienfaits du soleil. C’est alors que le rachitisme, connu sous le nom de English disease,

atteignit des proportions pandémiques (Deluca 2011). La toute première approche

scientifique de la maladie a été effectuée indirectement par McCollum & Davis (1914). Ces

derniers isolèrent, de la matière grasse du lait, un composé liposoluble et non saponifiable

qu’ils nommèrent fat-soluble factor A, soit l’ancêtre de la vitamine A, qui était jugé

essentiel pour la prévention de la xérophtalmie. Des découvertes subséquentes montrèrent

que ce facteur était également présent dans l’huile de foie de morue (Wolf 2004). Cette

notion intéressa Mellanby (1919) qui utilisa de la matière grasse de lait et de l’huile de foie

de morue sur des chiots atteints de rachitisme. Il découvrit alors que ce régime alimentaire

permettait de traiter et prévenir la maladie. Cependant, ces résultats n’ont pas permis de

déterminer si le pouvoir guérisseur provenait de la vitamine A ou d’une substance encore

inconnue (Wolf 2004; Deluca 2011). Pendant ce temps, McCollum et al. (1922)

continuèrent leur recherche et découvrirent que l’huile de foie de morue aérée et chauffée,

afin de permettre l’inhibition de l’activité de la vitamine A, conservait malgré tout, son

pouvoir antirachitique. Ils attestèrent donc que ce pouvoir ne provenait pas de la

vitamine A, mais plutôt d’une toute nouvelle substance nommée vitamine D (Wolf 2004;

Deluca 2011). Parallèlement à cette découverte, Huldschinsky (1919) découvrit que le

rachitisme pouvait être traité en exposant des enfants à la lumière du soleil ou à une

lumière UV artificielle. De cette découverte a résulté la vente de lampes UV dans les

pharmacies américaines et européennes afin que les parents puissent irradier leurs enfants

(Holick 2010). À la suite de multiples et fructueuses collaborations, Windaus et Hess

analysèrent l’ergostérol, un stéroïde fongique de l’ergot, ayant une forte activité

antirachitique lorsqu’irradié aux UV (Windaus 1926). Ils établiront alors que l’ergostérol

4

est une provitamine D, convertible en vitamine D2 (figure 1.1) à la suite d’une

irradiation UV (Windaus 1931). Cette découverte a conduit à la fortification des aliments

dont il sera question à la section 1.2. Une importante question surgit alors dans le domaine

scientifique. Étant donné que l’ergostérol n’est pas retrouvé dans le règne animal, comment

est-il possible que les animaux et les humains soient en mesure de produire de la

vitamine D à suite d’une exposition au soleil ? Ce n’est que quelques années plus tard que

Windaus (1937) est parvenu à répondre à la question en isolant de la peau d’un porc

le 7-déshydrocholestérol, le précurseur de la vitamine D3. Ce n’est cependant qu’en 1955

que l’ensemble des réactions photochimiques et thermiques entre l’ergostérol et

l’ergocalciférol fût décrit par Velluz (1955), alors que les mêmes réactions entre

le 7-déshydrocholestérol et le cholécalciférol n’ont été décrites qu’en 1980 par Holick et al.

(1980).

Figure 1.1 : Structures des vitamines D2 et D3

Tiré de Deluca (2011)

1.1.2. Caractéristiques générales

Bien que la vitamine D existe sous plusieurs formes, le présent document portera

principalement sur les vitamines D2 et D3, ainsi que leurs deux principaux dérivés

métaboliques rencontrés dans l’organisme humain, soit le 25-hydroxyvitamine D et le

calcitriol. L’ergocalciférol, ou vitamine D2, est principalement retrouvée parmi les

végétaux tels que les champignons, les mousses, les lichens et dans certains cas, les

escargots et les vers. D’ailleurs, le précurseur de l’ergocalciférol, l’ergostérol, peut

5

représenter jusqu’à 10 % de la masse sèche de ces organismes (Combs Jr 2012c). Au

niveau du règne animal, c’est le 7-déshydrocholestérol qui fait office de précurseur à la

vitamine D3, également nommé cholecalciférol (Combs Jr 2012c). Malgré ses nombreuses

implications au sein du métabolisme, la principale action de la vitamine D est de

promouvoir l’absorption intestinale du calcium et du phosphore, afin de bonifier la

formation et le maintien des os et des dents (Institute of Medecine 2011).

1.1.3. L’ergocalciférol

Un débat scientifique réside actuellement face à l’efficacité réelle de la vitamine D2

chez l’être humain. Ce débat provient du fait que la vitamine D2 ne possède pas

précisément les mêmes propriétés que la vitamine D3 (tableau 1.1) et que certaines espèces

animales, tels les oiseaux, sont incapables d’utiliser l’ergocalciférol en tant que source de

vitamine D (Combs Jr 2012c). Même si ces deux formes suivent virtuellement le même

chemin métabolique, malgré une légère différence au sein de leur structure (figure 1.1),

certains auteurs suggèrent que le profil pharmacocinétique de la vitamine D2 est similaire à

celui de sa consœur (Holick et al. 2008; Combs Jr 2012c), alors que d’autres évoquent que

la vitamine D3 est jusqu’à quatre fois plus efficace pour le maintien d’un bon niveau

sérique de 25-hydroxyvitamine D (25(OH)D) (Vieth 2011) ; un dérivé métabolique de la

vitamine D (D2 et D3) utilisé pour l’évaluation du taux de vitamine D (Institute of

Medecine 2011). D’un autre côté, plusieurs études effectuées sur des rongeurs et des

primates démontrent que la vitamine D2 serait moins active que la vitamine D3, mais

aucune évidence n’a été montrée chez les humains jusqu’à présent (Institute of Medecine

2011). Malgré tout, actuellement, la vitamine D2 continue d’être utilisée cliniquement

comme équivalente à sa consœur (Vieth 2011).

6

Tableau 1.1: Différences entre la vitamine D2 et D3 Traduit de Vieth (2011)

Vitamine D2 Vitamine D3

Non détectée chez les humains ou les primates à moins d’être administré de façon externe

Retrouvée de façon naturelle chez les humains à la suite d’une exposition de la peau aux rayons UVB

À la suite d’une administration d’une dose de 100 000 UI de vitamine D2, le niveau sérique de 25(OH)D2 est plus bas un mois après administration que le niveau de base avant administration

À la suite d’une administration d’une dose de 100 000 UI de vitamine D3, le niveau sérique de 25(OH)D3 est plus élevé un mois après administration que le niveau de base avant administration

Génère des métabolites pour lequel il n’existe pas d’équivalent sous forme de vitamine D3

La 25-hydroxylase microsomale n’a aucun effet sur la vitamine D2

La 25-hydroxylase microsomale et mitochondriale agit sur la vitamine D3

Moins efficace que la vitamine D3 pour augmenter le taux sérique de 25(OH)D

L’augmentation du taux sérique de 25(OH)D à la suite d’une administration de vitamine D2 est plus faible chez les personnes âgées que pour les jeunes adultes

L’augmentation du taux sérique de 25(OH)D à la suite d’une administration de vitamine D3 est la même pour tous les âges

Les préparations de vitamine D2 sont moins stables que les préparations de vitamine D3

1.1.4. Photobiologie de la vitamine D3

La prévitamine D3 est produite quelques minutes après l’exposition de la peau au

soleil (figure 1.2) (Whiting & Calvo 2011). Ce métabolite est le résultat de la photolyse du

précurseur de la vitamine D3 (7-déhydrocholestérol), situé principalement dans la couche

de Malpighie, à la suite de l’absorption de rayons UVB de l’ordre de 290 à 320 nm (Combs

Jr 2012c). L’instabilité de la prévitamine D3 est à l’origine de sa transformation en

vitamine D3 à suite d’un arrangement thermique. Cependant, seuls 50 % de la forme

prévitamine D3 est transformé en vitamine D3 dans les deux heures suivant l’exposition

aux rayons UVB (Holick 2011). Lorsque libérée dans l’espace extracellulaire, la

vitamine D3 se lie à une protéine de transport (vitamin D binding protein - DBP) et est

transportée jusqu’au foie afin de poursuivre ses transformations et devenir

métaboliquement active (section suivante).

7

Figure 1.2: Synthèse cutanée de la vitamine D3

Tiré de Combs Jr (2012c)

L’exposition aux rayons UVB peut être quantifiée en dose érythémale. Une dose

érythémale minimale (1 DEM) est la quantité d’énergie minimale nécessaire pour

l’apparition de rougeurs sur la peau sans pour autant causer un « coup de soleil » (Whiting

& Calvo 2011). Il est estimé que l’exposition au soleil d’une personne en bonne santé en

maillot de bain à 1 DEM permet de produire l’équivalent de 10 000 et 20 000 UI de

vitamine D3 (Holick 2011). Cependant, divers facteurs influencent la biosynthèse de cette

vitamine (tableau 1.2), les personnes âgées et les personnes possédant une forte

pigmentation de la peau sont plus à risque de développer des carences en vitamine D,

surtout si ces personnes habitent une région nordique moins ensoleillée. Parallèlement, en

raison de la dégradation rapide de la vitamine D3 par l’énergie des rayons UVB en dérivés

métaboliques inactifs (figure 1.2), aucune hypervitaminose D n’a été diagnostiquée à la

suite d’une exposition prolongée au soleil (Institute of Medecine 2011).

8

Tableau 1.2: Facteurs influençant la photobiologie de la vitamine D3

Type de facteurs Sous-facteurs Effets Références

Physiologiques Pigmentation de la peau Augmentation du temps d’exposition requis pour atteindre 1

MED

Whiting & Calvo (2011)

Âge Diminution de la capacité de production du précurseur de la

vitamine D3

Holick (2011) Janz & Pearson

(2013)

Adiposité élevée Séquestration de la vitamine D3 Whiting & Calvo (2011)

Vieth (2011) Environnementaux Latitude Diminution de la quantité de rayons

UVB atteignant la Terre Holick (2011)

Changement de saison Réduction du temps d’ensoleillement

Holick (2011) Whiting & Calvo

(2011)

Position du soleil dans le ciel et couvert nuageux

Variation de l’index UV Holick (2011)

Sociaux et culturels

Environnement de travail Absence d’exposition au soleil Holick (2011)

Utilisation d’écrans solaires

Limitation de la synthèse de vitamine D3 malgré une exposition

au soleil

Holick (2011)

Mode vestimentaire Limitation de la synthèse de vitamine D3 malgré une exposition

au soleil

Holick (2011)

1.1.5. Absorption et métabolisme de la vitamine D

Les vitamines D2 et D3, en raison de leur caractère liposoluble, sont absorbées par

diffusion passive au niveau du petit intestin, principalement au niveau du duodénum et de

l’iléum (figure 1.3) (Combs Jr 2012c). L’absorption intestinale n’est généralement pas un

facteur limitant au métabolisme de la vitamine D, sauf si une pathologie, telle que la

maladie de Crohn, vient nuire à cette dernière (Whiting & Calvo 2011). Lorsqu’absorbée, la

vitamine D entre dans la circulation lymphatique en s’associant avec les chylomicrons et,

lorsque ces derniers sont dégradés, la vitamine D se lie à la transcalciférine, une protéine de

transport de la vitamine D (Vitamin D Binding Protein – DBP) (Institute of Medecine 2011;

Combs Jr 2012c). Lorsque complexée à DBP, la vitamine D, d’origine alimentaire ou

cutanée, est transportée jusqu’au foie, lieu où s’amorce la première étape de transformation

permettant la synthèse de la forme bioactive de la vitamine D. Les vitamines D2 et D3 sont

tout d’abord converties respectivement en 25(OH)D2 et en 25(OH)D3 par une cytochrome

P450 située dans les microsomes des cellules hépatique (tableau 1.3). Par la suite, ces

9

formes métaboliquement inactives se complexent de nouveau avec la DBP afin d’être

transportées vers différents tissus et organes cibles, dont les reins, afin d’être transformées

en calcitriol. Cette forme active agit comme une hormone en voyageant, toujours

complexée à la DBP, de son site de production vers les différents sites d’actions (Jones &

Prosser 2011; Whiting & Calvo 2011; Combs Jr 2012c).

Figure 1.3: Métabolisme des vitamines D2 et D3

Traduit de Anderson et al. (2003)

Le calcitriol serait impliqué dans la régulation de l’expression d’environ 5 % du

génome humain (Institute of Medecine 2011). Outre la modulation de l’homéostasie du

calcium par la stimulation intestinale du calcium et du phosphore et par l’activation des

ostéoclastes au sein des os, la vitamine D, sous forme de calcitriol, permet de réduire les

risques de développement de plusieurs maladies chroniques telles que l’arthrite rhumatoïde

(Adorini 2011), la sclérose en plaques (Hayes et al. 2011), le diabète (Gysemans et al.

2011), le psoriasis (Reichrath & Holick 2011), les maladies inflammatoires de l’intestin

(Bruce & Cantorna 2011) et divers cancers (Cross 2011; Krishnan & Feldman 2011; Tang

& Epstein Jr 2011; Trump & Johnson 2011; Welsh 2011).

10

Tableau 1.3: Localisation et fonction des enzymes responsables de la conversion de la vitamine D

Traduit de Jones & Prosser (2011)

Cytochrome P450

Localisation (organisme)

Localisation (cellulaire)

Activité Fonction de

l’enzyme

CYP2R1 Foie Microsomale 25-hydroxylation

(D2 et D3) 25-hydroxylase

CYP27B1 Rein Mitochondriale 1α-hydroxylation

(D2 et D3) 1α-hydroxylase

CYP24A1 Tissus cibles Mitochondriale 23- et 24-hydroxylation de

25(OH)D et de 1.25(OH)2D 23- et 24-

hydroxylase

Lorsque non utilisée, la vitamine D peut également être stockée. Cependant,

contrairement aux autres vitamines liposolubles, cette dernière n’est pas stockée

uniquement par le foie (les poissons étant une importante exception), mais est plutôt

répartie de façon uniforme dans les compartiments hydrophobes des reins, du foie, des

poumons, de l’aorte et du cœur (Combs Jr 2012c). Les tissus adipeux sont également une

source de stockage importante étant donné leur caractère hydrophobe. Cependant, la

libération et l’utilisation de la vitamine D ne s’effectue que lors de la diminution des tissus

adipeux (Institute of Medecine 2011). De plus, lorsque catabolisée, la vitamine D est

excrétée majoritairement via les fèces et en très faible quantité, via l’urine (St-Arnaud

2011).

1.1.6. Principales pathologies reliées à une déficience en vitamine D

L’état de carence en vitamine D est relié à deux principaux désordres pathologiques

résultant d’une minéralisation inadéquate des os. La première et la plus importante, est le

rachitisme et touche principalement les jeunes enfants, alors que la seconde, l’ostéomalacie,

affecte particulièrement les adultes.

La cause principale du rachitisme est attribuée à un défaut de livraison du calcium à

la surface des os, à la suite d’une stimulation insuffisante de l’absorption intestinale du

calcium et du phosphore, causée par une déficience de vitamine D. Afin de prévenir l’état

d’hypocalcémie, le corps augmente son taux d’hormone parathyroïdienne (PTH) afin

d’augmenter l’activité des ostéoclastes. Les os deviennent alors de plus en plus faibles, à la

suite d’une activité ostéoblastique importante produisant de grandes quantités d’ostéoïdes

11

non calcifiés remplaçant l’os primaire en pleine résorption. Ceci résulte en des retards de

croissance, ainsi que d’importantes déformations du squelette chez l’enfant (figure 1.4)

(Institute of Medecine 2011; Combs Jr 2012c). L’origine du rachitisme peut également être

d’ordre génétique. Ces maladies autosomales récessives sont responsables d’un niveau

anormalement bas de calcitriol à la suite d’une mutation affectant l’enzyme 1α-hydroxylase

(vitamin D-dependent rickets type 1 – VDDR I) ou de l’absence du gène Vdr codant pour le

récepteur de la vitamine D (VDDR II) (Institute of Medecine 2011). De façon générale, le

rachitisme peut être traité par une supplémentation en l’un des différents métabolites de

vitamine D et en calcium.

Figure 1.4: Enfant souffrant de rachitisme

Tirée de Whyte (2011)

Parallèlement, l’ostéomalacie est une maladie caractérisée par un défaut de

minéralisation de la matrice osseuse nouvellement déposée à la suite d’un apport calcique

déficient. Cette sous-minéralisation des os provoque différents symptômes, incluant de la

faiblesse musculaire, de la douleur osseuse et des risques de fractures. Ces derniers étant

provoqués à la suite d’une altération de la force des os et du ramollissement du squelette.

Cette pathologie peut être traitée de façon similaire au rachitisme (Institute of Medecine

2011).

12

Bien qu’indirectement associée, une carence en vitamine D et en calcium est un

facteur de risque important du développement de l’ostéoporose. Cette dernière touche

particulièrement les femmes en période de ménopause en raison de la haute activité de

remodelage des os qui réduit la densité et la solidité des os. Les personnes atteintes

deviennent alors à risque de développer des fractures, notamment au niveau des vertèbres,

de la hanche et de l’avant-bras (Institute of Medecine 2011).

1.1.7. Apports nutritionnels recommandés

L’Institute of Medecine (IOM) a établi en 1997 ses toutes premières

recommandations officielles concernant la vitamine D (Institute of Medecine 1997).

Cependant, en 2008, les gouvernements canadiens et américains, devant la multitude de

nouvelles études scientifiques réalisées sur l’importance de la vitamine D, ont jugé qu’il y

avait assez de preuves scientifiques pour financer une mise à jour de ces recommandations

auprès de l’IOM. Ces nouvelles recommandations indiquent qu’il est préférable de

consommer un minimum de 600 UI de vitamine D par jour (tableau 1.4) plutôt que

les 200 UI recommandées en 1997 (Institute of Medecine 2011). Malgré l’impressionnant

rapport de l’IOM, certaines organisations proposent leurs propres recommandations afin de

diminuer les risques de développer certaines maladies. C’est d’ailleurs le cas pour la société

canadienne du cancer, qui conseille de consommer plus de 1000 UI/jour (tableau 1.5)

(Calvo & Whiting 2013).

13

Tableau 1.4: Recommandations journalières en vitamine D (UI) Adapté de Institute of Medecine (2011) et de Holick (2011)

Institute of Medecine Dr. Holick

Âge Apport

suffisant1

Apport moyen estimé2

Apport nutritionnel

recommandé3

Apport maximal tolérable4

Apport journalier

Apport maximal tolérable

0-6 mois 400* - - 1000 400-1000 2000 6-12 mois 400 - - 1500 400-1000 2000 1-3 ans - 400 600 2500 600-1000 4000 4-8 ans - 400 600 3000 600-1000 4000

9-13 ans - 400 600 4000 1500-2000 4000 14-18 ans - 400 600 4000 1500-2000 4000 19-30 ans - 400 600 4000 1500-2000 10 000 31-50 ans - 400 600 4000 1500-2000 10 000 51-70 ans - 400 600 4000 1500-2000 10 000 ≥ 71 ans - 400 800 4000 1500-2000 10 000

Grossesse - 400 600 4000 1500-2000 10 000 Lactation - 400 600 4000 1500-2000 10 000 * 1 Unité internationale (UI) = 40 µg de vitamine D 1 Valeurs arbitraires utilisées lorsque les données scientifiques actuelles disponibles étaient insuffisantes pour l’estimation d’un apport moyen. 2 Apport journalier médian permettant de répondre aux besoins nutritionnels de 50 % de la population. 3 Calculé à partir de l’apport moyen estimé et assumant une distribution normale. Apport permettant de répondre aux besoins nutritifs de 97,5 % de la population. 4 Apport journalier maximal pouvant être toléré sans l’apparition d’effets indésirables. Conçu pour la protection de la santé publique.

Les recommandations de l’IOM font référence plus précisément à la quantité de

vitamine D à consommer quotidiennement, afin d’obtenir et de maintenir un niveau sérique

de 25-hydroxyvitamine D suffisant pour éviter tout risque de déficience ou de carence.

Selon l’IOM, un niveau optimal de 25(OH)D de l’ordre de 50 nmol/L est nécessaire pour le

maintien d’une bonne santé osseuse. L’état de déficience en vitamine D est attribué chez un

individu lorsque ses niveaux sériques sont situés entre 50 et 30 nmol/L, alors que l’état de

carence correspond plutôt à des niveaux inférieurs à 30 nmol/L. Cependant, le niveau

de 25(OH)D optimal est un sujet controversé dans la communauté scientifique. Certaines

publications, tel que le rapport de l’IOM, estiment que 50 nmol/L sont suffisants, alors que

d’autres estiment qu’un niveau de 75 nmol/L serait préférable pour l’obtention d’une bonne

santé osseuse (tableau1.4) (Holick 2011; Vieth 2011).

14

Tableau 1.5: Recommandations proposées par diverses organisations Tiré de Calvo & Whiting (2013)

Organisation (année) Âge Recommandation (UI/jour)

Endocrine society (2011) 1-18 ans 600 à 1000

+ 19 ans 1500 à 2000 Ostéoporoses Canada (2010) 19-50 ans 400 à 1000

+ 51 ans 800 à 2000 Fondation Nationale de l’Ostéoporose (2008) - 50 ans 400 à 800

+ 51 ans 800 à 1000 Santé Canada (2007) + 50 ans + 400 Société Canadienne du Cancer (2007) + 19 ans 1000

1.1.8. Limites maximales et hypervitaminose

La nécessité d’établir des limites tolérables maximales journalières (tableau 1.4)

provient principalement de la présence croissante d’aliments enrichis en vitamine D sur le

marché. Ces recommandations sont une estimation d’une dose sécuritaire maximale

pouvant être consommée quotidiennement sans toutefois nuire à la bonne santé des

consommateurs (Institute of Medecine 2011). Les symptômes courants d’une intoxication,

ou hypervitaminose D, apparaissent généralement après quatre à six semaines et se

traduisent par des vomissements, des maux de tête, de la somnolence, de la diarrhée ou une

polyurie et peuvent éventuellement mener à une hypercalcémie. Cette dernière se

caractérise normalement par une augmentation anormale de l’absorption intestinale du

calcium ainsi qu’une résorption osseuse excessive (Institute of Medecine 2011; Combs Jr

2012c). De plus, l’effet continu de ce débalancement de l’homéostasie calcique peut mener

à l’apparition d’une calcinose, dont les symptômes se caractérisent par une déposition

anormale de calcium et de phosphore dans les tissus mous tel que le cœur, les reins ainsi

que les vaisseaux sanguins et respiratoires. Malgré tout, les cas cliniques d’hypercalcémies

provoquées par une hypervitaminose D sont peu fréquents (Institute of Medecine 2011;

Combs Jr 2012c). Une étude montre d’ailleurs qu’une consommation de 10 000 UI de

vitamine D3 par jour pendant cinq mois n’altère pas le taux sérique de calcium et ne crée

aucune perte urinaire anormale de calcium chez les adultes (tableau 1.6) (Heaney 2003).

