Brevet FR2583267A1 — publié le 19861219

Procédé de séparation des protéines du lactosérum La présente invention concerne un procédé de sépa- ration des protéines du lactosérum. Les protéines du lactosérum sont divisées en trois groupes principaux: les albumines, les globulines et les protéoses peptones. Les albumines comprennent la bêta-lactoglobuline, l'alpha-lactalbumine et la sérum- albumine, et représentent la fraction majeure des pro- téines du lactosérum. La bêta-lactoglobuline est une protéine caractéristique des ruminants. L'alpha- lactalbumine se trouve dans le lait de tous les mammifères et représente une protéine majeure du lait humain. Elle trouve une application importante dans la préparation des laits maternisés, et des préparations lactées non allergènes contenant de la caséine et de l'alpha-lactalbumine pour l'alimentation des nourrissons qui présentent une allergie à la bêtalactoglobuline du lait de vache. De nombreuses méthodes ont été proposées pour séparer ensemble toutes les protéines du lactosérum, par exemple par précipitation par la chaleur, ou encore par réaction avec des polyélectolytes pour former des agrégats protéiques. D'autres méthodes mettent en oeuvre d'autres agents précipitants tels que la carboxyméthylcellulose, l'acide polyacrylique, les polyphosphates ou encore le lauryl- sulfate de sodium... Toutefois, ces procédés ne permettent pas de séparer individuellement les diverses protéines du lactosérum et les protéines ainsi récupérées ne présentent pas une bonne solubilité; de plus, il est très difficile d'éli- miner l'agent de précipitation mis en oeuvre dans ces procédés. La concentration des protéines du lactosérum réalisée couramment par ultrafiltration permet l'obten- tion de concentrés protéiques de bonne solubilité mais ne permet pas non plus de séparer les différents cons- tituants protéiques du lactosérum entre eux. La séparation des constituants protéiques peut être réalisée par chromatographie sur colonnes d'échan- geurs d'ions en mettant en série une batterie de plusieurs colonnes d'échangeurs d'ions de fonctions différentes et en percolant successivement le produit à traiter sur les- dites colonnes; il est ainsi possible de séparer la bêta-lactoglobuline, les globulines, et l'alpha-lactal- bumine. Toutefois, cette technologie présente l'inconvénient d'être difficile à mettre en oeuvre et exige un lourd investissementla capacité d'absorption des lacto-protéines sur les échangeurs d'ions étant faible: 100 mg de protéines/gramme d'échangeur. Les inventeurs ont constaté qu'il est possible de séparer sélectivement les diverses protéines du lacto- sérum par un traitement thermique du lactosérum préalable- ment amené dans des conditions précises de pH, de force ionique et de concentration. La présente invention a donc pour objet un procédé simple et de faible coût d'exploitation pour la séparation sélective des protéines du lactosérum entre elles, et plus particulièrement pour la séparation sélective de l'alpha- lactalbumine du lactosérum, ledit procédé comportant un traitement thermique du lactosérum préalablement concen- tré à une teneur en matières sèches de 10 à 40% en poids, et acidifié à un pH inférieur à 4, et de préférence égal à 3-3,5, ledit traitement thermique étant effectué à une température ne dépassant pas 75 C, de préférence de 45 à 75 C, et plus particulièrement de 50 à 55 C, pendant une durée de 15 secondes à 1 heure, ce traitement thermi- que étant suivi de la récupération de l'alpha-lactalbumine qui a précipité et éventuellement des autres lacto- protéines restant en solution dans le lactosérum résiduel. Plus particulièrement, le procédé selon l'invention comporte essentiellement les étapes suivantes: (1) concentration du lactosérum jusqu'à une teneur en matières sèches de 10 à 40 % en poids, (2) acidification du lactosérum concentré à un pH inférieur à 4, de préférence égal à 3-3,5 (3) traitement thermique du lactosérum concentré et acidifié à une température ne dépassant pas 75 C, de préférence de 45 à 75 C, plus particulièrement de 50 à C, pendant une durée de 15 secondes à 1 heure, (4) récupération de l'alpha-lactalbumine sous forme de précipité et éventuellement des autres lacto-protéines restant en solution dans le lactosérum résiduel. Selon une variante du procédé, on inverse les éta- pes de concentration et d'acidification du lactosérum, et le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes: (1) acidification du lactosérum