15

Tableau 1.6: Quantité journalière de vitamine D pouvant être consommée avant de développer une hypercalcémie Tiré de Heaney (2003)

Dose de vitamine D (UI/jour)

Durée de l’étude (semaines)

Hypercalcémie répertoriée

800 26 Non 1 800 12 Non 1 800 12 Non 2 000 26 Non 4 000 8 Non

10 000 4 Non 10 000 10 Non 10 000 22 Non 20 000 4 Non 50 000 6 Oui

300 000 3 Oui

1.1.9. Sources alimentaires de vitamine D

La vitamine D est naturellement présente dans une variété limitée d’aliments

(tableau 1.7) (Combs Jr 2012a). Cependant, à la suite de la mise en place en 1975 d’un

projet de loi canadien permettant de mieux contrôler la fortification des aliments, la

vitamine D se retrouve également dans le lait de consommation ainsi que dans la margarine

à des taux respectifs de 41 et 530 UI par portion de 100 g (Calvo & Whiting 2013; Sacco

2013). De par cette législation, une simple portion de 250 mL de lait permet de

fournir 44 % des 200 UI de vitamine D requis quotidiennement selon le guide d’étiquetage

et de publicité sur les aliments (Agence canadienne d'inspection des aliments 2013).

Malheureusement, à la suite d’une importante baisse de sa popularité, la consommation du

lait est passée de 92,6 L/habitant/année en 1992 à 78,7 L/habitant/année en 2011

(tableau 1.8) (Centre canadien d'information laitière 2013).

16

Tableau 1.7: Concentration en vitamine D de certains aliments Tiré de Combs Jr (2012b)

Nom de l’aliment Vitamine D (UI/100g)

Huile de foie de hareng 140 000 Huile de foie de morue 16 700 Champignon shiitake séché 1 660 Peau de poulet 900 Hareng dans le vinaigre 680 Saumon Rose en conserve 624 Margarine 530 Sardine en conserve 272 Thon en conserve 236 Caviar rouge et noir 232 Maquereau en conserve 228 Crevette cuite 152 Lait de consommation 41 Œuf 28 Lait maternel (humain) 10 Lait de vache (naturel) 2

D’un autre côté, l’enrichissement volontaire de certains aliments est permis

depuis 2005 par le gouvernement canadien. Cet ajout doit cependant être situé entre 100

et 4000 UI par 1000 kcal, aussi longtemps que l'apport énergétique total prévu est de moins

de 2500 kcal (Calvo & Whiting 2013). La fortification en vitamine D des pains et des

produits de boulangerie est également permise depuis 2011(Sacco 2013). De plus, l’atteinte

de la dose journalière de vitamine D recommandée par l’IOM est toujours possible via la

consommation de suppléments multivitaminés en vente libre. Une prescription est

cependant nécessaire pour obtenir des compléments contenant une dose supérieure

à 1000 UI par comprimé (Institute of Medecine 2011).

Tableau 1.8: Consommation annuelle de litres de lait par Canadien Tiré du Centre canadien d'information laitière (2013)

Années Lait 3,25% Lait 2% Lait 1% Lait écrémé Lait au chocolat Babeurre Total1

2012 10,32 35,78 16,99 7,88 5,96 0,35 77,28 2006 12,35 38,43 18,11 8,71 5,51 0,42 83,54 2000 14,20 43,24 17,26 8,59 4,54 0,39 88,22 1992 17,16 51,62 11,12 6,19 3,38 0,42 89,89

1Ventes annuelles de lait de consommation divisées par la population canadienne. Ne tient pas compte des échanges interprovinciaux et des achats outre-frontière.

17

1.2. La fortification du fromage Cheddar en vitamine D

1.2.1. Le fromage, nouveau vecteur de vitamine D

Compte tenu de leur faible teneur en vitamine D, les fromages actuellement présents

sur le marché ne permettent pas d’améliorer significativement l’apport quotidien en

vitamine D requis pour une personne d’âge adulte (tableau 1.9). Cependant, la fortification

du lait servant à la fabrication fromagère permettrait d’introduire sur le marché canadien de

nouvelles sources de vitamine D pour les consommateurs. C’est d’ailleurs le cas du

fromage Allegro qui a vu le jour en avril 2011. Ce fromage était le tout premier fromage

canadien à contenir de la vitamine D (figure 1.5). Sa concentration de 60 UI de vitamine D

par portion de 30 grammes permet d’obtenir 30 % des 200 UI de vitamine D requis

quotidiennement selon le guide d’étiquetage et de publicité sur les aliments (Agence

canadienne d'inspection des aliments 2013).

Tableau 1.9: Concentration en vitamine D de certains fromages Tiré de O’Brien & O’Connor (2004)

Variété de fromage Teneur en vitamine D

(UI/100g)

Cottage 1,2 Cheddar réduit en gras 4,4 Mozzarella 6,4 Camembert 7,2 Cheddar 10,4 Feta 20,0

Figure 1.5: Fromage Allegro Probio enrichi en vitamine D3

18

1.2.2. Les caractéristiques du fromage Cheddar et sa fabrication

Les ventes de fromage Cheddar totalisent aujourd’hui environ 35 % des fromages

vendus annuellement au Canada, ce qui fait de ce produit l’un des fromages les plus

consommés par les canadiens (Centre canadien d'information laitière 2013). Originaire du

village de Cheddar en Angleterre, ce fromage datant du 16e siècle (Fox & McSweeney

2004) est un fromage à pâte ferme, fait à partir de lait de vache ou de bufflonne, affiné dans

la masse et contenant au minimum, 31 % de matières grasses et au maximum, 39 %

d’humidité. Sa texture est ferme, lisse et cireuse et sans ouverture. Sa pâte fondante en

bouche possède une couleur uniforme allant du blanc ivoire à une couleur plus orangée,

alors que sa saveur varie considérablement selon le temps d’affinage (St-Gelais & Tirard-

Collet 2010; Codex Alimentarius 2013b).

Cependant, l’utilisation du nom « Cheddar » est réservée aux fromages conformes

aux normes établies par le Codex Alimentarius (Codex Alimentarius 2013b). Dans le cas

contraire, le terme « fromage » doit être utilisé conjointement à une formule descriptive

appropriée relative aux caractéristiques de fermeté et d’affinage (Codex Alimentarius

2013a). Selon ces normes, un fromage Cheddar contenant de la vitamine D aurait donc la

dénomination suivante : « Fromage à pâte ferme affiné dans la masse enrichi en

vitamine D ».

La fabrication d’un fromage de type Cheddar, telle que représenté à la figure 1.6, est

un processus complexe qui exige le parfait contrôle de plusieurs facteurs clés. L’un de ces

premiers facteurs de contrôle est l’uniformité de la matière première, soit le lait de

fromagerie. Selon les pratiques des artisans fromagers, le lait peut être ajusté à une teneur

en protéines variant entre 3,5 et 4,0 % (Lawrence et al. 2004). Cet ajustement est

généralement réalisé par addition de poudre de lait écrémé ou de poudre de concentrés de

protéines du lait ou encore par ultrafiltration. Le lait peut également être standardisé selon

un ratio caséines/gras avoisinant 0,70 afin d’obtenir une valeur de matières grasses sur base

sèche d’au moins 48 % (Fox & McSweeney 2003). Ce ratio est important puisqu’une

présence élevée de matières grasses dans le coagulum rend plus difficile l’égouttage étant

donné que le gras interfère avec le processus de synérèse (Lawrence et al. 2004).

19

Le lait de fromagerie est le plus souvent soumis à un traitement thermique afin de

réduire la microflore indigène présente. Cependant, la pasteurisation et l’entreposage au

froid du lait sont des traitements qui nuisent à la coagulation et à l’égouttage,

respectivement allongée et ralenti (St-Gelais & Tirard-Collet 2010). À la suite de la

pasteurisation, le lait est acidifié pendant 60 minutes. Cette étape consiste en l’ajout du

ferment et de chlorure de calcium (CaCl2) à la température d’emprésurage, soit entre

30-32°C. Ce temps de maturation permet au CaCl2 de rétablir en partie les équilibres

minéraux du lait et de restaurer l’aptitude du lait à la coagulation, tout en permettant aux

ferments lactiques de s’adapter à leur milieu (phase de latence) et de débuter l’acidification

du lait (St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Ces dernières sont sélectionnées en fonction de

leur capacité acidifiante, de leur résistance aux phages et de leur capacité de développement

de flaveurs (Lawrence et al. 2004).

La coagulation du lait est provoquée par la présure ajoutée au lait de fromagerie et

se divise en deux phases distinctes. La phase primaire correspond à l’hydrolyse

enzymatique de la caséine-K par la chymosine, provoquant la libération de deux fractions

peptidiques, soit la paracaséine-K qui reste associée aux micelles de caséines et le

caséinomacropeptide (CMP) qui est libéré dans le lactosérum. L’hydratation ainsi que la

charge électrique des micelles de caséines en sont diminuées. Ceci permet, par la suite,

d’enclencher la phase secondaire du processus de coagulation qui se traduit par le

rapprochement des micelles et la formation d’un réseau caséique important, suite à la

formation de liens hydrophobes entre les micelles. De plus, les ions calciums présents dans

le lait permettent d’améliorer le processus d’agrégation des micelles de caséines en se liant

à ces dernières, permettant ainsi de diminuer leurs répulsions électrostatiques (St-Gelais &

Tirard-Collet 2010).

Le processus d’égouttage débute lorsque le coagulum atteint la fermeté désirée, soit

environ 35-45 minutes après l’ajout de la présure (Lawrence et al. 2004). Le décaillage

consiste en la coupe du gel en petits cubes de 0,5 à 2,5 cm3 afin d’accentuer le processus de

synérèse du coagulum par l’augmentation de la surface de contact. La synérèse est un

phénomène biochimique et physicochimique dans lequel le caillé formé se contracte

20

continuellement et expulse du lactosérum, provoquant la déshydratation du caillé (St-Gelais

& Tirard-Collet 2010).

La cuisson s’amorce suite au décaillage du coagulum. Lors de cette étape, la

température est augmentée graduellement jusqu’à 38°C à un rythme de 1°C par tranche de

cinq minutes et est maintenue à cette température pendant une heure (Fox & McSweeney

2003). Cette montée graduelle en température est nécessaire afin d’éviter la formation

d’une coiffe à la surface des grains, rendant plus difficile l’expulsion du lactosérum. Le

brassage empêche l’agglomération et la sédimentation des grains de caillé et permet une

répartition uniforme de la chaleur, favorisant le développement des bactéries lactiques (St-

Gelais & Tirard-Collet 2010).

Le soutirage du lactosérum s’effectue lorsque le pH atteint une valeur située entre

5,9 et 6,2. Les caillés sont ensuite soumis à un processus unique au fromage Cheddar et à

quelques autres fromages à pâte ferme ; la cheddarisation. Cette étape clé se caractérise par

une série de retournements et d’empilements des blocs de caillé favorisant la soudure des

grains et la formation de filaments dont la texture finale est similaire à la chair de poulet

(Fox & McSweeney 2003; St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Néanmoins, la principale

fonction de la cheddarisation est d’offrir une période d’acidification supplémentaire qui

permet de solubiliser le phosphate de calcium et de favoriser la perméabilité du caillé et

donc, l’égouttage du lactosérum (Fox & McSweeney 2003; Lawrence et al. 2004). De plus,

cette acidification supplémentaire permet également d’améliorer la qualité du produit final

en inhibant la croissance de bactéries indésirables productrices de gaz telles que les

coliformes (Lawrence et al. 2004). Le moulinage des grains s’effectue lorsque le pH des

blocs de caillé cheddarisés atteint une valeur située entre 5,2 et 5,4 (Fox & McSweeney

2003; St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Cette étape permet de refroidir le caillé,

d’augmenter sa surface de contact afin de favoriser l’égouttage et le salage et de permettre

la mise en moule (Lawrence et al. 2004).

Le salage est une étape importante de la production qui permet de contrôler le pH

final du fromage en contrôlant l’acidification du caillé afin de prévenir une

déminéralisation excessive de la pâte, de contrôler la croissance des microorganismes

nuisibles et de développer la flaveur et la texture du produit fini (Lawrence et al. 2004; St-

21

Gelais & Tirard-Collet 2010). La dissolution des cristaux de sels sur l’humidité de surface

des grains de caillé permet de former une saumure qui diffuse à l’intérieur des grains et

permet de contribuer à l’égouttage des grains (Lawrence et al. 2004).

La mise en moule et le pressage des grains de caillés est l’étape finale de l’égouttage

qui permet de donner la forme finale du fromage tout en expulsant une partie du lactosérum

restant. Une pression entre 0,2-6,0 psi (1,5-40 kPa) est appliquée entre 2 et 24 heures à une

température et humidité contrôlées afin de favoriser le drainage du lactosérum (St-Gelais &

Tirard-Collet 2010). Par la suite, le fromage Cheddar est emballé sous vide et affiné à des

températures situées entre 4 et 12°C pendant une période de temps de 3 à 24 mois, selon

l’intensité de la saveur recherchée (Fox & McSweeney 2003).

Figure 1.6: Étapes de fabrication du fromage Cheddar

Adaptée de Lawrence et al. (2004)

1.2.3. Enrichissement du fromage Cheddar en vitamine D

Plusieurs travaux sur la fortification en vitamine D du fromage Cheddar ont été

publiés récemment. Ces derniers ont démontré que la vitamine D n’est pas affectée par la

pasteurisation des laits (Wagner et al. 2008a) et qu’elle est relativement stable lors des

fabrications fromagères (Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a). En plus d’être stable lors

du processus d’affinage (Banville et al. 2000; Wagner et al. 2008a), la vitamine D est

distribuée de façon uniforme dans les caillés (Wagner et al. 2008a) et n’affecte pas la

flaveur de ce dernier (Ganesan et al. 2011). Une étude de Wagner et al. (2008b) a même

démontré que la vitamine D présente dans un fromage est tout aussi bio-disponible que la

vitamine D retrouvée sous forme de supplément. Cependant, la vitamine D ajoutée au lait

22

de fromagerie n’est retenue dans le fromage qu’en des proportions variant entre 40 %

(Banville et al. 2000) et 90 % (Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a). Une partie de la

vitamine se retrouve donc dans le lactosérum rendant plus difficile la valorisation de ce

dernier puisque normalement le lactosérum ne contient pas de vitamine D.

1.2.4. Contamination du lactosérum

Malgré des taux de rétention de vitamine D dans les fromages pouvant

atteindre 90 %, la présence non désirée de la vitamine D dans le lactosérum reste une

problématique importante. Compte tenu de la nature liposoluble de la vitamine D, celle-ci

serait entrainée en faible quantité hors du caillé par la matière grasse du lait retrouvée dans

le lactosérum (tableau 1.10) (Kazmi et al. 2007). De plus, lorsqu’utilisée sous une forme

émulsifiée, la vitamine D peut également être entrainée par la β-lactoglobuline, une

protéine sérique représentant près de 55 % des protéines du lactosérum (St-Gelais & Tirard-

Collet 2010). En fonction du pH, cette protéine a la capacité de lier jusqu’à deux molécules

de vitamine D (Forrest et al. 2005; Diarrassouba et al. 2013). L’effet additif de ces deux

facteurs résulte en une « contamination » du lactosérum par la vitamine D lorsque cette

dernière est ajoutée au lait au début de la fabrication fromagère et rend plus difficile sa

valorisation.

Tableau 1.10: Répartition des constituants du lait entre le lactosérum et le fromage lors d'une fabrication fromagère de type Cheddar

Tiré de Amiot et al. (2010)

Constituants Fromage (%) Lactosérum (%)

Matières solides 48 52 Calcium 62 38 Riboflavine 26 74 Caséines 96 4 Protéines sériques 4 96 Vitamine A 94 6 Matières grasses 94 6 Lactose 6 94 Vitamine D1 40 60 Vitamine D2 90 10

1 Selon Banville et al. (2000) 2 Selon Kazmi et al. (2007) et Wagner et al. (2008a)

23

1.2.5. Valorisation du lactosérum contaminé par la vitamine D

Plus de 90 % du lactosérum valorisé provient des productions fromagères (Huffman

& de Barros Ferreira 2011). Le lactosérum se définit comme la phase aqueuse du lait qui

provient de l’égouttage du caillé résultant de la coagulation acide ou enzymatique du lait.

Comme le montre le tableau 1.10, le lactosérum contient une importante quantité de

constituants qui proviennent du lait utilisé lors d’une fabrication fromagère de type

Cheddar. Néanmoins, le lactosérum est un produit très dilué ne contenant que 6,5 % de

solides totaux (St-Gelais & Tirard-Collet 2010). Diverses technologies ont été développées

afin de transformer ce dernier en différents produits dérivés destinés au domaine

alimentaire (tableau 1.11). Comme le montre la figure 1.7, ces transformations poursuivent

différents objectifs tels que l’élimination de l’eau, l’accroissement de la teneur en protéines,

la purification et la conversion du lactose et finalement, la déminéralisation (Bylund 2003;

Huffman & de Barros Ferreira 2011).

Lors de la fabrication d’un fromage Cheddar traditionnel, les vitamines liposolubles

(A, D, E et K) situées dans la matière grasse du lait se retrouvent principalement dans le

fromage ou encore dans la crème de lactosérum (US Dairy Export Council 2012). De ce

fait, la teneur de ces vitamines dans le lactosérum après l’étape de séparation de la matière

grasse est jugée comme étant négligeable. La teneur de ces vitamines n’est donc pas

considérée pour les normes actuelles de compositions des produits dérivés du lactosérum,

telle que la poudre de lactosérum (US Dairy Export Council 2012; Codex Alimentarius

2013c). Cependant, comme la vitamine D utilisée lors de la fortification des laits de

fromagerie est sous forme émulsifiée, la vitamine non retenue dans le caillé se retrouve

donc dans le lactosérum. La valorisation de ce dernier devient plus difficile puisque

normalement le lactosérum ne contient pas de vitamine D.

24

Figure 1.7: Procédés de valorisation du lactosérum

Traduit de Bylund (2003)

La contamination du lactosérum par la vitamine D lors de la fabrication fromagère

peut cependant être atténuée par l’ultrafiltration préalable du lait. Ce procédé de séparation

sur membranes permet de concentrer le lait avant la coagulation, de réduire la quantité de

lactosérum égoutté et indirectement, de réduire la quantité de lactosérum contaminé en

vitamine D.

Tableau 1.11: Types d'aliments dans lesquels les protéines du lactosérum sont utilisées Traduit de Huffman & de Barros Ferreira (2011)

Propriétés Définition Types d’aliment

Solubilisation Habilité de rester en solution dans une large étendue de pH

Breuvages, yogourts, vinaigrettes

Gélification Habilité de former un gel stable et cohésif lorsque chauffé

Fromages, produits de boulangerie

Émulsion Habilité de garder deux solutions non miscibles en suspension

Formules pour nourrisson, vinaigrettes, soupes

Stabilité à la chaleur

Habilité de résister à la chaleur Formules pour nourrisson, breuvages

Fouettage Habilité de former des mousses stables

Gâteaux, desserts fouettés, crèmes glacées

Agent de liaison Habilité de lier ou d’entrapper l’eau ou la matière grasse

Saucisses

Nutritive Profil d’acides aminés et bioactivité des protéines

Formules pour nourrisson, boissons nutritionnelles, suppléments nutritionnels

25

1.3. L’ultrafiltration appliquée à la fabrication du fromage Cheddar

1.3.1. Principe et équipements

L’application de l’ultrafiltration en fabrication fromagère remonte à la fin des

années 1960 avec le développement du procédé MMV (Maubois et al. 1969; Maubois et al.

1971). L’ultrafiltration est une technique de séparation non dénaturante de macromolécules

en suspension dans un liquide, tel que le lait. Elle consiste à faire circuler un liquide

tangentiellement à une membrane, sous une pression inférieure à 10 MPa, permettant de

retenir les molécules de masses moléculaires entre 10 000 et 200 000 Da. Ce procédé, qui

peut être disponible sous quatre différentes configurations membranaires (tableau 1.12),

conduit à la formation d’un perméat, contenant de l’eau, du lactose, et des minéraux

solubles, et d’un rétentat dans lequel les protéines et le gras sont concentrés (Mistry &

Maubois 2004). Cette technique de séparation par membranes a ouvert la porte à de

nombreuses avancées au niveau du domaine fromager, incluant l’amélioration de

l’efficacité des usines via l’augmentation des rendements fromagers, le développement de

procédés en continu, une meilleure standardisation des laits de fromagerie ainsi que la

création de nouvelles variétés de fromages (Mistry & Maubois 2004; Mistry 2013).

26

Tableau 1.12: Configurations membranaires disponibles commercialement pour l'ultrafiltration Tiré de Bazinet et al. (2010)

Configuration Caractéristiques Avantages Inconvénients

Module plan Plaque supportant la membrane empilée entre deux plaques de support pour la collecte du perméat

Perméat visible entre chaque plaque, nombre de plaques, remplacement facile

Pertes de charge élevées, turbulence faible

Tubulaire Membrane déposée (laminée) sur un support tubulaire (12-25 mm) inerte non filtrant

Peut filtrer des suspensions, régime turbulent, remplacement facile, nettoyage facile

Volume mort important, faible rapport surface/volume, coûts de pompage élevés

Fibres creuses Membrane asymétrique en fibre (0.2-1.2 mm) de 50 à 300 fibres par cartouche

Rapport surface/volume élevé, possibilité de rétro-lavage

Limites de pression (≤ 25 psi), coût de remplacement élevé, préfiltration nécessaire

Spirale Feuillets membranaires séparés par un promoteur de turbulence, enroulées et collés sur un tube perforé, le tout retenu par un grillage ou boîtier

Rapport surface/volume très élevé, faible coût, faible consommation d’énergie

Espaces morts (nettoyage), perte de charge (promoteur de turbulence), préfiltration nécessaire

1.3.2. Application de l’ultrafiltration à la fabrication d’un fromage de type Cheddar

La fabrication fromagère à partir de lait ultrafiltré est réalisée dans trois situations;

soit la standardisation protéique des laits de fromagerie, l’utilisation de rétentats de

concentration intermédiaire et l’utilisation de pré-fromage liquide. L’ensemble de ces

applications peuvent s’appliquer à une grande variété de fromages (tableau 1.13) (Mistry &

Maubois 2004; Mistry 2013).

Tableau 1.13: Fromages produits à partir de lait concentré par ultrafiltration Traduit de Mistry & Maubois (2004)

Lait standardisé Rétentat intermédiaire Pré-fromage liquide

Type de fromage

Brick Bleu Camembert

Camembert Cheddar Feta

Colby Feta Mascarpone

Cottage Gouda Pavé d’Affinois

Cheddar Havarti Ricotta

Mozzarella

Saint-Paulin

27

La standardisation protéique est probablement l’application de l’ultrafiltration la

plus utilisée puisqu’elle peut être adaptée à une grande variété de fromages. En plus de

permettre la standardisation quotidienne de la composition du lait, elle permet également

d’augmenter le rendement fromager en augmentant la rétention de la matière grasse et des

protéines et d’améliorer le rendement des bassins de production en augmentant la quantité

de fromage produit pour un même volume de lait de fromagerie (St-Gelais et al. 1998; St-

Gelais et al. 2001; Mistry & Maubois 2004; Mistry 2013).

Dans le cas du fromage Cheddar, un facteur de concentration protéique situé

entre 1,6 et 1,8x a été jugé optimal pour sa fabrication (Chapman et al. 1974; Kealey &

Kosikowski 1985; Kealey & Kosikowski 1986; Sharma et al. 1989). L’utilisation d’un

facteur supérieur n’est pas conseillé, car au-delà de 2x, la méthode et les équipements

utilisés doivent être modifiés afin de palier au changement de consistance du caillé

comparativement à une production fromagère standard (Mistry & Maubois 2004; Mistry

2013). Les fromages de type Cheddar fabriqués à partir de lait concentré par ultrafiltration

sont généralement moins humides que les fromages non fait de concentré (Guinee et al.

1996; St-Gelais et al. 1998; Guinee et al. 2006). Cette variation de l’humidité s’explique

par l’augmentation des temps d’acidification requis par des laits de fromagerie enrichis en

protéine. En effet, l’augmentation du temps de fabrication favorise l’égouttage du caillé,

diminuant ainsi son taux d’humidité (St-Gelais & Tirard-Collet 2010).

Le rétentat de concentration intermédiaire consiste principalement en l’utilisation de

lait de fromagerie possédant un facteur de concentration situé entre 2 et 5x. Le principal

avantage de ce principe est la nette amélioration des rendements fromagers,

comparativement à la simple standardisation du lait (Mistry & Maubois 2004). Cependant,

une adaptation des équipements et des techniques de fabrication est requise afin de

répondre aux changements des propriétés physico-chimiques du lait et du caillé. Dans le

cas du fromage Cheddar, le procédé APV-SiroCurd a été mis au point en Australie. Malgré

une amélioration de 8 % du rendement fromager, ce procédé a rapidement été abandonné

pour des raisons économiques (Tamime 1993; Mistry 2013). Le rétentat à concentration

intermédiaire est présentement utilisé pour le fromage La Roche, un fromage bleu français,

ainsi que pour la production du fromage Feta (Mistry & Maubois 2004).

28

Bien que le concept de pré-fromage liquide permette d’améliorer au maximum le

rendement fromager, ce dernier ne peut s’appliquer à tous les types de fromages en raison

des limites du procédé au niveau de la concentration finale en solides totaux du lait. En

effet, à partir d’une certaine concentration protéique, les flux de perméation deviennent trop

lents et le procédé perd de sa rentabilité. Ce concept s’applique bien pour des fromages à

pâte molle, tel que le Camembert, qui fût d’ailleurs le tout premier fromage à bénéficier du

concept de pré-fromage liquide (Maubois et al. 1969).

1.3.3. Incidence du pouvoir tampon sur l’acidification

L’acidification plus lente des fromages de type Cheddar faits de laits enrichis en

protéines se traduit principalement par la présence d’un pouvoir tampon plus important. En

effet, dans le lait non additionné de concentré, les protéines caséiques, sériques ainsi que les

sels minéraux participent respectivement à 36,0, 5,4 et 58,6 % du pouvoir tampon.

Cependant, lorsque le lait est concentré 5 fois (FC = 5x) par ultrafiltration à son pH

usuel (6,6-6,8), la contribution de chacun des constituants, augmente respectivement à 48,5,

7,5 et 44,0 % pour un facteur de concentration de 3x et à 53,8, 9,7 et 36,5 % pour un

facteur 5x (Srilaorkul et al. 1989; Mistry & Maubois 2004; Mistry 2013).

Ce phénomène a une influence directe sur la cinétique d’acidification des bactéries

lactiques qui doivent produire une plus grande quantité d’acide lactique pour atteindre les

pH ciblés lors des fabrications fromagères (Mistry 1985; St-Gelais et al. 1992b). Cette

production intensive d’acide induit non seulement un goût plus acide, mais aussi une

texture friable ou sablonneuse et une importante diminution des capacités d’étalement et

d’étirement des fromages (Brulé 1975). Ces changements d’ordre physico-chimique

seraient causés par la modification de l’agrégation des micelles de caséines et le

relâchement d’une grande quantité de sels de calcium dans la phase aqueuse du caillé lors

de son acidification (Mistry 2013). Parallèlement, l’augmentation du pouvoir tampon du

lait ultrafiltré peut également être un environnement favorable à la croissance et à la survie

de certains entérocoques, incluant Escherichia coli (Rash & Kosikowski 1982).

Cependant, le pouvoir tampon des laits obtenus par ultrafiltration peut être réduit en

diminuant la charge minérale lors de la production du rétentat. En effet, comme l’a

29

démontré St-Gelais et al. (1992a), la composition minérale et le pouvoir tampon d’un

rétentat (FC = 5x) peuvent être modifiés en ajustant le pH et la température lors du

processus d’UF ainsi qu’en diafiltrant le rétentat après ultrafiltration. L’acidification

permet, par exemple, de déplacer l’équilibre phosphocalcique et de favoriser la

solubilisation du phosphore et du calcium colloïdal afin de permettre leur évacuation dans

le perméat lors de l’ultrafiltration. La simple réduction du pH du lait de 6,6 à 6,0 et 5,6

permet d’augmenter respectivement la quantité de calcium dans le perméat de 0,38 à 0,50

et 0,80 g/kg (Brulé 1975). Parallèlement, l’augmentation de la force ionique induite par

l’addition de chlorure de sodium (NaCl) à une concentration de 0,5-0,9 % (p/p) au rétentat

pendant ou après l’ultrafiltration permet également de solubiliser le calcium colloïdal et les

sels de phosphate de magnésium (Brulé 1975).

1.3.4. Effet de la concentration du lait sur l’action de la présure

L’augmentation de la teneur en protéines du lait de fromagerie influence également

la viscosité de ce dernier. Plutôt que de se comporter comme un liquide Newtonien, le lait

enrichi possède des propriétés pseudoplastiques qui rendent difficile le processus de

brassage, notamment après l’ajout de la présure. Ceci induit un coagulum d’apparence

feuilleté à la suite de problèmes de coagulation localisée (Mistry & Maubois 2004; Mistry

2013). Parallèlement à ce phénomène, l’augmentation de la concentration protéique

influence également le temps de la fabrication du fromage. Par exemple, lorsqu’une même

quantité de présure est ajoutée à des volumes identiques de lait ou de rétentat

d’ultrafiltration, bien que le temps de prise ne soit pas affecté par le taux de protéines, la

période de temps requise entre le temps de prise et la coupe du coagulum est réduite

(Maubois et al. 1971; Dalgleish 1980). Ce phénomène s’explique en partie par

l’augmentation de la vélocité de la réaction d’agrégation induite par l’augmentation de la

teneur en protéines du milieu. En effet, dans un lait de vache standard, la phase de

coagulation débute lorsqu’environ 90 % de l’ensemble de la caséine-K est hydrolysée

(Home & Banks 2004). Tandis que dans un lait de FC 4x, seule une hydrolyse de 50 % est

requise pour amorcer le processus de coagulation du lait (Dalgleish 1980). L’augmentation

de la teneur en protéines du lait induit également une augmentation de la fermeté du gel

obtenu après coagulation. L’équipement utilisé lors des productions fromagères (couteaux,

30

agitateurs, etc.) doit alors être ajusté en conséquence (Mistry & Maubois 2004; Mistry

2013).

1.3.5. Défaut de texture et de goût d’un fromage fabriqué à partir de lait ultrafiltré

La présence marquée de protéines sériques dans le rétentat d’ultrafiltration induit

également certains inconvénients lors de l’affinage. En effet, les fromages faits à partir de

rétentat à concentration intermédiaire ou de pré-fromage liquide ont tendance à être plus

mous et plus humides en raison de la capacité des protéines sériques à lier l’eau (Mistry &

Maubois 2004). De plus, le phénomène de protéolyse, principal responsable du

développement de la flaveur, est également plus lent chez ces types de fromages. En effet,

la β-lactoglobuline inhibe en partie l’activité de la présure (Creamer 1987) et de la plasmine

(Visser 1981) en plus de résister à l’activité protéasique des enzymes des ferments lactiques

(Mistry & Maubois 2004). En plus de cette résistance, le pouvoir tampon au sein des

fromages est à l’origine de la diminution de l’autolyse des ferments lactiques utilisés

(Spangler et al. 1990) et indirectement, de l’hydrolyse du réseau de caséines (Creamer

1987). Le retard de maturation causé par les éléments mentionnés ci-dessus peut cependant

être éliminé en ajoutant au lait, des enzymes responsables du développement de la flaveur,

ou encore, en ajoutant des ferments d’affinage (Mistry & Maubois 2004; Mistry 2013).

1.4. Problématique, but, hypothèses et objectifs du projet de

recherche

1.4.1. Problématique

Selon les données du cycle 2 de l’Enquête Canadienne sur les Mesures de la Santé

(ECMS), recueillies entre août 2009 et novembre 2011 et en accord avec les dernières

recommandations de l’IOM concernant le niveau sérique de 25(OH)D à obtenir pour

atteindre une bonne santé osseuse, 10 % des Canadiens âgés entre 3 et 79 ans souffrent

actuellement d’une carence en vitamine D et 32 % ont des niveaux jugés inadéquats pour le

maintien d’une bonne santé osseuse (Janz & Pearson 2013). Ces statistiques sonnent

l’alarme face à l’urgence de sensibiliser les Canadiens à modifier leurs habitudes

alimentaires afin d’améliorer leur consommation en vitamine D, et par le fait même, leur

santé générale. En raison de ses propriétés nutritionnelles et de sa grande popularité, le

31

fromage Cheddar, qui totalisait 32,4 % des ventes de fromages au Canada en 2013 (Centre

canadien d'information laitière 2013), serait un aliment-vecteur par excellence afin de

combler les besoins nutritionnels en vitamine D des Canadiens.

1.4.2. But

Produire à l’échelle laboratoire et à l’échelle pilote des fromages de type Cheddar

fortifiés en vitamine D à partir de lait concentré par ultrafiltration.

1.4.3. Hypothèse de recherche

La fabrication de fromages de type Cheddar à partir de lait concentré par

ultrafiltration permet de limiter la quantité de lactosérum égoutté et d’améliorer la rétention

de la vitamine D.

1.4.4. Objectif général

Déterminer les paramètres de fabrication permettant d’améliorer la rétention de la

vitamine D dans un fromage de type Cheddar.

1.4.5. Objectifs spécifiques

I. Mettre au point une méthode de dosage de la vitamine D par HPLC.

II. Déterminer l’impact des différentes étapes du procédé de fabrication sur la

stabilité de la vitamine D.

III. Optimiser les paramètres de fabrication afin d’obtenir des fromages de

compositions similaires.

IV. Déterminer l’impact de la concentration protéique des laits de fromageries

sur la quantité de lactosérum égouttée et la rétention de la vitamine D dans

un fromage de type Cheddar.

33

Chapitre 2: Fabrication de fromages de type

Cheddar à partir de laits concentrés et fortifiés

en vitamine D à l’échelle laboratoire.

2.1. Résumé

Le but de ce projet de recherche était d’étudier l’impact de la concentration du lait

sur la diminution de la quantité de lactosérum produit et sur la rétention de la vitamine D

dans un fromage de type Cheddar fabriqué à l’échelle laboratoire. Des laits de fromagerie

de concentration protéique variant entre 3,39 et 6,83 % et de ratio NT/MG 0,91 ont été

fortifiés en vitamine D à une concentration de 450 UI/g de lait. La vitamine D a été

analysée lors des étapes de fabrication et pendant 13 jours d’affinage. Les résultats

indiquent que la vitamine D n’affecte pas l’activité des ferments lactiques, qu’elle se

disperse de façon uniforme dans le lait et qu’elle résiste à la pasteurisation ainsi qu’à la

congélation. Bien qu’il ait été possible de fabriquer des fromages de type Cheddar fortifiés

en vitamine D et de réduire la quantité de lactosérum expulsé, la faible taille des bassins de

fromagerie n’a pas permis d’améliorer la rétention de la vitamine D.

Mots clés : Vitamine D, Rétention, Stabilité, Fromage, Cheddar, Ultrafiltration,

Congélation.

2.2. Introduction

Le rôle principal de la vitamine D au sein du métabolisme est de promouvoir

l’absorption intestinale du calcium et du phosphore afin de bonifier la formation et le

maintien d’une bonne santé osseuse (Institute of Medecine 2011). Outre l’existence du

rachitisme et de l’ostéomalacie, deux pathologies reliées à une carence en vitamine D, de

plus en plus d’études tendent à démontrer que des faibles niveaux sériques de vitamine D

sont également associés à plusieurs maladies chroniques telles que l’arthrite rhumatoïde

(Adorini 2011), la sclérose en plaques (Hayes et al. 2011), le diabète (Gysemans et al.

2011), le psoriasis (Reichrath & Holick 2011), les maladies inflammatoires de l’intestin

(Bruce & Cantorna 2011) et divers cancers (Cross 2011; Krishnan & Feldman 2011; Tang

& Epstein Jr 2011; Trump & Johnson 2011; Welsh 2011). Suite aux récentes publications

34

mettant l’emphase sur les effets bénéfiques de la vitamine D, l’Institute of Medecine (IOM)

a revu à la hausse ses recommandations en novembre 2010, ajustant la consommation

journalière d’une personne d’âge adulte de 200 Unités Internationales (UI) recommandée

en 1997 (Institute of Medecine 1997) à 600 UI par jour (Institute of Medecine 2011).

Cependant, l’atteinte de ces recommandations est difficile puisque la vitamine D se

retrouve naturellement en faible quantité dans les aliments (Combs Jr 2012c) et que sa

synthèse cutanée par l’exposition au soleil est relativement limitée dans les pays nordiques

(Holick 2011). Afin de réduire les risques de carence, le gouvernement canadien a rendu

obligatoire l’enrichissement du lait de consommation et de la margarine à des taux

respectifs de 41 et 530 UI par tranche de 100 g d’aliment (Calvo & Whiting 2013; Sacco

2013). De par cette législation, une simple portion de 250 ml de lait permet de fournir 44 %

des 200 UI de vitamine D requis quotidiennement selon le guide d’étiquetage et de

publicité sur les aliments (Agence canadienne d'inspection des aliments 2013).

Malheureusement, la consommation du lait, au Canada, est en diminution constante,

passant de 92,6 en 1992 à 78,7 L/habitant/année en 2011 (Centre canadien d'information

laitière 2013).

La fortification du lait servant à la fabrication du fromage permettrait d’introduire

sur le marché canadien une source alternative de vitamine D pour les consommateurs. Le

fromage Cheddar, grâce à sa grande popularité et ses valeurs nutritives intrinsèques

(O'Brien & O'Connor 2004) s’avère un vecteur intéressant pour la fortification. Les travaux

sur la fortification en vitamine D du fromage Cheddar ont démontré que la vitamine D est

peu (Kazmi et al. 2007) ou pas (Wagner et al. 2008a) dégradée lors la fabrication

fromagère. La vitamine D s’est également révélée résistante à différents traitements

thermiques (Wagner et al. 2008a). En plus d’être stable pendant le processus d’affinage

(Banville et al. 2000; Wagner et al. 2008a), sa distribution est uniforme (Wagner et al.

2008a) et sa présence n’affecte pas la flaveur du produit (Ganesan et al. 2011). De plus,

selon une étude de Wagner et al. (2008b), la vitamine D présente dans un fromage Cheddar

est aussi bio-disponible que la vitamine D retrouvée sous forme de supplément. Cependant,

seul 40 à 90 % (Banville et al. 2000; Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a) de la

vitamine D utilisée lors de la fortification du lait de fromagerie est actuellement retenue

35

dans le fromage. Ceci résulte en une « contamination » du lactosérum par la vitamine D,

rendant difficile la valorisation de ce dernier.

Cet inconvénient peut cependant être atténué par l’ultrafiltration du lait. Ce procédé

de séparation sur membranes permet d’obtenir un rétentat concentré en protéines caséiques

et sériques ainsi qu’en minéraux, en éliminant une partie de la phase liquide (perméat)

(Mistry & Maubois 2004). L’utilisation de ce rétentat lors de fabrications fromagères

permet, outre la standardisation de la teneur protéique des laits (Mistry & Maubois 2004;

Mistry 2013), d’augmenter les rendements fromagers (Guinee et al. 1996; St-Gelais et al.

1998; St-Gelais et al. 2001; Guinee et al. 2006) mais surtout de réduire la quantité de

lactosérum (St-Gelais & Haché 1995; Caron et al. 2001). Jusqu’à présent, la littérature ne

rapporte aucune étude de production de fromage à partir de lait concentré par UF et enrichi

en vitamine D.

Les objectifs de ce travail étaient d’optimiser les paramètres de fabrication

permettant de standardiser les fabrications afin d’obtenir des fromages de composition

similaires ainsi que de déterminer l’impact de la concentration du lait par ultrafiltration sur

la quantité de lactosérum produit et sur la rétention de la vitamine D dans les fromages.

2.3. Matériel et méthodes

2.3.1. Fabrications fromagères

2.3.1.1. Production du rétentat d’ultrafiltration

Du lait écrémé pasteurisé (3,38 % (p/p) de protéines et 0,28 % (p/p) de MG)

provenant de la laiterie Chalifoux (Laiterie Chalifoux Inc., Sorel, QC, Canada) a été utilisé

pour produire un rétentat d’ultrafiltration à 10,66 % (p/p) de protéines (annexe 1) selon la

méthode décrite par St-Gelais et al. (1992a). Le rétentat liquide a été transféré dans des

contenants de 500 mL en polyéthylène (Portola Packaging Inc., Montréal, QC, Canada) et

congelé à -20°C.

2.3.1.2. Sensibilité de la vitamine D à la pasteurisation

Du lait écrémé (3,30 % (p/p) de protéines et 0,17 % (p/p) de MG) (annexe 1) et de

la crème (1,75 % de protéines et 46,24 % de MG) (annexe 1) provenant d’Agropur

36

(Fromagerie de Corneville, Saint-Hyacinthe, QC, Canada) ont été mélangés au rétentat

d’UF selon un calcul matriciel inverse (annexe 2) afin d’obtenir des laits à des

concentrations protéiques de 3,35 (1x), 4,69 (1,4x) et 6,03 % (p/p) (1,8x) respectant un

ratio NT/MG de 0,87. Les laits formulés (500 g) ont été additionnés de 0,244 % (p/p) d’une

émulsion commerciale concentrée de vitamine D (205 000 UI/g) (Kingsway Chocolate Co.

Ltd., Mississauga, ON, Canada) (annexe 3) afin d’atteindre une concentration de 500 UI de

vitamine D par gramme de lait. Les laits fortifiés ont été pasteurisés à 65°C

pendant 30 minutes dans des bouteilles en verre de 1 L (VWR International LLC., Radnor,

PA, USA) puis refroidis et maintenus à 4°C à l’abri de la lumière dans une chambre

réfrigérée. Les analyses de vitamine D ont été effectuées avant et après pasteurisation ainsi

qu’après 24, 48 et 72 heures de conservation.

2.3.1.3. Résistance à la réfrigération de la vitamine D

Afin de déterminer si la vitamine D présente dans un lait se dégrade dans le temps,

des laits (500 g) ont été préparés tel que décrit à la section 2.3.1.2 et fortifiés en vitamine D

à un taux de 0,244 % (p/p) afin d’atteindre une concentration de 500 UI/g de lait. De

l’azoture de sodium (Laboratoire MAT, Québec, QC, Canada) a été ajouté à un taux

de 0,02 % (p/p) afin d’inhiber toute croissance microbienne lors de la réfrigération. La

concentration en vitamine D des laits a été mesurée le jour même de la fortification (J0)

ainsi qu’après 1, 2, 3 et 7 jours de réfrigération à 4°C à l’abri de la lumière.