à un pH inférieur à 4, de préférence égal à 3-3,5 (2) concentration du lactosérum acidifié jusqu'à une teneur en matières sèches de 10 à 40 % en poids (3) traitement thermique du lactosérum acidifié et concentré, à une température ne dépassant pas 75 C, de préférence de 45 à 75 C, plus particulièrement de à 55 C, pendant une durée de 15 secondes à 1 heure, (4) récupération de l'alpha-lactalbumine sous la forme d'un précipité et éventuellement des autres lacto- 3C protéines restant en solution dans le lactosérum rési- duel. Le lactosérum que l'on peut utiliser dans le présent procédé peut être; par exemple un lactosérum de fromage- rie obtenu après coagulation du lait par de la présure ou par acidification lactique, ou un lactosérum de casé- inerie obtenu par fermentation lactique, acidification directe ou par échange d'ions du lait. Les lactosérums préférés sont les lactosérums de caséine et plus particulièrement ceux obtenus après séparation de la caséine, tels que décrits dans le brevet français N 80 08 644. Composition moyenne des lactosérums Lactosérum Lactosérum Lactosérum Ode caséine (par de caséinede échange d'ions) (à l'acide fromagerie I chlorhydrique) Matière sèche (g/l) 60-65 60-65 ' 62-65 Matières azotée totale % ES (N X 6,38) 10,5 10,5-11,5 12,5 Matière azotée non protéique Z ES (N) 0,4 0,4-0,5 0,5-0,7 Matières minérales % ES 7,25 10,5-12 8 -8,5 Matière grasse % ES 0,5 0,5 1 pH 4,6 4, 6 6,0-6,4 Calcium % ES 1,2 1,8-2 0,5-0,65 Sodium Z ES 0,45 0,7-0,9 0,7-0, 75 Potassium Z ES 1,25 2,4-2,6 2,2-2,4 -_5 Chlorures % ES (exprimé en NaCl) 2,95 7 -7,5 2,8-3,0 Phosphore Z ES 1,25 I -1,3 0,55-0,7 ES = extrait sec. La concentration du lactosérum peut être réalisée par les moyens traditionnels utilisés dans l'industrie laitière comme par exemple la concentration thermique sous vide, ou l'osmose inverse, ou l'ultrafiltration. Il est préférable de procéder par osmose inverse car elle permet de limiter les chocs thermiques et d'éviter la dénaturation des protéines. Par osmose inverse, la concentration est techniquement possible jusqu'à une teneur de 25 Z de matières sèches. Il est possible techniquement de réaliser la concen- tration par ultrafiltration pour une réduction volumétri- que de 5 à 10 volumes. Pour une concentration inférieure à 10 % en matières sèches, on n'observe pas de précipitation notable de protéine dans l'étape de traitement thermique. Pour une concentration supérieure à 40 % de mati- ères sèches, le lactosérum présente une viscosité élevée et la séparation des protéines précipitées devient déli- cate. L'ajustement du pH du lactosérum peut être réalisé par des techniques classiques, par exemple par addition d'acide ou par échange de cations. L'échange de cations effectué sur une résine échangeuse d'ions sous forme H+ est préféré car il permet également d'obtenir une réduc- tion de la teneur des ions minéraux. Les résines échan- geuses d'ions appropriées et les techniques d'échange de cations sont celles mentionnées dans le brevet fran- çais 80 08 644 et dans la demande de brevet français 82 12 126. Lorsqu'on emploie des résines échangeuses de cations faiblement acides, la totalité du lactosérum est traitée sur ces résines jusqu'à l'obtention du pH désiré. Lorsqu'on emploie des résines échangeuses de cations fortement acides, on acidifie d'abord une partie du lac- tosérum jusqu'à un pH de 1,5 à 2 puis on le mélange au lactosérum restant pour amener le pH de l'ensemble à la valeur choisie. A un pH supérieur ou égal à 4, on n'observe pas de precipitation sélective de lacto-protéines dans le trai- tement thermique ultérieur. La limite inférieur de l'intervalle de pH est de 1,5 mais il n'y a pas intérêt du point de vue économique à descendre au dessous de pH 3. Le traitement thermique est modéré et effectué à une température inférieure ou égale à 75 C, de préférence de 45 à 75 C, et mieux de 50 à 55 C. La durée du traitement est comprise entre 15 secondes et 1 minute pour les températures de 75 C à 60 C et de I minute à 1 heure pour les températures de 60 C à 45 C. La limite supérieure de l'intervalle de température est fixée à 75 C pour éviter la dénaturation des protéines du lactosérum. La limite inférieure à 45 C est choisie pour limiter la durée du traitement à une valeur raisonnable indus- triellement. A cette température, la précipitation sélec- tive des lacto-protéines demande déjà une durée minimale de 1 heure; au dessous de 45 C, il y a risque de dévelop- pement