2.3.1.4. Résistance à la congélation de la vitamine D

Afin de déterminer s’il était possible de conserver par congélation des échantillons

de laits fortifiés en vitamine D pour pouvoir en faire l’analyse de la vitamine D

ultérieurement, des laits (500 g) à des concentrations protéiques de 3,35 (1x) et 8,2 %

(2,45x), respectant un ratio moyen NT/MG de 0,87, ont été préparés tel que décrit à la

section 2.3.1.2. Les laits ont été fortifiés en vitamine D à un taux de 0,244 % (p/p) afin

d’atteindre une concentration de 500 UI/g de lait. La concentration en vitamine D des laits a

été mesurée le jour même de la fortification (J0) et après 14 jours de congélation à -20°C.

37

2.3.1.5. Dispersion de la vitamine D dans le lait

Du lait cru (Liberté Inc., St-Hyacinthe, QC, Canada) contenant 3,14 % (p/p) de

protéines et 3,81 % (p/p) de MG a été écrémé avec une écrémeuse de table (modèle

S170782, Fromagex, Rimouski, QC, Canada) afin de produire du lait écrémé (3,25 % de

protéines et 0,19 % de MG) et de la crème (1,64 % de protéines et 49,51 % de MG). Ces

ingrédients ont été mélangés au rétentat d’ultrafiltration afin d’obtenir des laits (1500 g) à

des concentrations protéiques de 3,35 (1x), 6,03 (1,8x) et 8,71 % (p/p) (2,6x) et respectant

un ratio NT/MG de 0,87. Ces derniers ont été transférés dans des mini-bassins de

fromagerie à double parois de 2 L (annexe 4), tempérés à 32°C et fortifiés à un taux

de 0,195 % (p/p) de vitamine D afin d’atteindre une concentration de 400 UI/g de lait. Les

laits ont été agités pendant 10 minutes puis laissés au repos pendant 60 minutes. Des

échantillons de lait ont été récoltés à différentes profondeurs (en surface, à 5, 8,5 et 12 cm

sous la surface et au fond du bassin, soit environ 15 cm sous la surface) immédiatement

après l’agitation (T0) et après 60 minutes (T60) de repos.

2.3.1.6. Préparation des ferments

Les souches Lactococcus lactis subsp. cremoris (CUC-222) et Lactococcus lactis

subsp. lactis (CUC-248) (Cargill Texturizing Solutions, Waukesha, USA) ont été

conservées à -80 °C dans du lait écrémé reconstitué (20 % de matières sèches)

contenant 5 % (p/v) de sucrose et 0,35 % (p/v) d’acide ascorbique. Les cultures actives ont

été obtenues à la suite d’un repiquage (taux d’inoculation de 10 % v/v) dans du lait de

vache écrémé reconstitué (12 % (p/v) de matières sèches) préalablement stérilisé (110°C,

10 minutes) puis incubé pendant 16 h à 21°C. Par la suite les deux cultures ont été

réfrigérées à 4°C et maintenues à cette température pendant un temps maximal de deux

heures avant leur utilisation.

2.3.1.7. Sensibilité des ferments à la vitamine D

Du lait cru (3,26 % de protéines et 3,96 % de MG) (100 g) en provenance

d’Agropur (Fromagerie de Corneville, Saint-Hyacinthe, QC, Canada) a été fortifié en

vitamine D à des taux de 0, 0,049, 0,244, 0,488 et 2,439 % (v/v) afin d’atteindre des

concentrations respectives de 0, 100, 500, 1000 et 5000 UI de vitamine D par gramme de

38

lait. Les laits fortifiés ont été pasteurisés à 65°C pendant 30 minutes dans des bouteilles en

pyrex de 160 ml (Corning Inc., NY, USA) puis refroidis et maintenus à 32°C dans un bain

marie thermostaté. Les laits ont été inoculés à 2 % (v/v) avec l’une des deux souches

actives de lactocoque (CUC-222 ou CUC-248) préalablement préparée tel que décrit à la

section 2.3.1.6. Les laits ont été incubés à 32°C pour une période de cinq heures. Les

analyses microbiologiques ont été effectuées au début (T0) et à la fin (T5) de

l’expérimentation, alors que les prises de pH ont été effectuées à chaque heure (T0, T1, T2,

T3, T4, T5).

2.3.1.8. Détermination du taux d’ensemencement

Des laits (200 g) à des concentrations protéiques de 3,35 % (p/p) (1x, Lait T)

et 6,70 % (p/p) (2x, Laits A, B, C) respectant un ratio NT/MG de 0,87 ont été préparés tel

que décrit à la section 2.3.1.2. Les laits ont été transférés dans des bouteilles en verre

de 250 mL (VWR International LLC., Radnor, PA, USA) et pasteurisés à 65°C pendant

30 minutes. Ces derniers, tempérés à 32°C dans un bain thermostaté, ont été ajustés à un pH

de 6,65 avec de l’hydroxyde de calcium 20 % (p/p) (Penflow 51, Atochem Canada Ltée.,

Qc, Canada) et ensemencés avec la culture active CUC-222. Un taux d’ensemencement

de 1,30 % (v/v) a été utilisé pour le lait témoin (Lait T) et le lait A (2x), tandis que des taux

de 1,70 et 2,30 % ont été respectivement utilisés pour les laits B et C. Afin de simuler le

profil de température d’une fabrication fromagère de type Cheddar, un test de Pearce sans

présure a été réalisé avec les différents laits sur une période de cinq heures (annexe 5). Des

mesures de pH ont été effectuées à T0 (inoculation), T1 (début de la cuisson), T2 (fin de

cuisson), T3 (cheddarisation) et T4 (fin du test). À partir des résultats obtenus, les taux

d’ensemencement à utiliser afin de standardiser les durées de fabrication ont été calculés à

l’aide de l’équation , R2 = 1,00.

Où :

Y = Taux d’ensemencement à utiliser (%)

x = Concentration protéique du lait (% NT)

39

2.3.1.9. Détermination du taux d’emprésurage

Des laits (200 g) à des concentrations protéiques de 3,35 % (p/p) (1x, Lait T)

et 6,70 % (p/p) (2x, Laits X, Y, Z) respectant un ratio NT/MG de 0,87 ont été préparés tel

que décrit à la section 2.3.1.2. Les laits ont été tempérés à 32°C et ajustés à un pH de 6,50

avec de l’hydroxyde de calcium 20 % (p/p). Par la suite, du CaCl2 45 % Calsol® (Chr.

Hansen’s Laboratory LTD, Mississauga, ON, Canada) a été ajouté à un taux

de 0,026 % (v/v) afin de permettre une meilleure coagulation des laits pasteurisés. Après 30

minutes, les laits ont été emprésurés avec de la présure double force CHY-MAX® Extra

(Chr. Hansen’s Laboratory LTD, Mississauga, ON, Canada) à un taux de 0,0100 % pour les

laits T et X, et à des taux respectifs de 0,0075 et 0,0050 % pour les laits Y et Z. Le temps

nécessaire pour atteindre la fermeté requise pour couper le gel a été déterminé en plongeant

une spatule dans le coagulum. Lorsque cette dernière en ressortait propre, exempte de

fragments de coagulum, le temps de coagulation était atteint. À partir des résultats obtenus,

les taux d’emprésurage à utiliser afin de standardiser les durées de fabrication ont été

calculés à partir de l’équation , R2 = 1,00.

Où :

Y = Taux d’emprésurage à utiliser (%)

x = Concentration protéique du lait (% NT)

2.3.1.10. Préparation des laits de fromagerie

Des laits (1500 g) à des concentrations protéiques de 3,39 (1x), 4,02 (1,2x), 4,75

(1,4x), 5,45 (1,6x), 6,13 (1,8x) et 6,83 % (p/p) (2x), respectant un ratio moyen NT/MG

de 0,91, ont été préparés tel que décrit à la section 2.3.1.2. Ces laits ont été conservés 18h

à 4°C sous faible agitation (150 rpm) jusqu’à leur utilisation.

2.3.1.11. Fabrications à l’échelle laboratoire

Les mini-fabrications ont été effectuées en adaptant le protocole de fabrication

présenté par Fortin et al. (2011). Les laits de fromageries ont été fortifiés en vitamine D à

un taux de 0,220 % (p/p) afin d’atteindre une concentration de 450 UI/g de lait. Ces

derniers ont été pasteurisés (65°C, 30 minutes) avant d’être transférés dans l’un des trois

bassins à double parois de 2 L (Schott Duran, Mainz, Allemagne) reliés en série à un bain

40

programmable permettant de moduler la température (PolyScience, Niles, IL, USA). Au

départ, la température dans les trois bassins était maintenue à 32°C (annexe 4). La

composition des laits a été déterminée par un analyseur infrarouge Milko Scan (FT-120,

Foss North America, MN, USA). Le pH des laits a été ajusté à 6,65 avec de l’hydroxyde de

calcium 20 % (p/p). Du CaCl2 45 % Calsol® (Chr. Hansen’s Laboratory LTD, Mississauga,

ON, Canada) a été ajouté à un taux de 0,026 % (v/v) afin de permettre une meilleure

coagulation des laits pasteurisés. Les laits ont ensuite été inoculés avec le ferment

CUC-222 à des taux respectifs de 1,70, 1,76, 1,82, 1,88, 1,94 et 2,00 % (v/v) pour les

facteurs de concentration 1, 1,2, 1,4, 1,6, 1,8 et 2x. Les taux d’ensemencement ont été

ajustés à la hausse (0.30%) en se basant sur les résultats obtenus à la section 2.4.6, afin

d’augmenter la vitesse d’acidification du lait. Lorsque le pH a atteint une valeur de 6,50, les

laits ont été emprésurés avec de la présure double force CHY-MAX® Extra (Chr. Hansen’s

Laboratory LTD, Mississauga, ON, Canada) à des taux respectifs de 0,0100, 0,0095,

0,0090, 0,0085 0,0080 et 0,0075 % (v/v) pour les facteurs de concentration 1, 1,2, 1,4, 1,6,

1,8 et 2x. Après 30 minutes de coagulation, les caillés ont été coupés avec un couteau

spécialement conçu pour obtenir des cubes d’environ 1 cm3. Dix minutes après le

décaillage, la cuisson a été amorcée en augmentant graduellement la température de 32

à 38,5°C sur une période de 30 minutes. La température a été maintenue à 38,5°C jusqu’à

l’obtention du pH de soutirage (pH 6,1). Par la suite, la température a été ajustée à 35°C

pour l’étape de cheddarisation où les grains de caillés ont été entassés et retournés par

intervalles de 20 minutes. Lorsque les caillés ont atteint un pH de 5,2, ils étaient pesés,

brisés à la main et salés à un taux de 2,20 % (p/p), puis placés en moule et pressés à l’abris

de la lumière sous un poids de 1450 grammes pendant 16h (0.24 PSI). Par la suite, les

caillés de fromages ont été démoulés, pesés, emballés sous vide et entreposés à 4°C

pendant 13 jours. Des échantillons de lait, de lactosérum et/ou de caillé ont été prélevés

avant pasteurisation, avant emprésurage, au soutirage, avant salage, après le pressage et au

jour 13 d’affinage puis conservés à la noirceur à 4°C. Les bilans et les rendements

fromagers ont été respectivement calculés selon les équations (1) et (2), tandis que les

coefficients de rétention (CR) de l’azote total et de la matière grasse ont été calculés selon

les équations (3) et (4).

41

( ) (( )

) (1)

( ) (

( )) (2)

( ) ( )

(3)

( ) ( )

(4)

Où :

PdsF = Poids du fromage après pressage (kg)

PdsL = Poids combiné des lactosérums de soutirage, de cheddarisation et de pressage (kg)

PdsLait = Poids du lait de fromagerie (kg)

PdsFmt = Poids du ferment (kg)

PdsP = Poids de la présure (kg)

PdsCa = Poids du CaCl2 (kg)

PdsSel = Poids du sel (kg)

RFromager = Rendement qui correspond à la quantité de fromage en kg obtenue pour 100 kg

de lait de fromagerie (%)

NTF = Protéines totales dans le fromage (%)

NTLait = Protéines totales dans le lait (%)

MGF = Matières grasses totales dans le fromage (%)

MGLait = Matières grasses totales dans le lait (%)

2.3.2. Analyse de la vitamine D

2.3.2.1. Extraction de la vitamine D

L’extraction de la vitamine D a été effectuée dans une chambre noire (annexe 6)

selon une méthode adaptée de Kazmi et al. (2007) et de Wagner et al. (2008a).

Deux grammes d’échantillon de lait, deux grammes d’échantillon de lactosérum ou 0,5 g

d’échantillon de caillé haché mélangé à 2 mL d’eau distillée, ont été pesés dans un tube à

extraction en téflon de 50 mL (Fisher Scientific Inc., Toronto, ON, Canada) avant l’ajout

de 200 µL d’une solution d’acide ascorbique 5 % (p/v) (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO,

USA). Ensuite, 1 mL d’hydroxyde de potassium aqueux (KOH 60 % (p/v)) (Fisher

Scientific Inc., Toronto, ON, Canada) a été ajouté à chacun des tubes avant de remplacer

42

l’espace de tête par de l’azote (Praxair Technology Inc., QC, Canada) afin de réduire les

risques d’oxydation de la vitamine D lors de la saponification. Cette dernière s’est déroulée

dans un bain marie thermostaté (C76 Water Bath Shaker, New Brunswick Scientific,

Edison, NJ, USA) à 70°C pendant 30 minutes sous une agitation de 200 rpm. Après

10 minutes de repos à température pièce, 7,50 mL d’une solution de méthanol:chloroforme

(2:1) (J.T.Baker® Chemicals, Avantor Performance Materials, Center Valley, PA, USA)

était ajouté aux tubes. Par la suite les tubes étaient agités au vortex pendant 10 secondes.

Ensuite, 2,5 mL de chloroforme (J.T.Baker® Chemicals, Avantor Performance Materials,

Center Valley, PA, USA) ont été ajoutés à chacun des tubes avant d’être de nouveau agités

au vortex pendant 10 secondes. La séparation des phases aqueuses et organiques a été

effectuée par centrifugation à 1500 g et à 4°C pendant 10 minutes (Centra GP8R, IEC, DJB

Labcare Limited, Buckinghamshire, Angleterre). Ensuite, la phase claire de chloroforme au

fond du tube contenant la vitamine D a été retirée à l’aide d’une pipette en verre et

transférée dans un tube en pyrex de 25 mL (Cole-Parmer Canada Inc., Montréal, QC,

Canada) et placée dans un évaporateur sous azote Zymark TurboVap® LV Evaporator

(McKinley Scientific, Sparta, NJ, USA) fournissant une pression de 1 bar à une

température de 40°C afin de concentrer par évaporation la vitamine D présente dans le

chloroforme. La vitamine D a été réhydratée en ajoutant 2 mL de phase mobile

(méthanol:acétonitrile:eau (49.5:49.5:1 par volume)) (J.T.Baker® Chemicals, Avantor

Performance Materials, Center Valley, PA, USA) et agitée sur une plaque (VX-2500, VWR

International LLC., Radnor, PA, USA), à 200 rpm pendant 30 minutes à température pièce.

Les extraits reconstitués étaient ensuite filtrés sur une membrane 0,45 µm PVDF et

conservés dans des vials à température de la pièce dans le module d’échantillonnage du

HPLC (Agilent Technologies, Mississauga, ON, Canada) jusqu’au moment de leur analyse

par chromatographie HPLC.

2.3.2.2. Chromatographie HPLC

Les vitamines D2 et D3 ont été quantifiées en utilisant un système HPLC

Agilent 1200 series (Agilent Technologies, Mississauga, ON, Canada) équipé d’un

détecteur UV à 266 nm. Les données d’absorbance ont été enregistrées et intégrées en

utilisant le logiciel ChemStations LC 3D Systems (Agilent Technologies, Mississauga, ON,

43

Canada). La courbe de calibration et les temps de rétention des vitamines D2 et D3 ont été

établis en utilisant différentes concentrations (10-1000 UI/mL) de vitamine D cristalline

(Supelco, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) dissoutes dans la phase mobile. Une

colonne C18 ainsi qu’une colonne de garde (Advanded Chromatography Technologies,

Aberdeen, Scotland) ont été utilisées selon les conditions d’opération suivantes :

température ambiante (23°C), phase mobile de méthanol:acétonitrile:eau (49.5:49.5:1 par

volume), débit de 1 mL par minute et 100 µL de volume d’injection. Les temps de rétention

de la vitamine D2 et D3 étaient respectivement de 10,8 et 11,8 minutes. Dans le cadre de ce

projet, seuls les résultats de vitamine D totale (D2+D3) ont été présentés. Les coefficients

de rétention de la vitamine D (CRVITD) ont été calculés selon les équations suivantes :

( )( ) ( )

(4)

( )( ) ( ( ) )

( ) (5)

Où :

VitDF = Concentration de vitamine D par gramme de fromage (UI/g)

VitDLait = Concentration de vitamine D par gramme de lait (UI/g)

VitDNT(F) = Concentration de vitamine D par gramme d’azote total dans le fromage (UI/g)

VitDNT(Lait) = Concentration de vitamine D par gramme d’azote total dans le lait (UI/g)

2.3.3. Analyses physico-chimiques

2.3.3.1. pH et acidité titrable

Les valeurs de pH et d’acidité titrable des laits et des lactosérums ont été obtenues

avec un pH-mètre équipé d’un module de titration automatique (DL 15 Titrator, Mettle

Toledo, Mississauga, ON, Canada) et d’une électrode combinée en verre scellé (ASI,

Analytical Sensors & Instruments, Ltd, Sugar Land, TX, USA). Le suivi des valeurs de pH

des fromages a été effectué avec un pH-mètre TitraLab80 (Radiometer, Rose-Scientific,

Edmonton, AB, Canada) équipé d’une électrode combinée en verre scellé (ASI, Analytical

Sensors & Instruments Ltd., Sugar Land, TX, USA). Avant les mesures, les fromages ont

été râpés et laissés à température pièce pendant 30 minutes.

44

2.3.3.2. Analyse du pouvoir tampon

L’indice de pouvoir tampon (∆B/∆pH) des laits a été déterminé en adaptant le

protocole présenté par Hassan et al. (2004). Les mesures de pH ont été réalisées à partir

d’un pH-mètre titrateur automatique TitraLab® TIM856 (Radiometer Analytical Sas,

France) équipé d’une électrode combinée en verre scellée (VWR International LLC.,

Radnor, PA, USA) permettant l’ajout en continu de HCl 0,5N (Anachemia Canada Inc,

Montréal, QC, Canada) ou de NaOH 0,5N (Anachemia Canada Inc, Montréal, QC,

Canada). Les données de titration ont été enregistrées à l’aide du logiciel TitraMaster85

(Radiometer Analytical Sas, France) et traitées à l’aide du logiciel TableCurve (v.5.01.,

Systat Software Inc., CA, USA) afin de calculer la dérivée des courbes à partir de

l’algorithme de Savitsky-Golay et d’en calculer la tendance à partir d’une équation

polynomiale de Fourier.

2.3.3.3. Analyses de composition

L’analyse de composition en protéines totales (NT), en matières grasses (MG), en

extraits secs totaux (EST) et en lactose (LAC) des ingrédients liquides (lait, lactosérum,

crème et rétentat d’ultrafiltration) a été effectuée par un analyseur infrarouge Milko Scan

(FT-120. Foss North America, MN, USA). La composition des fromages a été déterminée

après 13 jours d’affinage à 4°C. La concentration en protéines totales (NT) et en matières

grasses (MG) a été déterminée par les méthodes Kjeldhal (AOAC 2002) et Mojonnier

(Atherton & Newlander 1977). La teneur en cendres a été déterminée en incinérant deux

grammes d’échantillons dans un four à mouffle à une température de 550°C

pendant 18 heures (AOAC 1995). Le contenu en sel (%NaCl) a été déterminé avec un

analyseur de chlorure (Corning Chloride Analyser 926, Nelson-Jameson Inc., Marchfield,

WI, USA). L’extrait sec total (EST) a été obtenu par dessiccation dans un four à 100°C

pendant 18 heures (AOAC 2002). L’humidité des fromages a été calculée selon l’équation

suivante : . Le ratio sel sur humidité a été calculé selon l’équation :

( ) .

45

2.3.3.4. Analyses microbiologiques

Les dénombrements microbiens des ferments et des laits ensemencés ont été

effectués en transférant 1 mL d’échantillon dans une bouteille en pyrex de 160 ml (Corning

Inc., NY, USA) contenant 99 mL d’eau peptonée à 0,1 % (p/v) (Becton, Dickinson and

Compagny, Mississauga, ON, Canada) ayant été stérilisée à 121°C pendant 15 minutes. Les

dilutions subséquentes ont été réalisées en agitant vigoureusement 30 fois l’échantillon

dans des bouteilles d’eau peptonée contenant 3 g de billes en verre de 4 mm de diamètre

afin de désintégrer les chaînes de lactocoques (St-Gelais et al. 1992b). Les bactéries ont été

dénombrées sur un milieu M17 agar (Oxoid Ltd., Basingstoke, Hampshire, Angleterre)

additionné de 5 g/L de lactose (Anachemia Canada Inc., Montréal, QC, Canada) incubé

pendant 48 h à 30°C en anaérobiose (5 % CO2 : 10 % H2 : 85 % N2) (Praxair Technology

Inc., QC, Canada).

2.3.4. Dispositif expérimental et analyses statistiques

Les facteurs à l’étude (effet de la vitamine D sur les ferments, effet de la

congélation et de la pasteurisation sur l’activité de la vitamine D, effet de la concentration

du lait sur la dispersion de la vitamine D, sur l’égouttage, sur la rétention et la stabilité de la

vitamine D dans les fromages) ainsi que la détermination du taux d’ensemencement et

d’emprésurage ont été étudiés selon un plan en tiroir sur trois répétitions. Les différences

significatives ont été testées à P ≤ 0.05 selon la procédure SAS/STAT® (SAS 2011).

2.4. Résultats et discussion

2.4.1. Stabilité de la vitamine D à la pasteurisation

La stabilité de la vitamine D à la pasteurisation est présentée à la figure 2.1. Les

résultats ont montré que la pasteurisation (65°C, 30 min) n’a pas d’effet sur la vitamine D

dans le lait, et ce, peu importe son facteur de concentration. En effet, la quantité de

vitamine D ajoutée lors de la fortification pour tous les laits était retrouvée à 98,6 et 98,1 %

avant et après pasteurisation, respectivement. Ces résultats concordent avec la littérature

stipulant que la vitamine D, présente dans une matrice laitière, est insensible aux

traitements thermiques tel que la pasteurisation discontinue (62,8°C, 30 min) ou continue

(72°C, 16 sec) ainsi qu’à la stérilisation (115,6°C, 15 min) (Krauss 1933; Wagner et al.

46

2008a; Kaushik et al. 2014a). De plus, aucune dégradation significative de la vitamine D

n’a été observée lors des 72 heures de conservation à 4°C après pasteurisation. Ces résultats

concordent avec les travaux de Kaushik et al. (2014a) qui ont étudié la stabilité de la

vitamine D2 dans du lait pasteurisé et entreposé pendant 7 jours à la même température.

Figure 2.1: Effet de la pasteurisation des laits à 65°C pendant 30 min sur la vitamine D et suivit de la stabilité après conservation à 4°C sur une période maximale de 72 heures

2.4.2. Effet de la réfrigération sur la stabilité de la vitamine D

La stabilité de la vitamine D présente dans des laits fortifiés et réfrigérés pendant

sept jours est présentée à la figure 2.2. Pour l’ensemble des laits, 97,5 % de la vitamine D a

été détectée tout au long de la période de conservation. Ces résultats concordent avec ceux

obtenus par Kaushik et al. (2014b) qui n’ont observé aucune dégradation de la vitamine D2

dans un lait fortifié et conservé au froid (4°C) pendant le même nombre de jours.

0

20

40

60

80

100

120

Avantpasteurisation

Aprèspasteurisation

24h 48h 72h

Re

cou

vre

me

nt

de

la v

itam

ine

D (

%)

Temps (heures)

1x 1,4x 1,8x

A A A A A A A A A A A A A A A

47

Figure 2.2: Stabilité de la vitamine D dans le lait 1x, 1,4x et 1,8x après réfrigération à 4°C sur une période de 7 jours

2.4.3. Effet de la congélation sur la stabilité de la vitamine D

Dans la littérature, les informations sur la stabilité de la vitamine D à la congélation

sont limitées. Kingsway Chocolate recommande de ne pas congeler la solution de

vitamine D afin d’éviter une possible dégradation de cette dernière (annexe 3). La

concentration de la vitamine D dans un lait témoin et dans un lait concentré après 14 jours

de congélation à -20°C est présentée à la figure 2.3. La concentration en vitamine D des

laits 1x (509 UI/g) et 2,5x (505 UI/g) était statistiquement identique avant et après 14 jours

de congélation. Ces résultats sont semblables à ceux obtenus par Kazmi et al. (2007) qui

n’ont observé aucune dégradation de la vitamine D3 lors de la fabrication de crème glacée

et lors de sa conservation à -25°C pendant quatre semaines. Selon cet auteur, la congélation

permettrait de réduire remarquablement les réactions susceptibles de dégrader la

vitamine D. Les résultats obtenus semblent donc indiquer que la vitamine D reste stable

lorsque congelée dans du lait. Ces résultats démontrent qu’il est possible de conserver par

congélation des échantillons de laits fortifiés en vitamine D pour pouvoir faire l’analyse de

la vitamine D ultérieurement.

0

20

40

60

80

100

120

J0 J1 J2 J3 J7

Re

cou

vre

me

nt

de

la v

itam

ine

D (

%)

Temps (jour)

1x 1,4x 1,8x

A A A

A A

A A A A A A A

A A A

48

Figure 2.3: Stabilité de la vitamine D à la congélation du lait à -20°C après 1 et 14 jours

2.4.4. Dispersion de la vitamine D dans les laits concentrés

La dispersion de la vitamine D dans un lait témoin et dans un lait concentré 1,8x est

présentée à la figure 2.4. La teneur en protéines des laits n’a pas affecté la concentration en

vitamine D mesurée qui variait entre 364 et 368 UI/g dans les laits concentrés 1x et 1,8x,

respectivement. Cependant, la concentration en vitamine D des laits était significativement

plus élevée lorsque les laits étaient laissés au repos pendant 60 minutes. En effet, les

concentrations moyennes étaient respectivement de 354 et 363 UI/g pour les laits 1x et 1,8x

après fortification (T0), alors qu’elles atteignaient 374 et 374 UI/g après 60 minutes.

Malgré le caractère hydrosoluble de la solution émulsifiée de vitamine D, il est possible que

la durée et l’intensité de l’agitation des laits lors de l’ajout de l’émulsion n’aient pas été

suffisantes pour permettre une bonne répartition de la vitamine D avant la prise

d’échantillon initiale (T0). De plus, la vitamine D retrouvée en surface des laits et à 5 cm de

profondeur était significativement affectée par le délai de 60 minutes, comparativement aux

autres profondeurs. En effet, au temps T0, la vitamine D mesurée en surface et à 5 cm était

de 340 et 334 UI/g, alors qu’elle était de 383 UI/g après 60 minutes de repos. Ces résultats

sont en accord avec ceux de Renken & Warthesen (1993) qui ont analysé la stratification de

la vitamine D dans du lait écrémé. Aucun changement de la répartition n’a été observé lors

des deux premiers jours. Cependant, une diminution de 7,7 % et une augmentation de 3,9 %

de la vitamine D respectivement au fond et en surface du bécher a été observée

0

100

200

300

400

500

600

Jour 1 Jour 14

Vit

amin

e D

(U

I/g)

Temps (jour) 1x 2,5x

A

A A A

49

après 9 jours. Les auteurs ont expliqué ce changement de répartition à la séparation par

gravité de la matière grasse.

Figure 2.4: Distribution de la vitamine D dans le lait en fonction de sa concentration

et de la profondeur d’échantillonnage

2.4.5. Sensibilité des ferments à la vitamine D

Comme le montrent les profils d’acidification du lait et la population des ferments

(figures 2.5 à 2.8), la vitamine D, quelle que soit sa concentration dans le lait, n’a eu aucune

influence significative sur la croissance des bactéries lactiques et leur capacité à acidifier le

milieu environnant. En effet, l’évolution du pH et de la population bactérienne dans les laits

fortifiés en vitamine D était statistiquement identique à celle observée dans le lait témoin

non fortifié, et ce, pour les deux souches bactériennes à l’étude. L’effet de la vitamine D sur

le développement des ferments lactiques n’est que très peu documenté dans la littérature.

Malgré tout, les résultats observés sont en accord avec les observations d’une fromagerie

canadienne qui n’a observé aucun changement des cinétiques d’acidification des laits

fortifiés (communication personnelle). Les résultats suggèrent également que la solution

200

250

300

350

400

450

500

0 5 8,5 12 15

Vit

amin

e D

(U

I/g)

Profondeur depuis la surface (cm) 1x - T0 1x - T60 1,8x - T0 1,8x - T60

CDEFG

G

BCDEFG

CDEFG

BCDEFG

ABC

ABCD

BCDE

BCDEFG

EFG

G

FG

BCDEFG

BCDEF

AB

BCDEF

BCDEF D

EFG

DEFG

A

50

contenant la vitamine D ne contient pas de facteurs ou d’inhibiteurs de croissances affectant

positivement ou négativement l’activité des lactocoques.

Figure 2.5: Effet de la concentration en vitamine D sur l’acidification du lait à 32°C par la

souche CUC-222

Figure 2.6: Effet de la concentration en vitamine D sur la croissance de la souche

CUC-222 dans un lait à 32°C

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

0 1 2 3 4 5 6

pH

(u

nit

é d

e p

H)

Temps (h) 0 UI/g 100 UI/g 500 UI/g 1000 UI/g 5000 UI/g

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

0 5

Po

pu

lati

on

(lo

g U

FC/m

l)

Temps (h)

0 UI/g 100 UI/g 500 UI/g 1000 UI/g 5000 UI/g

A A A A A

B B B

B

B

51

Figure 2.7: Effet de la concentration en vitamine D sur l’acidification du lait à 32°C par la souche CUC-248

Figure 2.8: Effet de la concentration en vitamine D sur la croissance de la souche

CUC-248 dans un lait à 32°C

2.4.6. Optimisation du taux d’ensemencement

Le taux d’ensemencement de la souche CUC-222 à utiliser en fonction du facteur de

concentration protéique des laits était un paramètre critique à déterminer pour l’avancement

du projet. En effet, l’obtention de cinétiques d’acidification (temps de productions)

similaires était souhaitable afin que les bassins de fromagerie soient aux mêmes étapes de

production en même temps et ce, peu importe le type de lait utilisé. Les profils

d’acidification des laits soumis à différents taux d’ensemencement sont présentés à la

figure 2.9. Pour un même taux d’ensemencement, le lait A (2x) possédait des valeurs de pH

significativement plus élevées que le lait T (1x). Cette acidification plus lente est

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

0 1 2 3 4 5 6

pH

(u

nit

é d

e p

H)

Temps (h) 0 UI/g 100 UI/g 500 UI/g 1000 UI/g 5000 UI/g

6,5

6,7

6,9

7,1

7,3

7,5

7,7

0 5

Po

pu

lati

on

(lo

g U

FC/m

l)

Temps (h)

0 UI/g 100 UI/g 500 UI/g 1000 UI/g 5000 UI/g

B B B B

B

A A A A A

52

caractérisée par la présence d’un pouvoir tampon plus important. En effet, dans un lait non

concentré, les caséines, les protéines sériques et les sels minéraux du lait participent

respectivement à 36,0, 5,4 et 58,6% du pouvoir tampon. Cependant, après concentration par

ultrafiltration la contribution de chacun des constituants, augmente respectivement à 48,5,

7,5 et 44,0 % pour un facteur de concentration de 3x et à 53,8, 9,7 et 36,5 % pour un

facteur 5x (Srilaorkul et al. 1989). Toutefois, le pouvoir tampon des laits obtenus par

ultrafiltration peut être réduit en diminuant la charge minérale lors de la production du

rétentat (St-Gelais et al. 1992a) ou combattu en augmentant le taux d’ensemencement du

ferment utilisé (St-Gelais et al. 1992b). En ce sens, les laits A, B et C (2x) ont été inoculés à

différents taux d’ensemencement. Pour une même concentration protéique, le lait C,

ensemencé à un taux de 2,30 %, possédait des valeurs de pH significativement plus basses

que les laits A et B. En augmentant le taux d’ensemencement, les bactéries lactiques ont

produit plus d’acide lactique, ce qui a permis de réduire l’effet du pouvoir tampon.

Figure 2.9: Profils d'acidification des laits en fonction de leur concentration et du taux d'ensemencement de la souche CUC-222 lors de tests de Pearce

Afin d’obtenir un profil d’acidification similaire au lait témoin, ensemencé à un taux

de 1,30 %, un taux d’ensemencement de 1,60% a été sélectionné pour le lait concentré 2x.

À partir de ces résultats, les taux d’ensemencements à utiliser pour l’ensemble des FC ont

été calculés à partir d’une régression linéaire à deux points ( , R2 = 1,00)

(tableau 2.1).

5,1

5,3

5,5

5,7

5,9

6,1

6,3

6,5

6,7

0 1 2 3 4 5 6

pH

(u

nit

é d

e p

H)

Temps (h)

Lait T (1x-1,30%) Lait A (2x-1,30%) Lait B (2x-1,70%) Lait C (2x-2,30%)

53

Tableau 2.1: Taux d'ensemencement calculés pour la souche CUC-222 à utiliser en fonction du facteur de concentration du lait à une température de 32°C

Facteur de concentration Taux d’ensemencement (%)

1x 1,30 1,2x 1,36 1,4x 1,42 1,6x 1,48 1,8x 1,54 2x 1,60

2.4.7. Optimisation du taux d’emprésurage

Tout comme pour le taux d’ensemencement, le taux d’emprésurage à utiliser en

fonction du facteur de concentration protéique des laits était un paramètre essentiel à

déterminer afin d’obtenir des temps de coagulation similaires entre chacun des laits. Le

temps de coagulation des laits en fonction du taux d’emprésurage à 32°C et à pH 6,5 est

présenté à la figure 2.10. Pour un même taux d’emprésurage, le lait enrichi en protéines

(lait X) possédait un temps de coagulation de 27 minutes, soit un temps significativement

plus rapide que le temps de 31,5 minutes du lait témoin non enrichi. Cette rapidité

s’explique en partie par la diminution du pourcentage d’hydrolyse de la caséine-K requis

pour permettre la coagulation du lait. En effet, dans un lait de vache standard la phase de

coagulation débute lorsqu’environ 90 % de l’ensemble de la caséine-K est hydrolysée

(Home & Banks 2004). Dans un lait 4x cependant, seule une hydrolyse de 50 % est requise

pour amorcer le processus de coagulation (Dalgleish 1980). Ceci permet de réduire le temps

nécessaire pour atteindre la phase secondaire et, par conséquent, réduit le temps de

coagulation du lait. Afin d’obtenir un temps de coagulation similaire au lait témoin,

différents taux d’emprésurage ont été testés pour le lait concentré 2x. Le taux

d’emprésurage des laits a influencé significativement le temps de coagulation. En effet, le

lait Z, emprésuré à un taux de 0,0050 %, possédait un temps de coagulation plus long que

les laits X et Y. Cette différence s’explique par la diminution de la quantité de présure

ajoutée aux laits. Le temps de coagulation est inversement proportionnel à la quantité de

présure dans le lait (St-Gelais & Haché 1995).

54

Figure 2.10: Temps de coagulation des laits à pH 6,50 et à 32°C en fonction du taux d'emprésurage

Afin d’obtenir des temps de coagulation similaire entre le lait témoin et le lait 2x

lors des productions fromagères, un taux d’emprésurage de 0,0075 % a été sélectionné pour

le lait 2x. À partir de ces résultats, les taux d’emprésurage à utiliser pour l’ensemble des FC

ont été calculés à partir d’une régression linéaire à deux points ( ,

R2 = 1,00) (tableau 2.2).

Tableau 2.2: Taux d'emprésurage calculés en fonction du facteur de concentration du lait à pH 6,50 et à 32°C

Facteur de concentration Taux d’emprésurage (%)

1x 0,0100 1,2x 0,0095 1,4x 0,0090 1,6x 0,0085 1,8x 0,0080 2x 0,0075

2.4.8. Composition des laits de fromagerie

L’utilisation du rétentat d’UF pour enrichir le lait de fromagerie en maintenant un

ratio NT/MG de 0,91 a eu un impact majeur sur la composition des laits de fromagerie

(tableau 2.3). Tel qu’attendu, les teneurs en fractions azotées, en matières grasses et en

cendres étaient significativement plus basses, tandis que le lactose était significativement

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Types de lait

Tem

ps

de

co

agu

lati

on

(m

in)

Lait T (1x-0,0100%) Lait X (2x-0,0100%) Lait Y (2x-0,0075%) Lait Z (2x-0,0050%)

A

B

B

C

55

plus élevé pour le lait contrôle (1x) comparativement aux laits enrichis. D’autre part, les

teneurs des laits en fractions azotées, en matières grasses et en cendres étaient d’autant plus

élevées que le facteur de concentration augmentait.

La concentration de vitamine D par gramme de lait était similaire parmi l’ensemble

des laits (tableau 2.3). Cependant, la concentration de vitamine D par gramme d’azote

total (NT) était significativement différente entre les FC. De façon générale, la

concentration en vitamine D était inversement proportionnelle au pourcentage d’azote total.

En effet, la concentration en vitamine D retrouvée par gramme de NT dans le lait

concentré 2x (6654 UI/g NT) était environ deux fois plus basse que dans le lait témoin

(1274 UI/g NT).

Tableau 2.3: Composition des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après pasteurisation

Constituants Facteurs de concentration

ESM1 1x 1,2x 1,4x 1,6x 1,8x 2x

Azote total (%NT) 3,39f 4,02e 4,75d 5,45c 6,13b 6,83a 0,04 Azote caséique (%NC) 2,63f 3,07e 3,62d 4,12c 4,62b 5,13a 0,03 Azote non-caséique (%NNC) 0,76f 0,95e 1,14d 1,33c 1,51b 1,71a 0,02 Matières grasses (%MG) 3,74f 4,45e 5,24d 5,94c 6,81b 7,51a 0,09 Extraits secs totaux (%EST) 12,65f 13,95e 15,46d 16,85c 18,36b 19,75a 0,05 Lactose (%LAC) 4,59a 4,49b 4,41c 4,31d 4,21e 4,11f 0,01 Cendres (%CEN) 0,72d 0,77cd 0,82c 0,88b 0,93b 0,99a 0,02 Vitamine D (UI/g lait) 431a 411a 422a 454a 411a 450a 12 Vitamine D (UI/g NT) 12741a 10223b 8893c 8344c 6716d 6654d 285 1 ESM = Erreur Standard Moyenne abc Les moyennes ayant des lettres différentes dans une même rangée sont différentes à P ≤ 0,05

2.4.9. Effet de la concentration du lait sur les paramètres de fabrication

Les temps de production, les valeurs de pH et d’acidité titrable obtenus lors des

fabrications fromagères sont présentés au tableau 2.4. Étant donné que le pH des laits et les

taux d’inoculation (section 2.4.6) et d’emprésurage (section 2.4.7) ont été ajustés en tenant

compte du facteur de concentration, l’évolution du pH et des temps de production était

statistiquement similaire pour l’ensemble des laits. Seule l’évolution de la production

d’acide lactique était significativement différente (P ≤ 0,05). L’acidité initiale des laits a

augmenté en fonction du FC. L’acidité du lait 2x était de 19,5°D comparativement à 12,8°D

pour le lait témoin. Cette différence d’acidité entre les laits s’explique par la présence d’un

56

pouvoir tampon significativement plus élevé pour les laits enrichis en protéines

(figure 2.11). En effet, l’indice de pouvoir tampon était significativement plus élevé (0,016)

pour le lait 2x que pour le lait témoin (0,007). Tel que mentionné précédemment, la

capacité des laits à résister au changement de pH est directement reliée à leur composition,

soit leur teneur en protéines et en minéraux (section 2.4.8). Outre l’acidité naturelle des

laits, une acidité complémentaire peut être développée par l’action homofermentaire des

ferments lactiques. Dans le cas présent, l’acidité développée lors de la période

d’acidification des laits était similaire pour chacun des laits (2,4°D). Cette hausse uniforme

de l’acidité a conduit à des valeurs d’acidité titrable significativement différentes entre les

laits lors de l’emprésurage (tableau 2.4).

Tableau 2.4: Temps de production, pH et acidité titrable obtenus lors des fabrications fromagères

Étapes de production Facteurs de concentration

ESM1 1x 1,2x 1,4x 1,6x 1,8x 2x

Temps de production (hre :min) Maturation 1:07a 1:08a 1:08a 1:01a 1:14a 1:08a 0:05 Coagulation 0:30a 0:30a 0:29a 0:30a 0:29a 0:29a 0:01 Coagulation au soutirage 1:20a 1:27a 1:27a 1:29a 1:25a 1:34a 0:05 Soutirage au pressage 3:02a 3:00a 3:02a 3:05a 2:57a 3:00a 0:06 Temps total 5:59a 6:05a 6:05a 6:06a 6:05a 6:11a 0:06 Valeur de pH Lait pasteurisé et ajusté 6,65a 6,64a 6,65a 6,64a 6,66a 6,64a 0,02 Lait emprésuré 6,50a 6,50a 6,49a 6,49a 6,48a 6,48a 0,02 Coupage du caillé 6,32a 6,31a 6,30a 6,32a 6,33a 6,31a 0,03 Soutirage 6,07a 6,03a 6,06a 6,03a 6,06a 6,04a 0,03 Acidité titrable (°D) Lait pasteurisé standardisé 12,80H 14,11G 15,32F 16,66E 17,56D 19,49C

0,21 Lait emprésuré 15,11F 16,35E 17,84D 19,06C 20,19B 21,76A Acidité développée 2,31a 2,24a 2,52a 2,41a 2,63a 2,28a 0,22

1 ESM = Erreur Standard Moyenne abc Les moyennes ayant des lettres différentes dans une même rangée sont différentes à P ≤ 0,05 ABC Les moyennes ayant des lettres différentes dans un même bloc de données sont différentes à P ≤ 0,05

57

Figure 2.11: Indice de pouvoir tampon des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après pasteurisation

2.4.10. Effet de la concentration du lait sur la quantité de lactosérum produite

Les quantités de lactosérum et de vitamine D perdues lors de l’égouttage sont

présentées à la figure 2.12 ainsi qu’au tableau 2.5. La proportion de lactosérum total

égoutté a diminué de façon linéaire ( R2 = 0,996) en fonction du

facteur de concentration des laits (figure 2.12). En effet, le lactosérum issu des fromages

témoins représentait 86 % du volume de lait initial, comparativement à 77 % pour le

lactosérum issu du lait concentré 2x. Cette différence s’explique principalement par le

« pré-égouttage » effectué lors de l’ultrafiltration avant même la fabrication fromagère

permettant de diminuer la quantité totale de lactosérum produit après la coagulation du lait.

0,005

0,007

0,009

0,011

0,013

0,015

0,017

0,019

Facteurs de concentration

Ind

ice

de

po

uvo

ir t

amp

on

(∆

B/∆

pH

)

1x 1,2x 1,4x 1,6x 1,8x 2x

A

A

B B

B

C

C

58

Figure 2.12: Proportions de lactosérum et de vitamine D totale perdues lors des fabrications en fonction de la concentration des laits de fromagerie

Seule la quantité de lactosérum au soutirage a été significativement affectée par le

facteur de concentration des laits de fromagerie (tableau 2.5). En effet, 79,7 % de la

quantité du lait témoin utilisé s’est retrouvé sous forme de lactosérum lors du soutirage,

alors que les proportions étaient respectivement de 70,8 et 70,2 % pour les laits 1,8x et 2x.

La similitude entre ces deux bassins serait probablement reliée au petit format des bassins

utilisés pour la production des fromages. Leur taille n’était pas adaptée pour des FC aussi

élevés. Des modifications méthodologiques auraient donc été nécessaires afin de

compenser la trop grande quantité de fromage produit par rapport au volume disponible

dans les bassins pour poursuivre efficacement fabrication après l’étape de coagulation

(Mistry & Maubois 2004; Mistry 2013).

0

5

10

15

20

25

30

35

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

1x 1,2x 1,4x 1,6x 1,8x 2x

Vit

amin

e D

to

tale

(%

de

la q

uan

tité

init

iale

)

Lact

osé

rum

to

tal (

% d

e la

qu

anti

tié

init

iale

)

Lactosérum Vitamine D

59

Tableau 2.5: Lactosérum égoutté et vitamine D perdue lors des différentes étapes de fabrication en fonction de la concentration des laits utilisés

Proportions Facteurs de concentration

ESM1 1x 1,2x 1,4x 1,6x 1,8x 2x

Lactosérum (% de la quantité initiale) Soutirage 79,69A 77,95AB 76,05B 73,36C 70,79D 70,15D

0,70 Cheddarisation 6,23E 5,84E 5,77E 6,52E 7,37E 6,55E

Pressage 0,34F 0,36F 0,32F 0,32F 0,50F 0,33F Vitamine D (% de la quantité initiale) Soutirage 13,66C 14,49C 14,22C 17,58BC 19,96B 25,98A

1,43 Cheddarisation 0,67D 0,68D 0,64D 0,94D 1,36D 1,41D

Pressage 0,00D 0,01D 0,01D 0,01D 0,02D 0,01D 1 ESM = Erreur Standard Moyenne ABC Les moyennes ayant des lettres différentes dans un même bloc de données sont différentes à P ≤ 0,05

Malgré une plus faible proportion de lactosérum produit, 27,4 % de la vitamine D

présente dans le lait concentré 2x ont été perdue, comparativement à 14,3 % pour le témoin.

Contrairement au lactosérum, la perte totale de vitamine D ne suivait pas une tendance

linéaire, mais plutôt une tendance exponentielle à trois paramètres (

, R2

= 0,9871) (figure 2.12). Bien que relativement similaire entre les

facteurs de concentration 1, 1,2 et 1,4x (14,8 %), la perte en vitamine D était accentuée à

partir du facteur de concentration 1,6x (18,5 %) jusqu’à être significativement plus élevée

pour les facteurs 1,8x et 2x. Pour l’ensemble des fabrications, la majorité (95 %) de la

vitamine D a été perdue dans le lactosérum lors du soutirage. Étant donné leurs faibles

volumes, les pertes en vitamine dans le lactosérum lors des étapes de cheddarisation et de

pressage ont été limitées.

2.4.11. Effet de la concentration du lait sur les rendements fromagers et la rétention

de la vitamine D

L’augmentation du rendement fromager en fonction du facteur de concentration des

laits de fromagerie est présentée à la figure 2.13. La relation linéaire (

, R2 = 0,9977) existant entre les rendements fromagers et la concentration protéique

des laits a également été observée par de nombreux auteurs (Guinee et al. 1996; St-Gelais et

al. 1998; St-Gelais et al. 2001; Guinee et al. 2006). La hausse des rendements s’explique

par l’utilisation de laits de fromagerie concentrés ayant une plus faible proportion de phase

60

aqueuse. Ainsi, le plus faible égouttage lors des fabrications a favorisé les rendements

fromagers.

Figure 2.13: Rendement fromager en fonction du facteur de concentration des laits de

fromagerie

Les coefficients de rétention de la vitamine D sont présentés à la figure 2.14. La

concentration du lait jusqu’à un facteur 1,8x n’a pas eu d’influence significative sur la

rétention de la vitamine comparativement au témoin. Une tendance à la baisse a plutôt été

observée à partir du FC 1,6x. Par contre une diminution significativement importante de la

rétention a été observée pour les fromages fabriqués à partir du lait concentré 2x. La

diminution de la rétention de la vitamine D est directement reliée aux pertes en vitamine D

lors de l’égouttage, notamment pour les laits concentrés 1,6, 1,8 et 2x (figure 2.12).

10

12

14

16

18

20

1x 1,2x 1,4x 1,6x 1,8x 2x

Re

nd

em

en

t fr

om

age

r (%

)

Facteur de concentration

61

Figure 2.14: Coefficients de rétention de la vitamine D en fonction de la concentration du lait de fromagerie

La rétention en vitamine D dans le fromage témoin (85,0 %) était cependant

légèrement inférieure aux valeurs de 90 % obtenues par Kazmi et al. (2007) et Wagner et

al. (2008a). Cette plus faible rétention serait reliée au bilan de vitamine D. En effet,

contrairement aux bilans de 96,6 et 107,3 % obtenus par les mêmes auteurs, le bilan en

vitamine D du fromage témoin n’était que de 88,7 %. Tel que rapporté par Banville et al.

(2000) et Kazmi et al. (2007), cette différence pourrait être attribuée à la dégradation de la

vitamine D lors du processus de fabrication.

2.4.12. Composition des fromages

La composition des fromages ainsi que les coefficients de rétention des protéines et

de la matière grasse sont présentés au tableau 2.6. La teneur en protéines et en cendres a

augmenté significativement et la teneur en matières grasses a diminué significativement en

fonction du facteur de concentration du lait. En effet, les teneurs en NT (28,4 %), en

MG (23,9 %) et en cendres (4,4 %) des fromages 2x étaient significativement différentes

des valeurs respectives retrouvées chez les fromages témoins (24,5, 28,6 et 4,0 %). Ces

résultats sont en accord avec ceux obtenus par St-Gelais et al. (1998; 2001) lors de la

fabrication à petite échelle (bassins de 1,5 kg et de 10 kg) de fromages de type Cheddar

faits à partir de laits concentrés en protéines. Cependant, la similarité du taux d’humidité

des différents fromages (39 %) est contraire à la diminution de l’humidité des fromages

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

1x 1,2x 1,4x 1,6x 1,8x 2x

CR

Vit

amin

e D

(%)

Facteur de concentration

AB

B

A A A

A

62

faits de laits concentrés observée par Guinee et al. (1996; 2006) et St-Gelais et al. (1998).

Ces auteurs expliquent ces différences par l’augmentation des temps d’acidification requis

par des laits de fromageries enrichis en protéines. En effet, l’augmentation du temps de

fabrication favorise l’égouttage du caillé, diminuant ainsi son taux d’humidité (St-Gelais &

Tirard-Collet 2010). Dans cette étude, la standardisation des fabrications a permis d’obtenir

des taux d’humidité similaires.

Tableau 2.6: Composition des fromages fabriqués à partir de laits concentrés et coefficients de rétention de l’azote total et de la matière grasse

Facteur de concentration

ESM1 1x 1,2x 1,4x 1,6x 1,8x 2x

Constituants Azote total (%NT) 24,54e 25,10d 25,51d 26,86c 27,53b 28,38a 0,17 Matières grasses (%MG) 28,57a 28,06a 27,32ab 27,17ab 26,06b 23,93c 0,53 Humidité (%HUM) 39,55a 38,76a 38,85a 38,50a 39,03a 39,30a 0,40 Ratio SEL/HUM 4,48a 4,44a 4,49a 4,50a 4,97a 4,76a 0,17 Cendres (%CEN) 4,00c 4,02bc 4,13bc 4,17abc 4,27ab 4,41a 0,09 Vitamine D (UI/g fromage) 3531a 2927b 2513c 2170d 1793e 1552f 79 Vitamine D (UI/g NT) 14396a 11658b 9852c 8086d 6514e 5471f 307 Coefficients de rétention CRNT (%) 76,8a 76,2a 75,0a 76,3a 76,2a 75,8a 0,9 CRMG (%) 81,0a 77,0ab 72,9bc 70,8c 65,0d 58,1e 1,7 1 ESM = Erreur Standard Moyenne abc Les moyennes ayant des lettres différentes dans une même rangée sont différentes à P ≤ 0,05

La concentration en vitamine D des fromages au jour 13 d’affinage est présentée au

tableau 2.6. Les résultats montrent que l’utilisation de laits concentrés a significativement

affecté la concentration en vitamine D dans les fromages. Bien que le coefficient de

rétention en vitamine D (UI/g fromage) des fromages 1,2 et 1,4x était identique à celui du

fromage témoin (85,0 %) (figure 2.13), la concentration en vitamine D respective de ces

deux fromages (2927 et 2513 UI/g) était largement inférieure à la concentration

de 3531 UI/g retrouvée au sein du fromage témoin. Ce phénomène s’explique par un effet

de dilution de la vitamine D. Malgré une quantité équivalente de vitamine D retenue dans

les fromages 1x, 1,2x et 1,4x, la vitamine D du fromage 1,4x était présente dans une masse

de fromage plus élevée, diminuant ainsi sa concentration par gramme de fromage. Cet effet

de dilution est proportionnel aux facteurs de concentration, à l’exception des facteurs 1,8x

et 2x en raison de leur perte importante de vitamine D expliqué précédemment

(section 2.4.10).

63

De plus, aucune dégradation de la vitamine D n’a été observée durant l’affinage. En

effet, la concentration en vitamine D dans les fromages (UI/g fromage ou UI/g NT)

observée après pressage (tableau 2.6) était statistiquement similaires à la concentration

trouvée après 13 jours d’affinage. Ces résultats sont en accord avec les observations de

Banville et al. (2000), Kazmi et al. (2007) et Wagner et al. (2008a) démontrant que la

vitamine D est stable lors de l’affinage. Ces derniers auteurs ont démontré que la

vitamine D3 est stable autant dans un fromage de type Cheddar standard que réduit en gras.

L’environnement anaérobie généré par l’emballage sous vide des fromages jumelé à la

basse température d’entreposage permettrait de prévenir l’oxydation de la vitamine D.

2.5. Conclusion

Cette étude a démontré que l’optimisation des paramètres de fabrication a permis

d’obtenir des temps de fabrication similaires entre les différents fromages. De plus, la

concentration préalable du lait de fromagerie a permis de réduire la quantité de lactosérum

et d’augmenter les rendements fromagers. Bien que la production de fromages de type

Cheddar fortifiés en vitamine D ait été possible, en raison de la faible taille des bassins de

fromagerie utilisés dans cette étude, la concentration du lait n’a pas permis d’améliorer la

rétention de la vitamine D dans les fromages. De plus, les résultats obtenus ont permis de

conclure que la vitamine D n’a pas d’effet sur l’activité des ferments lactiques, qu’elle se

disperse de façon uniforme dans un lait de fromagerie et qu’elle résiste à la pasteurisation

ainsi qu’à la congélation.

2.6. Remerciements

Ce travail a été supporté financièrement par les Producteurs Laitiers du Canada

(PLC), le Centre de Recherche et de Développement sur les Aliments (CRDA)

d’Agriculture et Agro-alimentaire Canada (AAC), ainsi que l’Université Laval. Les auteurs

remercient Gaétan Bélanger, Annie Caron, Sophie Turcot, Floriane De Biasio et Julien

Baret pour leurs conseils et leur soutien technique.

65

Chapitre 3: Production de fromages de type

Cheddar enrichis en vitamine D à l’échelle pilote

3.1. Résumé

Le but de cette étude était de concentrer du lait de fromagerie par ultrafiltration afin

d’améliorer la rétention de la vitamine D lors de la fabrication à l’échelle pilote de

fromages de type Cheddar. Des laits de concentrations protéiques variant entre 3.37

et 6.01 % et de ratio NT/MG 0.91 ont été fortifiés en vitamine D à une concentration

de 450 UI/g de lait. La vitamine D a été analysée lors des étapes de fabrication et

pendant 92 jours d’affinage. Les résultats indiquent que la vitamine D résiste à la

pasteurisation et aux conditions d’affinage. L’augmentation de la concentration protéique

des laits de fromagerie a permis d’améliorer de 5.5 % la rétention de la vitamine D.

Mots clés : Vitamine D, Rétention, Stabilité, Fromage, Cheddar, Ultrafiltration.

3.2. Introduction

Au Canada, de par sa fortification obligatoire à un taux de 41 UI de vitamine D par

portion de 100 ml, le lait de consommation est la principale source alimentaire de

vitamine D des Canadiens (Calvo & Whiting 2013; Sacco 2013). Cependant, la diminution

de la consommation du lait de 15 % observée depuis le début des années 1990 (Centre

canadien d'information laitière 2013) a contribuée au fait que 10 % des canadiens âgés

entre 3 et 79 ans souffrent actuellement d’une carence en vitamine D et que 32 % ont des

niveaux sériques de vitamine D jugés inadéquats pour le maintien d’une bonne santé

osseuse (Janz & Pearson 2013). En plus d’avoir un impact important sur la développement

du rachitisme chez les enfants et de l’ostéomalacie chez les adultes, cette insuffisance en

vitamine D rend les Canadiens plus à risque de développer plusieurs maladies chroniques et

divers cancers (Institute of Medecine 2011).

Compte tenu de leur faible teneur naturelle en vitamine D, les fromages

actuellement disponibles sur le marché ne permettent pas d’améliorer l’apport quotidien

recommandé de 200 UI (Agence canadienne d'inspection des aliments 2013). Cependant, la

production de fromage fortifié en vitamine D permettrait d’introduire sur le marché

66

canadien une source alternative de vitamine D pour les consommateurs. Le fromage

Cheddar, qui totalise près de 35 % des ventes de fromages au Canada (Centre canadien

d'information laitière 2013), s’avère un vecteur prometteur pour la fortification.

Les récents travaux effectués sur la fortification du fromage en vitamine D ont

démonté que la vitamine D n’affecte pas l’activité des ferments lactiques, qu’elle n’est pas

affectée par la pasteurisation du lait, qu’elle est relativement stable lors du processus de

fabrication, qu’elle est distribuée de façon uniforme dans le lait et dans le fromage et

qu’elle est stable lors de l’affinage (chapitre 2;(Banville et al. 2000; Kazmi et al. 2007;

Wagner et al. 2008a; Kaushik et al. 2014a). De plus, sa présence n’affecte pas la flaveur du

produit et elle est tout aussi bio-disponible que la vitamine D sous forme de supplément

(Wagner et al. 2008b; Ganesan et al. 2011). Le défi technologique relié à l’incorporation de

la vitamine D dans le fromage repose toutefois sur la perte d’une partie, variant entre 40

et 90 %, de la vitamine D dans le lactosérum lors de l’égouttage (chapitre 2;(Banville et al.

2000; Kazmi et al. 2007; Wagner et al. 2008a). Cette présence non-désirée de vitamine D

est un inconvénient majeur rendant difficile la valorisation du lactosérum.

L’ultrafiltration (UF) des laits de fromageries permettrait cependant d’atténuer cet

inconvénient. Ce procédé de séparation sur membranes permet de produire un rétentat

concentré en protéines caséiques et sériques ainsi qu’en minéraux et permet d’éliminer une

partie de la phase aqueuse du lait (perméat) (Mistry & Maubois 2004). L’utilisation de ce

concentré protéique lors des fabrications fromagères permet, outre la standardisation de la

teneur protéique du lait (Mistry & Maubois 2004; Mistry 2013), d’augmenter les

rendements fromagers (chapitre 2;(Guinee et al. 1996; St-Gelais et al. 1998; St-Gelais et al.

2001; Guinee et al. 2006) et de réduire la quantité de lactosérum produit (chapitre 2;(St-

Gelais & Haché 1995; Caron et al. 2001).

Cependant, la production de fromages de type Cheddar fortifiés en vitamine D à

partir de laits concentrés en protéines ne garantit pas une amélioration de la rétention de la

vitamine D. La faible taille des bassins de fromagerie utilisés dans l’étude précédente

(chapitre 2) a été un facteur limitant au bon fonctionnement de la fabrication fromagère,

ainsi qu’à la rétention de la vitamine D au sein du caillé.

67

L’objectif de ce travail était donc d’améliorer la rétention de la vitamine D dans un

fromage de type Cheddar fait de lait concentré en protéines et fortifié en vitamine D en

effectuant une mise à l’échelle du procédé de fabrication utilisé lors des essais en

laboratoire. Cette étude visait également à évaluer l’impact de la vitamine D sur la

composition du fromage et sa stabilité pendant l’affinage.

3.3. Matériel et méthodes

3.3.1. Fabrications fromagères

3.3.1.1. Production du rétentat d’ultrafiltration

Du lait écrémé pasteurisé (3,17 % de protéines et 0,22 % de MG) provenant de la

laiterie Chalifoux (Laiterie Chalifoux Inc., Sorel, QC, Canada) a été utilisé pour produire

du rétentat d’ultrafiltration à 11,67 % de protéines et 0,90 % de MG (annexe 1) selon la

méthode décrite par St-Gelais et al. (1992b). Le rétentat liquide a été conservé à 4°C

jusqu’à son utilisation dans la même journée.

3.3.1.2. Préparation du ferment lactique

La souche Lactococcus lactis subsp. cremoris (CUC-222) (Cargill Texturizing

Solutions, Waukesha, USA) a été préparée et conservée tel que décrit à la section 2.3.1.6 du

chapitre 2.

3.3.1.3. Préparation des laits de fromagerie

Du lait écrémé (3,17 % de protéines et 0,17 % de MG) (annexe 1) et de la crème

(1,85 % de protéines et 39,31 % de MG) (annexe 1) provenant de la laiterie Chalifoux

(Laiterie Chalifoux Inc., Sorel, QC, Canada) ont été mélangés à du rétentat d’UF selon un

calcul matriciel inverse (annexe 2) afin de produire des laits à des concentrations protéiques

de 3,35 (1x), 4,71 (1,4x) et 6,01 % (1,8x) respectant un ratio NT/MG de 0,91. Les laits ont

été conservés 18h à une température de 4°C jusqu’à leur utilisation.

3.3.1.4. Fabrication des fromages Cheddar

Les laits de fromageries ont été fortifiés en vitamine D à des taux de 0,220 % (p/p) à

partir d’une émulsion commerciale concentrée de vitamine D (205 000 UI/g) (Kingsway

68

Chocolate Co. Ltd., Mississauga, ON, Canada) (annexe 3) afin d’obtenir une concentration

de 450 UI/g de lait. La pasteurisation des laits fortifiés a été effectuée à 74°C pendant

16 secondes dans un échangeur à plaques (Type C3-SR, Tetra Pak Canada Inc., Toronto,

ON, Canada). Deux bassins de 270 L (Kusel Equipment Co., Watertown, WI, USA) ont été

remplis de 100 kg de lait standardisé non concentré (1x) et de lait concentré à un

facteur 1,8x. Le troisième bassin contenait 130 kg de lait standardisé concentré (1,4x).

L’augmentation du volume de lait de ce bassin était nécessaire afin d’obtenir assez de

fromage pour remplir deux moules complets. Une solution de CaCl2 45 % Calsol® (Chr.

Hansen’s Laboratory LTD, Mississauga, ON, Canada) a été ajoutée à des taux de 0,025,

0,005 et 0 % (v/v) respectivement pour les laits 1x, 1,4x et 1,8x. Les laits ont ensuite été

inoculés avec le ferment CUC-222 à des taux respectifs de 1,5, 2,0 et 2,2 % (v/v) pour les

laits 1x, 1,4x et 1,8x. Après 10 minutes d’agitation, la composition des laits a été

déterminée par un analyseur infrarouge Milko Scan (FT-120. Foss North America, MN,

USA). Après une heure de maturation à 32°C, de la présure double force CHY-MAX®

Extra (Chr. Hansen’s Laboratory LTD, Mississauga, ON, Canada) a été ajoutée à des taux

de 0.0095, 0,0085 et 0,0075 % (v/v). Après une minute d’agitation, les laits ont été laissés

au repos pendant 30 minutes pour la période de coagulation. Les coagulums ont été coupés

en cube de 1 cm3 et après 10 minutes de repos, la cuisson a été amorcée. La température a

été augmentée graduellement de 32 à 38°C sur une période de 30 minutes et maintenue à

cette température jusqu’au moment du soutirage, effectué à pH 6,0. Par la suite, la

température a été ajustée à 35°C pour l’étape de cheddarisation où les grains de caillés ont

été entassés et retournés par intervalles de 30 minutes. Lorsque les caillés ont atteint un pH

de 5,2, ils ont été pesés, hachés et salés à un taux de 2,2 % (p/p), puis placés en moule et

pressés (2,76 bar) pendant 16 heures. Par la suite, les blocs de fromages ont été démoulés,

pesés, emballés sous vide et entreposés à 8°C pendant les 30 premiers jours d’affinage, puis

à 4°C pour la suite de l’affinage se déroulant sur une période totale de 93 jours. Des

échantillons de lait, de lactosérum et/ou de caillé ont été prélevés avant pasteurisation,

après l’ajout des ferments, avant l’emprésurage, au soutirage, avant salage, après pressage

et aux jours 16, 30, 63 et 92 d’affinage. Les bilans, les rendements fromagers et les

coefficients de rétention (CR) de l’azote total et de la matière grasse ont été respectivement

calculés selon les équations (1), (2), (3) et (4) décrites à la section 2.3.1.11 du chapitre 2.

69

3.3.2. Analyse de la vitamine D

3.3.2.1. Extraction de la vitamine D

L’extraction de la vitamine D a été effectuée tel que décrit à la section 2.3.2.1 du

chapitre 2. Cependant, deux extraction avec du chloroforme ont été effectuées. Les deux

phases organiques issues des deux extractions ont été jumelées avant l’évaporation sous

azote.

3.3.2.2. Chromatographie HPLC

La quantification par HPLC des vitamines D2 et D3 a été réalisée selon la méthode

et les équations décrites à la section 2.3.2.2 du chapitre 2.

3.3.3. Analyses physico-chimiques

3.3.3.1. pH et acidité titrable

Les valeurs de pH et d’acidité titrable des laits, des lactosérums et caillés ont été

obtenues selon la méthode décrite à la section 2.3.3.1 du chapitre 2.

3.3.3.2. Analyse du pouvoir tampon

L’indice de pouvoir tampon des laits après ensemencement et des fromages au

jour 16 d’affinage a été déterminé selon la procédure indiquée à la section 2.3.3.2 du

chapitre 2.

3.3.3.3. Analyses de composition

Les analyses de composition des ingrédients liquides (lait, lactosérum, crème et

rétentat d’UF) et des fromages ont été réalisées telles que décrites dans la section 2.3.3.3 du

chapitre 2.

3.3.3.4. Analyses microbiologiques

Les dénombrements microbiens des lactocoques dans le lait ont été réalisés selon la

méthode décrite à la section 2.3.3.4 du chapitre 2. Les dénombrements microbiens des

échantillons de fromages ont été réalisés en pesant aseptiquement 11 g d’échantillon dans

un sac à stomacher contenant 99 mL d’eau peptonée avant d’être homogénéisé avec un

70

appareil Stomacher (Stomacher 400 Circulator, Seward Laboratory System, NY, USA)

pendant 1 minute à vitesse élevée. Les lactocoques ont été dénombrés sur un milieu M17

agar (Oxoid Ltd., Basingstoke, Hampshire, Angleterre) additionné de 5 g/L de lactose

(Anachemia Canada Inc., Montréal, QC, Canada) tandis que les lactobacilles ont été

dénombrés sur milieu Lactobacilli MRS agar (Becton, Dickinson and Compagny,

Mississauga, ON, Canada) acidifié avec de l’acide acétique glacial à pH 5,5. Les milieux

gélosés ont été incubés pendant 48 h à 30°C en anaérobiose dans un incubateur (5 % CO2 :

10 % H2 : 85 % N2) (Praxair Technology Inc., QC, Canada).

3.3.3.5. Analyse de la protéolyse

Les indices de protéolyse primaire et secondaire des fromages ont été

respectivement évalués aux jours 1, 16, 30, 63 et 92 d’affinage par les teneurs en azote

soluble dans l’eau (NSE) et en azote non-protéique soluble dans une solution à 12 % (p/p)

d’acide trichloroacétique (NSTCA) selon la méthode décrite par Christensen et al. (1991).

Les résultats des analyses ont été exprimés en pourcentage de la teneur en azote total

(NSE/NT et NSTCA/NT). Un facteur de 6.38 a été utilisé pour exprimer l’azote en

protéines.

3.3.3.6. Rhéologie des fromages

Les analyses de texture ont été effectuées en adaptant le protocole présenté par

Gagné (2012). Pour chaque type de fromage, 13 cylindres de 1cm de haut par 1 cm de

diamètre ont été taillés à l’aide d’un emporte-pièce. Les cylindres ont été maintenus à une

température de 21°C pendant une heure avant de subir une double compression avec

l’analyseur de texture TA-XT2 (Mono-Research Laboratories Ltd., Brompton, ON,

Canada) à une vitesse de 0,4 mm/seconde et jusqu’à 50 % de la déformation totale du

cylindre. L’analyse de texture a permis de déterminer la dureté (MPa), l’intensité

d’adhérence (MPa.s), l’élasticité et l’intensité de la cohésion.

3.3.4. Dispositif expérimental et analyses statistiques

Les résultats de compositions, de rendements, de pH, d’acidité titrable et de pouvoir

tampon ont été analysés selon un plan factoriel complet. L’effet de la pasteurisation sur la

vitamine D, ainsi que la rétention de la vitamine D pendant l’égouttage et la stabilité de la

71

vitamine D lors de l’affinage ont été étudiés selon un plan en tiroir. Au total, trois

répétitions ont été réalisées pour un total de neuf traitements expérimentaux. Les

différences significatives ont été testées à P ≤ 0.05 selon la procédure SAS/STAT® (SAS

2011).

3.4. Résultats et discussion

3.4.1. Stabilité de la vitamine D à la pasteurisation

La stabilité de la vitamine D face à la pasteurisation est présentée à la figure 3.1.

Les résultats ont montré que la pasteurisation (74°C, 16 sec) n’a pas eu d’effet sur la teneur

en vitamine D totale des laits, et ce, peu importe le facteur de concentration. En effet, pour

l’ensemble des laits, la vitamine D mesurée était de 454, 453 et 450 UI/g respectivement

après fortification des laits, après pasteurisation et après l’ajout du ferment lactique. Ces

résultats sont en accord avec les résultats obtenus à la section 2.4.1 du chapitre 2 ainsi

qu’avec la littérature qui stipule que la vitamine D, présente dans une matrice laitière, est

insensible aux traitements thermiques tel que la pasteurisation discontinue (62,8°C, 30 min)

et continue (72°C, 16 sec) ainsi qu’à la stérilisation (115,6°C, 15 min) (Krauss 1933;

Wagner et al. 2008a; Kaushik et al. 2014a). Cependant, malgré un même taux de

fortification, la teneur en vitamine D moyenne des laits 1x (462 UI/g), 1,4x (453 UI/g)

et 1,8x (441 UI/g) était significativement différente. Cette différence pourrait avoir un lien

avec l’augmentation de la teneur en MG des laits qui semble nuire à l’efficacité du

processus de saponification lors de l’extraction de la vitamine D (Paixao 2002). De plus,

l’absence de standard interne fiable a empêché de calculer avec précision la proportion de

vitamine D dégradée ou perdue lors du procédé d’extraction.

72

Figure 3.1: Effet de la pasteurisation des laits de fromagerie sur la vitamine D

3.4.2. Composition des laits de fromagerie

L’utilisation du rétentat d’UF pour enrichir le lait de fromagerie en maintenant un

ratio NT/MG de 0,91 a eu un impact majeur sur la composition des laits de fromagerie

(tableau 3.1). Tel qu’observé à la section 2.4.8 du chapitre 2, les teneurs en fractions

azotées, en matières grasses et en cendres du lait témoin étaient significativement plus

basses, tandis que le lactose était significativement plus élevé comparativement aux laits

enrichis. Ces différences de composition s’expliquent par l’utilisation de rétentats d’UF

riches en protéines et de crème lors de la préparation des laits de fromagerie.

La teneur en vitamine D des laits (UI/g lait) et la concentration de vitamine D par

gramme d’azote total (UI/g NT) étaient significativement différentes entre les FC. De façon

générale, la concentration en vitamine D était inversement proportionnelle au pourcentage

d’azote total. En effet, la concentration de vitamine par gramme de NT du lait 1,8x

(7281 UI/g NT) était environ 1,8 fois plus basse que pour le lait témoin (13784 UI/g NT).

400

410

420

430

440

450

460

470

480

490

500

Après fortification Après pasteurisation Après inoculation

Vit

amin

e D

(U

I/g)

Type de lait 1x 1,4x 1,8x

A A

B

ABC

ABC

BC

D

BC

D CD

D D

73

Tableau 3.1: Composition des laits de fromagerie fortifiés en vitamine D après pasteurisation

Constituants Types de lait

ESM1 1x 1,4x 1,8x

Azote total (%NT) 3,37c 4,71b 6,01a 0,03 Azote caséique (%NC) 2,54c 3,53b 4,50a 0,02 Azote non caséique (%NNC) 0,83c 1,18b 1,51a 0,01 Matières grasses (%MG) 3,71c 5,14b 6,70a 0,04 Extraits secs totaux (%EST) 12,41c 15,15b 18,00a 0,04 Lactose (%LAC) 4,33a 4,21b 4,03c 0,01 Cendres (%CEN) 0,71c 0,80b 0,90a 0,01 Vitamine D (UI/g lait) 462a 453b 442c 2 Vitamine D (UI/g NT) 13784a 9607b 7281c 28 1 ESM = Erreur standard moyenne abc Les moyennes ayant des lettres différentes dans une même ligne sont différentes à P ≤ 0,05.

3.4.3. Effet de la concentration du lait sur les paramètres de fabrication

Les temps de production, les valeurs de pH et d’acidité titrable obtenus lors des

fabrications fromagères sont présentés au tableau 3.2. Puisque les taux d’inoculation et

d’emprésurage ont été ajustés en tenant compte du facteur de concentration (chapitre 2,

sections 2.4.6 et 2.4.7), l’évolution du pH et des temps de production étaient

statistiquement similaires pour tous les laits, tel qu’observé à la section 2.4.9 du chapitre 2.

Seule l’évolution de la production d’acide lactique était significativement différente

(P ≤ 0.05). L’acidité des laits pasteurisés était plus élevée en fonction du FC. En effet,

l’acidité du lait 2x était de 19,8°D comparativement à 13,7°D pour le lait témoin. Cette

différence d’acidité entre les laits s’explique par la présence d’un pouvoir tampon plus

élevé pour les laits enrichis en protéines (figure 3.2). En effet, l’indice de pouvoir tampon

était significativement plus élevé (0,013) pour le lait 2x que pour le lait témoin (0,003). Le

pouvoir tampon du lait correspond à sa capacité à résister au changement de pH. Dans un

lait non concentré, les caséines, les protéines sériques et les sels minéraux du lait

participent respectivement à 36,0, 5,4 et 58,6 % au pouvoir tampon. Cependant, dans un lait

ultrafiltré, la contribution de chacun des constituants augmente respectivement à 48,5, 7,5

et 44,0 % pour un facteur de concentration de 3x et à 53,8, 9,7 et 36,5 % pour un facteur

de 5x (Srilaorkul et al. 1989). Toutefois, le pouvoir tampon des laits obtenus par

ultrafiltration peut être réduit en diminuant la charge minérale lors de la production du

rétentat (St-Gelais et al. 1992a) ou combattu en augmentant le taux d’ensemencement du

ferment utilisé (St-Gelais et al. 1992b). Outre l’acidité naturelle des laits, une acidité

74

complémentaire a été développée par l’action des ferments lactiques pendant la fabrication

fromagère. Dans le cas présent, l’acidité développée lors de la période de maturation des

laits était similaire (0,8°D) pour chacun des FC.

Tableau 3.2: Temps de production, pH et acidité titrable obtenus lors des fabrications fromagères

Étapes de fabrication Types de lait

ESM1 1x 1,4x 1,8x

Temps (hre :min) Maturation 1:00a 1:00a 1:00a 0:00 Coagulation 0:30a 0:30a 0:27a 0:02 Coagulation au soutirage 2:12a 2:08a 2:08a 0:08 Soutirage au pressage 2:15a 2:26a 2:18a 0:03 Total 5:55a 6:01a 5:55a 0:07 Valeur de pH (unité de pH) Lait pasteurisé 6,55a 6,57a 6,56a 0,02 Lait ensemencé 6,47a 6,49a 6,47a 0,02 Lait emprésuré 6,41a 6,41a 6,40a 0,02 Coupage du caillé 6,34a 6,34a 6,35a 0,02 Soutirage 6,01a 6,00a 6,00a 0,03 Acidité titrable (°D) Lait pasteurisé 13,71H 16,80E 19,77C

0,14 Lait ensemencé 15,58G 18,59D 21,23B

Lait emprésuré 16,31F 19,41C 22,06A Acidité développée 0,73a 0,82a 0,83a 0,17 1 ESM = Erreur standard moyenne abc Les moyennes ayant des lettres différentes dans une même rangée sont différentes à P ≤ 0,05 ABC Les moyennes ayant des lettres différentes dans un même bloc de données sont différentes à P ≤ 0,05

Figure 3.2: Indice de pouvoir tampon des laits de fromagerie après pasteurisation

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

Ind

ice

de

po

uvo

ir t

amp

on

(∆

B/∆

pH

)

Facteurs de concentration 1x 1,4x 1,8x

A

B

C

75

3.4.4. Effet de la concentration du lait sur la quantité et la composition du

lactosérum

Les proportions de lactosérum et de vitamine D perdues lors de l’égouttage sont

présentées à la figure 3.3 et dans le tableau 3.3. De façon similaire aux résultats de la

section 2.4.10 du chapitre 2, la proportion de lactosérum total égoutté diminuait de façon

linéaire ( , R2 = 0,9999) en fonction du facteur de concentration des

laits (figure 3.3). En effet, 87 % du volume de lait témoin initial s’est retrouvé sur forme de

lactosérum, comparativement à 79 % pour le lait 2x. Cette différence s’explique

principalement par le « pré-égouttage » effectué lors de l’ultrafiltration avant même la

fabrication fromagère qui permet de diminuer la quantité totale de lactosérum pouvant être

produit après la coagulation du lait.

Figure 3.3: Proportions de lactosérum et de vitamine D totale perdues lors des fabrications en

fonction de la concentration des laits de fromagerie

Le lactosérum de soutirage était le seul lactosérum dont les proportions étaient

significativement affectées par le facteur de concentration des laits de fromagerie

(tableau 3.3). En effet, 82 % du volume du lait témoin utilisé s’est retrouvé sous forme de

lactosérum lors du soutirage, alors que les proportions étaient respectivement de 78 et 74 %

pour les laits 1,4x et 1,8x. Ces résultats sont légèrement plus élevés que les valeurs de 80,

0

5

10

15

20

25

30

78

80

82

84

86

88

90

1x 1,4x 1,8x

Vit

amin

e D

to

tale

(%

de

la q

uan

tité

init

iale

)

Lact

osé

rum

to

tal (

% d

e la

qu

anti

té in

itia

le)

Lactosérum Vitamine D

76

76 et 71 % des facteurs 1x, 1,4x et 1,8x obtenus respectivement au chapitre 2. Ce qui

indique que la quantité de lactosérum récoltée lors du soutirage serait directement affectée

par la grosseur des bassins de fromagerie.

La perte en vitamine D lors des productions était influencée par la concentration des

laits (figure 3.3). Bien que relativement similaire entre les facteurs 1,4x (20,1 %)

et 1,8x (18,9 %), la perte en vitamine D était significativement plus élevée (24,5 %) pour le

lait témoin. Contrairement au lactosérum, la perte totale de vitamine D ne suivait pas une

tendance linéaire, mais plutôt une tendance exponentielle

( , R2 = 1,00). Pour l’ensemble des FC, la

majorité (97,4 %) de la vitamine D a été perdue lors de l’étape du soutirage. Étant donné les

faibles volumes de lactosérums issus des laits concentrés, le FC n’a pas eu d’impact majeur

sur les pertes de vitamine dans le lactosérum. Néanmoins, la diminution de la perte en

vitamine D en fonction du FC des laits de fromagerie est contraire aux résultats obtenus au

chapitre 2 où la perte en vitamine D augmentait de façon exponentielle en fonction du FC.

Ces différences s’expliqueraient principalement par la taille des bassins utilisés.

Contrairement aux fabrications à l’échelle pilote qui se sont déroulées sans difficulté, les

fabrications à l’échelle laboratoire étaient plus ardues en raison de la trop grande quantité

de fromage présente par rapport au volume disponible des bassins, limitant ainsi la

poursuite efficace des différentes étapes de fabrication après l’étape de coagulation. La

perte en vitamine D semble se stabiliser autour de 18 % et l’augmentation du FC au-delà

de 1,8x ne permettrait pas de diminuer davantage la perte en vitamine D lors de l’égouttage.

La composition des différents lactosérums est également présentée au tableau 3.3.

De façon générale, la concentration des différents constituants présents dans les

lactosérums de soutirage et de pressage étaient significativement plus élevée pour le

facteur 1,8x. Bien qu’une tendance similaire soit observée au niveau du lactosérum de

cheddarisation, les analyses statistiques n’ont permis de relever de différence en fonction

des facteurs de concentration. De plus, les teneurs en extraits secs totaux et en cendres des

lactosérums de pressage étaient significativement plus élevées que les autres lactosérums en

raison de leur contenu en NaCl. La composition plus riche des lactosérums 1,8x est en

accord avec la littérature. En effet, lorsque la concentration protéique du lait de fromagerie

77

augmente, la concentration de tous les constituants retrouvés dans le lactosérum se retrouve

également augmentée (St-Gelais & Haché 1995; Guinee et al. 1996; St-Gelais et al. 1998;

Caron et al. 2001). L’analyse statistique des teneurs en matières grasses n’a révélé que peu

de différence entre les différents types de lactosérum. La valeur élevée de l’erreur standard

moyenne est directement reliée à la grande variation de la MG analysée dans le lactosérum

de pressage. Par exemple, dans le cas du fromage 1,8x, la teneur en matières grasses se

situait entre 0,36 et 3,61 % selon les journées de fabrications. Néanmoins, ces résultats ont

permis de confirmer que l’utilisation de laits enrichis par du rétentat d’ultrafiltration permet

de réduire les proportions de lactosérum et de vitamine D perdues au cours du processus de

fabrication fromagère.

Tableau 3.3: Composition des lactosérums obtenus lors des fabrications fromagères en fonction de la concentration des laits de fromagerie

Constituants Types de lactosérum

ESM1 1x 1,4x 1,8x

Lactosérum perdu (% de la quantité initiale) Soutirage 81,79A 77,51B 73,78C

0.44 Cheddarisation 4,25D 4,15D 3,94D

Pressage 1,10E 1,42E 1,42E Vitamine D perdue (% de la quantité initiale) Soutirage 23,95A 19,58B 18,26B

0.97 Cheddarisation 0,35C 0,34C 0,27C

Pressage 0,26C 0,23C 0,21C Azote total (%NT) Soutirage 0,81F 1,05E 1,27BCD

0.03 Cheddarisation 1,00E 1,25CD 1,51A

Pressage 1,19D 1,35B 1,29BC Matières grasses (%MG) Soutirage 0,34B 0,40B 0,81AB

0.39 Cheddarisation 0,08B 0,08B 0,19B

Pressage 1,06AB 0,95AB 1,65A Extraits secs totaux (%EST) Soutirage 6,81D 7,11D 7,82C

0.17 Cheddarisation 6,72D 6,87D 7,20D

Pressage 14,97B 16,72A 17,10A Cendres (%CEN) Soutirage 0,51C 0,52C 0,54C

0.31 Cheddarisation 0,65C 0,69C 0,71C

Pressage 9,55B 11,04A 11,32A 1 ESM = Erreur standard moyenne ABC Les moyennes ayant des lettres différentes dans un même bloc de données sont différentes à P ≤ 0,05

78

3.4.5. Effet de la concentration du lait sur les rendements fromagers et les

coefficients de rétention de la vitamine D

L’augmentation du rendement fromager en fonction du facteur de concentration des

laits de fromagerie est présentée à la figure 3.4. La présence d’une relation linéaire

( , R2 = 1,00) entre les rendements fromagers et la concentration

protéique des laits a également été observée dans la littérature (Guinee et al. 1996; St-

Gelais et al. 1998; St-Gelais et al. 2001; Guinee et al. 2006). La hausse des rendements

s’explique par l’utilisation de laits de fromagerie concentrés ayant une plus faible

proportion de phase aqueuse. Ainsi, la hausse des rendements fromagers a été favorisée par

la diminution de la quantité de lactosérum égoutté lors des fabrications. Cette hausse est

cependant différente de celle observée à la section 2.4.11 du chapitre 2. En raison des

limitations techniques reliées à la petite taille des bassins lors des fabrications à l’échelle

laboratoire, le rendement fromager du facteur 1,8x était de 17 % comparativement

au 18,5 % obtenu lors des fabrications à l’échelle pilote.

Figure 3.4: Rendement fromager en fonction du facteur de concentration des laits de fromagerie

Les coefficients de rétention de la vitamine D sont présentés à la figure 3.5.

L’utilisation de laits enrichis en protéines a permis d’améliorer non significativement la

rétention en vitamine D du fromage 1,8x (76,6 %), comparativement aux

fromages 1,4x (71,1 %) et témoins (70,2 %). Ces différences de rétention de la vitamine D

s’expliquent principalement par la diminution de la quantité de lactosérum égoutté, telle

que mentionnée précédemment, provoquant ainsi une diminution de la quantité de

vitamine D perdue lors des fabrications fromagères. Ces différences pourraient également

10

12

14

16

18

20

1x 1,4x 1,8x

Re

nd

em

en

t Fr

om

age

r (%

)

Facteurs de concentration

79

s’expliquer par la plus haute teneur en azote total dans le lait 1,8x. En raison de l’affinité de

la vitamine D pour la β-caséines et de la β-lactoglobulines (Forrest et al. 2005; Yang et al.

2008; Diarrassouba et al. 2013), la plus haute teneur de ces protéines dans le lait 1.8x aurait

peut-être permis de retenir d’avantage de vitamine D dans la matrice caséique lors de la

coagulation.

Figure 3.5: Coefficients de rétention de la vitamine D dans les fromages fabriqués à partir des

différents laits de fromagerie

La rétention de la vitamine D dans le fromage témoin (70,2 %) était largement

inférieure à la valeur de 90 % rapportée par Kazmi et al. (2007) et Wagner, Rousseau, et al.

(2008). Cette disparité ne serait toutefois pas reliée à une éventuelle dégradation de la

vitamine D lors des productions fromagères puisque les bilans de vitamine D (94,7 %)

étaient comparables aux bilans de 96,6 et 107,3 % obtenus par les mêmes auteurs. Cette

différence de rétention pourrait cependant être expliquée par la haute concentration en

vitamine D des laits de fromagerie. En effet, contrairement à Kazmi et al. (2007) et Wagner

et al. (2008a) qui ont respectivement fortifié leurs laits à des concentrations de 50

et 100 UI/g, les laits de fromagerie de la présente étude ont été fortifiés à une concentration

de 450 UI/g de lait. L’augmentation du ratio vitamine D/caséine-β pourrait avoir favorisé la

saturation des sites de liaisons des protéines, résultant en l’expulsion de la vitamine non liée

lors de l’égouttage.

60

65

70

75

80

1x 1,4x 1,8x

CR

Vit

amin

e D (

%)

Facteurs de concentration

A A

A

80

3.4.6. Composition des fromages

La composition des fromages ainsi que les coefficients de rétention des protéines et

de la matière grasse sont présentés au tableau 3.4. L’utilisation de laits de fromagerie

enrichis en protéines n’a pas affecté significativement la composition des fromages à

l’exception de leur teneur en cendres qui a augmenté et de la teneur en humidité qui a

diminué en fonction du facteur de concentration du lait. La taille des bassins de fromagerie

utilisés aurait probablement un impact important sur la composition finale des fromages

puisque les résultats, outre les cendres, sont contraires aux résultats de composition obtenus

lors de la fabrication de fromage Cheddar à l’échelle laboratoire (section 2.4.12 du

chapitre 2). Les résultats de composition sont en accord avec Guinee et al. (1996; 2006) qui

ont fabriqué des fromages Cheddar à partir de laits concentrés dans des bassins de grande

capacité (500 kg). D’autre part, la diminution du taux d’humidité des fromages serait

vraisemblablement reliée à la hausse du ratio caséine/sels solubles des laits enrichis. Le

changement de ratio favoriserait une agrégation plus rapide des micelles de para-caséines

ainsi qu’un réseau de gel plus grossier (Auty et al. 2005) et donc plus poreux, favorisant

ainsi la synérèse lors du décaillage et de la cuisson (Green et al. 1981b). De plus,

l’augmentation du volume de coagulum favoriserait les chances de collision des grains de

caillés entre eux ainsi qu’avec la cuve et les agitateurs. Ces collisions favorisaient ensuite

l’apparition de points de pression sur la surface des grains de caillés entrainant des

déformations locales dans le réseau caséique des grains, favorisant un réarrangement en une

structure plus compacte et stimulant le processus de synérèse (Dejmek & Walstra 2004),

particulièrement lors de l’agitation en début de cuisson. De plus, tout comme l’indique la

littérature (Guinee et al. 1996; St-Gelais et al. 1998; St-Gelais et al. 2001; Guinee et al.

2006), les fromages de type Cheddar faits à partir de laits enrichis en protéines contiennent

plus de minéraux, et indirectement, plus de cendres. Étant donné la similarité au niveau de

la teneur en azote total des fromages, la différence de minéraux serait à la base même de la

variation du pouvoir tampon des fromages (figure 3.6). Bien que similaire, l’indice de

pouvoir tampon du fromage 1,8x était non significativement plus élevé (0,010) que celui du

fromage témoin (0,007).

81

Tableau 3.4: Composition des fromages fabriqués à partir de laits concentrés et coefficients de rétention de l’azote total et de la matière grasse

Constituants et coefficients de rétention Types de fromage

ESM1 1x 1,4x 1,8x

Constituants Azote total (%NT) 25,31a 25,50a 25,68a 0,19 Matières grasses (%MG) 31,39a 31,73a 31,56a 0,42 Humidité (%HUM) 37,92a 36,28ab 35,50b 0,51 Ratio SEL/HUM 3,83a 3,90a 4,10a 0,08 Cendres (%CEN) 3,39c 3,62b 3,85a 0,03 Vitamine D (UI/g lait) 3084a 2282b 1814c 46 Vitamine D (UI/g NT) 12183a 8952b 7064c 177 Coefficients de rétention CRNT (%) 77,5a 77,9a 78,5a 0,9 CRMG (%) 87,4a 89,0a 86,7a 1,5 1 ESM = Erreur standard moyenne abc Les moyennes ayant des lettres différentes dans une même ligne sont différentes à P ≤ 0,05.

Figure 3.6: Indice de pouvoir tampon des fromages fabriqués à partir de laits concentrés

3.4.7. Population des lactocoques dans les fromages pendant l’affinage

La population de lactocoques durant l’affinage est présentée à la figure 3.7. Pour

tous les types de fromages, la population de lactocoques a diminué significativement au

cours de l’affinage, passant d’une valeur maximale moyenne de 9,1 log d’UFC/g au jour 16

de l’affinage à 7,4, 7,8 et 7,9 log d’UFC/g au jour 92 pour les fromages 1x, 1,4x et 1,8x,

respectivement. La population microbienne des fromages témoins aux jours 63 et 92 était

non significativement inférieure à celle des fromages enrichis. Le pouvoir tampon

légèrement plus élevé des fromages 1.4x et 1.8x (section 3.4.6) aurait offert un milieu

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

0,009

0,010

0,011

0,012

Ind

ice

de

po

uvo

ir t

amp

on

(∆

B/∆

pH

)

Facteurs de concentration

1x 1,4x 1,8x

A

A

A

82

protecteur pour les lactocoques, permettant de ralentir leur mortalité. Ce phénomène a

également été observé par St-Gelais et al. (1992b) lors d’une étude portant sur la croissance

et l’activité du ferment Lactococcus lactis dans du rétentat d’ultrafiltration. Le

dénombrement des lactobacilles n’a pas été présenté en raison de leur absence après

incubation sur le milieu sélectif.

Figure 3.7: Population des lactocoques pendant l’affinage

3.4.8. pH des fromages pendant l’affinage

L’évolution du pH des fromages pendant l’affinage est présentée à la figure 3.8.

Malgré la similarité des valeurs de pH (5,0) obtenus en fin de pressage (J1) (section 3.4.3),

le pH des fromages 1,8x après 92 jours d’affinage (5,0) était significativement plus élevé

que pour les fromages témoins (4,9) et 1,4x (4,9). Ces différences de pH seraient

directement reliées à l’indice de pouvoir tampon intrinsèque à chaque fromage

(section 3.4.6) se traduisant en une neutralisation (fromage 1,8x) ou un ralentissement

(fromage 1,4x) de la baisse du pH à la suite de la dégradation du lactose résiduel par les

microorganismes lors de l’affinage (Gaucheron 2004).

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

9,5

10,0

1 16 30 63 92

Po

pu

lati

on

(lo

g U

FC/g

)

Temps d'affinage (jour)

1x 1,4x 1,8x

A A A A A A A A A

B B

C

C

B

C B C

B C

83

Figure 3.8: Évolution du pH des fromages pendant l'affinage

3.4.9. Protéolyse primaire et secondaire des fromages

L’évolution de la protéolyse primaire et secondaire est présentée aux figures 3.9

et 3.10. De façon générale, la protéolyse des fromages était inversement reliée à la teneur

en protéines des laits de fromagerie. En effet, la protéolyse primaire des fromages faits de

laits enrichis en protéines était plus lente que pour le fromage témoin (figure 3.9). Les

indices de protéolyse ont augmenté pour les facteurs 1x, 1,4x et 1,8x de 6,7, 6,4 et 5,7 %

(J1) à 20,1, 17,7 et 16,0 %, respectivement, après 92 jours d’affinage. De façon similaire,

les indices de protéolyse secondaire de ces fromages ont augmenté de 3,8, 3,1 et 2,8 %

à 8,8, 8,2 et 7,8 % (figure 3.10). La diminution de la vitesse de protéolyse en fonction du

facteur de concentration des laits a également été observée par Guinee et al. (1994; 1996).

La lenteur de la protéolyse peut être attribuée à une multitude de facteurs incluant un ratio

présure/caséine plus faible que pour le fromage témoin (Green et al. 1981a), l’inhibition de

l’activité de la plasmine par la présence d’une plus grande proportion de protéines sériques

dans les fromages (Qvist et al. 1987), la concentration d’inhibiteurs de protéinases et de

peptidases lors du processus d’ultrafiltration (Hickey et al. 1983), la résistance naturelle des

protéines du lactosérum à la dégradation enzymatique (Koning et al. 1981), la diminution

du taux d’humidité des fromages (Thomas & Pearce 1981) et la diminution du ratio

surface/volume du réseau de protéines (Green et al. 1981b). Cependant, une même vitesse

de protéolyse aurait pu être obtenue entre les fromages si la quantité de présure ajoutée aux

laits de fromageries avait été ajustée afin de respecter un même ratio présure/caséine

4,80

4,85

4,90

4,95

5,00

5,05

5,10

1 16 30 63 92

pH

(u

nit

é d

e p

H)

Temps d'affinage (jour) 1x 1,4x 1,8x

A AB

A

AB C

A

A AB C

A

B C D

A

B C D E

A

C D E F

A

D E F G

A

E F G

A

F G H

F G

H G

H

H H

84

(Creamer et al. 1987). Ce qui aurait, en contrepartie, accéléré le temps de coagulation (et le

temps de fabrication) des laits enrichis, modifiant possiblement la composition des

fromages.

Figure 3.9: Indice de protéolyse primaire des fromages lors de l'affinage

Figure 3.10: Indice de protéolyse secondaire des fromages lors de l’affinage

3.4.10. Texture des fromages pendant l’affinage

L’évolution de la texture des fromages lors de l’affinage est présentée aux

figures 3.11 à 3.14. En raison de sa protéolyse plus élevée, le fromage témoin possédait une

dureté significativement plus faible que les fromages faits de laits enrichis, et ce, peu

importe le temps d’affinage (figure 3.11). En effet, la dureté des fromages 1x, 1,4x et 1,8x a

varié respectivement de 0,09, 0,13 et 0,14 MPa en début d’affinage à 0,06, 0,09

0

5

10

15

20

25

1 16 30 63 92

NSE

/NT

(%)

Temps d'affinage (jour) 1x 1,4x 1,8x

0

2

4

6

8

10

12

1 16 30 63 92

NST

CA

/NT

(%)

Temps d'affinage (jour)

1x 1,4x 1,8x

A

D C

B B

C D

FG

I H

F E E G G

H

I

EF

D

E C

D

B

C

AB A

AB C

D E

F

I

H

I H

G

FG

85

et 0,11 MPa au jour 92. Malgré ces différences, la diminution de la dureté entre les jours 16

et 92 d’affinage était statistiquement comparable entre les fromages témoins 1,4x et 1,8x

(0,03 MPa). Ces résultats sont en accord avec la littérature. Comme démontré par Guinee et

al. (1996), les fromages fabriqués à partir de laits enrichis en protéines possèdent une plus

grande résistance au stress et aux fractures qu’un fromage Cheddar standard. De façon

générale, l’élasticité (figure 3.12) et la cohésion (figure 3.13) des fromages suivaient la

même tendance que la dureté. En effet, tout au long de l’affinage, les valeurs d’élasticité et

de cohésion des fromages témoins étaient plus faibles que celles des fromages 1,4x et 1,8x.

En raison d’une teneur en matières grasses similaires, l’adhérence des fromages a été le

seul paramètre à demeurer constant (- 0,0046 MPa.sec) dans le temps et entre les types de

fromages (figure 3.14).

Figure 3.11: Évolution de la dureté des fromages pendant l'affinage

Figure 3.12: Évolution de l'élasticité des fromages pendant l'affinage

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

16 30 63 92

Du

reté

(M

Pa)

Temps d'affinage (jour) 1x 1,4x 1,8x

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

16 30 63 92

Élas

tici

té

Temps d'affinage (jour)

1x 1,4x 1,8x

B

A

AB

C

AB

E

C

D

B

C B

A A

E D

D D

EF

G

DE

F

CD

E

BCD

A CD

E

CD

E

H

G

H

F

G

86

Figure 3.13: Évolution de la cohésion des fromages pendant l'affinage

Figure 3.14: Évolution de l’adhérence des fromages pendant l’affinage

3.4.11. Stabilité de la vitamine D lors de l’affinage

La concentration en vitamine D des fromages pendant l’affinage est présentée à la

figure 3.15. Aucune dégradation de la vitamine D n’a été observée lors de l’affinage des

fromages. En effet, la teneur en vitamine D des fromages témoins (3019 UI/g), 1,4x

(2170 UI/g) et 1,8x (1790 UI/g) après 92 jours d’affinage était statistiquement similaire à

celles respectivement retrouvées après pressage (3103, 2267 et 1817 UI/g). De façon

similaire, la concentration de vitamine D par gramme d’azote total pour les fromages

témoins, 1,4x et 1,8x était stable à 12215, 8815 et 7042 UI/g NT tout au long de l’affinage.

Ces résultats sont en accord avec divers auteurs ayant utilisé la même émulsion de

vitamine D pour fortifier des fromages Cheddar expérimentaux affinés pendant 3 mois

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

16 30 63 92

Co

hé

sio

n

Temps d'affinage (jour)

1x 1,4x 1,8x

-0,007

-0,006

-0,005

-0,004

-0,003

-0,002

-0,001

0,000

16 30 63 92

Ad

hé

ren

ce (

Mp

a.Se

c)

Temps d'affinage (jour)

1x 1,4x 1,8x

G

FG

EF

DE

F

CDE

BC

D

AB

C

AB A

AB

C

BCD

F

G

A

A

A A A

A A

A

A A A A

87

(Kazmi et al. 2007), 5 mois (Banville et al. 2000) ou 12 mois (Wagner et al. 2008a). Dans

le dernier cas, la vitamine D3 s’était montrée stable autant dans un fromage standard que

réduit en gras, signifiant que la stabilité de la vitamine D ne serait pas reliée à la teneur en

matières grasses, mais plutôt aux conditions d’affinage. L’environnement anaérobie imposé

par l’emballage sous vide, jumelé à la basse température d’entreposage et à l’absence

d’exposition à la lumière permettraient de prévenir l’oxydation de la vitamine D dans un

fromage de type Cheddar.

Les fromages expérimentaux produits étaient cependant trop concentrés en

vitamine D pour être consommés. En effet, en considérant les valeurs quotidiennes

recommandées par le guide d’étiquetage de l’agence d’inspection des aliments (200 UI)

(Agence canadienne d'inspection des aliments 2013) et par l’Institute of Medecine (600 UI)

(Institute of Medecine 2011), un seul gramme du fromage 1,8x permettrait de combler

respectivement entre six et trois fois la quantité journalière de vitamine D requise chez une

personne d’âge adulte. Dans le cas présent, en considérant les rendements fromagers et les

coefficients de rétention en vitamine D propres à chacun des fromages, les laits de

fromagerie auraient dû être fortifiés à des concentrations de 0,29, 0,41 et 0,50 UI/g afin

d’obtenir la concentration maximale de vitamine D (2 UI/g, 30 % VQ/portion de 30 g)

permise dans le fromage (Agence canadienne d'inspection des aliments 2013).

Figure 3.15: Stabilité de la vitamine D lors de l'affinage

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1 16 30 63 92

Vit

amin

e D

(U

I/g)

Temps d'affinage (jour) 1x 1,4x 1,8x

A A A A A

B B B

B B

C C C C C

88

3.5. Conclusion

Cette étude effectuée à l’échelle pilote tend à démontrer qu’il est possible, grâce à

l’utilisation de grands bassins de fromagerie, d’améliorer la rétention de la vitamine D en

éliminant, par procédé d’ultrafiltration, une partie du lactosérum avant la coagulation du

lait. En plus de résister à la pasteurisation du lait et à la période d’affinage du fromage, la

vitamine D n’est pas affectée par les différentes étapes de la production fromagère. À la

lumière de ces résultats, le fromage de type Cheddar produit à partir de lait ultrafiltré

s’avérait être un vecteur intéressant pour l’introduction d’une source alternative de

vitamine D pour les consommateurs.

3.6. Remerciements

Ce travail a été supporté financièrement par les Producteurs Laitiers du Canada

(PLC), le Centre de Recherche et de Développement sur les Aliments (CRDA)

d’Agriculture et Agro-alimentaire Canada (AAC), ainsi que l’Université Laval. Les auteurs

remercient Gaétan Bélanger, Annie Caron, Sophie Turcot et Julien Baret pour leurs

conseils éclairés et leur soutien technique.

89

Conclusion générale

L’hypothèse de recherche de ce projet stipulait que la fabrication de fromages de

type Cheddar à partir de laits concentrés par ultrafiltration permettrait de limiter la quantité

de lactosérum égoutté et donc, d’améliorer la rétention de la vitamine D. Afin de valider

cette hypothèse, différentes concentrations protéiques ont été testées à l’échelle laboratoire

et à l’échelle pilote.

Les fabrications à l’échelle laboratoire ont permis de conclure que la vitamine D n’a

pas d’effet sur l’activité des ferments lactiques, qu’elle se disperse de façon uniforme dans

un lait de fromagerie et qu’elle résiste à l’ensemble des étapes de production fromagère. De

plus, l’ajustement des différents paramètres de fabrication a permis d’obtenir des temps de

production similaires entre les différents facteurs de concentrations étudiés. Malgré que la

concentration préalable des laits de fromagerie ait permis de réduire la quantité de

lactosérum égoutté et d’augmenter les rendements fromagers, la faible taille des bassins de

fromagerie n’a cependant pas permis d’améliorer la rétention de la vitamine D au sein des

fromages.

La mise à l’échelle des productions fromagères a été réalisée afin d’étudier l’impact

de la taille des bassins sur la rétention de la vitamine D. Contrairement aux productions à

l’échelle laboratoire où la perte de vitamine D lors de l’égouttage augmentait de façon

exponentielle en fonction de la teneur en protéines des laits, la perte en vitamine D des

productions à l’échelle pilote diminuait de façon exponentielle selon le facteur de

concentration utilisé. De plus ces résultats ont permis de confirmer la stabilité de la

vitamine D lors des différentes étapes de production du fromage, incluant une période

d’affinage de trois mois.

Ce travail a permis d’acquérir de nouvelles connaissances relativement à

l’utilisation de la vitamine D pour la fortification du fromage de type Cheddar. Par contre,

une étude plus approfondie de la capacité de rétention de la vitamine D dans le fromage en

fonction de sa concentration dans le lait de fromagerie serait nécessaire afin de définir les

causes exactes des différences de rétention de la vitamine D observées dans cette étude.

90

Cependant, les résultats obtenus démontrent le potentiel du fromage Cheddar comme

nouvelle source alimentaire de vitamine D.

91

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99

Annexes

Annexe 1 : Composition moyenne des ingrédients utilisés pour la standardisation des laits

concentrés

Tableau A 1 : Mini-fromagerie

Ingrédients NT (%) NC (%) NNC (%) MG (%) HUM (%) LAC (%)

Rétentat 10,66 7,65 3,01 1,03 82,79 4,10 Lait écrémé 3,43 2,57 0,86 0,22 90,66 4,79 Crème 1,74 45,28 49,98

Tableau A 2 : Usine pilote

Ingrédients NT (%) NC (%) NNC (%) MG (%) HUM (%) LAC (%)

Rétentat 11,67 8,34 3,32 0,90 82,15 3,88 Lait écrémé 3,17 2,31 0,86 0,22 91,24 4,52 Crème 1,85 39,31 55,14

100

Annexe 2 : Exemple de calcul matriciel inverse

Tableau A 3 : Élaboration d’un lait concentré 2x pour une fabrication à l’échelle laboratoire

Lait écrémé Crème Rétentat UF Cibles

Matrice principale NT 0,0343 0,0174 0,1066 6,70 Kg de protéines MG 0,0022 0,4528 0,0103 7,36 Kg de gras Total 1,0000 1,0000 1,0000 100,00 Kg de mélange Matrice inverse NT -13,526 -2,727 1,470 36,30 Kg de lait écrémé MG -0,248 2,210 0,004 14,98 Kg de crème Total 13,773 0,517 0,517 48,73 Kg de rétentat 100,00 Kg de mélange

101

Annexe 3: Fiche de Kingsway Chocolate

102

Annexe 4 : Montage expérimental utilisé pour les mini-fabrications

La figure A1 représente le montage utilisé pour la production à petite échelle de

fromages de type Cheddar. Les trois bassins à double paroi étaient reliés en série à un bain

thermostaté. Les tuyaux étaient enveloppés d’un isolant (en noir) afin de diminuer les

pertes de chaleur entre les bassins. Ces derniers étaient également isolés avec du papier

d’aluminium afin d’éviter la perte de chaleur et la dégradation de la vitamine D par la

lumière. Les palles hélicoïdales étaient montées sur des moteurs à air comprimé dont la

force de rotation pouvait être ajustée. La grande taille des agitateurs, comparativement à

l’étroite largeur des bassins, a occasionné des difficultés lors de l’étape de cuisson.

Le coagulum avait une forte tendance à s’agglomérer autour de l’agitateur (figure A2).

L’hélice devait donc être retirée à intervalles réguliers afin de couper le coagulum. Lors du

pressage, les caillés étaient insérés dans des petits moules et pressés à l’abri de la lumière

avec un poids de 1450 grammes (figure A3). Les meules de fromage obtenues étaient

emballées sous vide et conservées à 4°C à l’obscurité.

Figure A 1 : Montage expérimental utilisé pour la fabrication fromagère à l’échelle laboratoire

103

Figure A 2 : Agglomération du coagulum autour de la palle hélicoïdale lors de la cuisson

Figure A 3 : Pressage et meules de fromage

104

Annexe 5 : Test de Pearce modifié

Le test de Pearce permet de simuler à l’échelle laboratoire le profil de température

typique d’une fabrication fromagère de type Cheddar, sans l’étape d’emprésurage. La phase

1, s’échelonnant sur une période de 60 minutes, correspond à la période d’acidification du

lait après l’ajout du ferment lactique. La seconde phase représente la montée en température

de 32 à 38°C qui s’effectue suite au décaillage du coagulum tandis que la phase 3

symbolise la période de cuisson à 38°C. La 4e phase, de par sa diminution en température,

correspond à l’étape du soutirage, alors que la dernière phase représente l’étape de

cheddarisation caractéristique des fromages Cheddar.

Figure A 4 : Paramètres de temps et de température du test de Pearce modifié

105

Annexe 6 : La chambre noire

Une chambre noire a été créée afin d’éviter les risques de dégradation de la

vitamine D par la lumière (photo-oxydation) lors des étapes d’extraction. Les couvres

fluorescents de la pièce fermée ont été remplacés par du plexiglass recouvert d’une

pellicule rouge permettant de diminuer considérablement l’exposition de la vitamine D aux

longueurs d’ondes situées entre 400 et 575 nm, soit du violet au jaune (figure A5).

Figure A 5 : Luminosité de la chambre noire avec et sans filtre

0,00E+00

5,00E-05

1,00E-04

1,50E-04

2,00E-04

2,50E-04

3,00E-04

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Lum

ino

sité

(µ

W/c

m2

/nm

)

Longueur d'onde (nm) Luminosité normale Luminosité avec filtre rouge