bactérien. L'intervalle de 50-55 C permet d'éviter la dénatura- tion thermique des lactoprotéines tout en permettant une protection hactériostatique. L'ordre des opérations acidification-concentration- traitement thermique se révèle favorable dans le cas ou la concentration est réalisée par évaporation sous vide. Dans ce cas, lorsque la concentration est conduite avant l'acidification, il y a risque de précipitation des sels de calcium et encrassement du concentrateur; par contre, lorsque l'acidification est conduite avant la concentra- tion, les sels de calcium sont totalement solubilisés et maintenus stables pendant l'opération de concentration. La fraction protéique précipitée sélectivement, en l'occurrence l'alphalactalbumine, est séparée par les moyens connus habituels: centrifugation, filtra- tionetc.Les fractions protéiques non précipitées conte- nues dans le lactosérum résiduel peuvent être séparées en leurs constituants par chromatographie, ou'bien le lactosérum résiduel contenant les fractions protéiques non précipitées peut être concentré par ultrafiltration pour préparer un concentré protéique pour des applications alimentaires particulières. D'une manière générale, on procède de la manière suivante: - le lactosérum contenant l'ensemble des lacto- protéines est débarrassé des fines de caillé et de la matière grasse libre résiduelle par centrifugation. Le lactosérum écrémé et clarifié est soumis à la concentration par osmose inverse à une température de 10 à 55 C et de préférence à 50-52 C jusqu'à une teneur en extrait sec de 15 à 25%. Le lactosérum concentré est acidifié de pré- 10. férence par échange d'ions utilisant les résines échangeuse de cations sous forme H+ et les techniques d'échange de cations décrites dans le brevet francais N 80 08 644 et dans la demande N 82 12 126 à une valeur de pH comprise entre 3,0 et 3,5. lb - le lactosérum concentré acidifié est traité thermi- quement à une température de 50 à 55 C pendant 30 minutes à I heure dans une cuve sous agitation modérée. - le précipité protéique qui contient essentiellement l'alphalactalbumine est séparé par centrifugation puis lavé avec une quantité suffisante d'eau acidulée. - l'alpha-lactalbumine mise en dispersion dans l'eau ou solubilisée après neutralisation est séchée par atomisation. On décrit l'invention dans les exemples non limita- tifs suivants. Exemple 1: Séparation de l'alpha-lactalbumine du lacto- sérum de caséine a) Concentration du lactoserum: 1 de lactosérum de caséine à pH 4,6 (Extrait sec 55 g/l) sont débarrassés des fines de caillé par séparation centrifuge puis soumis à la concentration par osmose inverse à 50 C jusqu'à l'obtention d'une teneur en matière sèche de 20% (27,5 Kg de concentré). b) Acidification par échange d'ions: Le concentré de lactosérum refroidi à 8 C est perco- lé à travers d'une colonne de 2 litres de résines échan- geuses de cations sous forme H+ "Duolite C26". Le débit est d'environ 7,5 Kg/heure et la durée du traitement est de 3 heures et demie. Le pH du lactosérum est abaissé de cette façon à 3,45. c) Traitement thermigue: Le lactosérum acidifié est réchauffé par l'intermé- diaire d'un échangeur à plaques à 52 C et maintenu à cette température dans une cuve thermostatée pendant minutes. d) Séparation de l'alúha-lactalbumine et séchage: Le mélange refroidi à 10 C est soumis à une sépara- tion centrifuge. La protéine précipitée est.séparée et lavée avec 10 1 d'eau acidifiée et soumise à une nouvel- le séparation centrifuge. Après mise en dispersion dans l'eau, le produit est séché par atomisation. On recueille de cette façon l'alphalactalbumine sous la forme d'une poudre, contenant 4,75 % d'humidité et 86,45 % en poids d'alpha-lactalbumine. Le liquide surnageant est soumis à l'analyse par chromatographie liquide haute performance en comparai- son avec le lactosérum de départ; les chromatogrammes obtenus sont représentés sur les figures la et lb du dessin ci-joint pour le lactosérum de départ (Figure la) et pour le lactosérum résiduel après traitement thermique et séparation des protéines précipitées (Figure lb). Le pic A correspondant à l'alpha-lactalbumine (temps de rétention de 11, 49 miz) qui figure nettement dans le chromatogramme du lactosérum de départ (Fig la) a disparu sur le chromatographe du lactosérum résiduel (Fig lb). Par contre, le pic B correspondant à la bêta-lactoglobu- line (temps de rétention de 10,66 min) figure sur les deux chromatogrammes. Essai comparatif A (sans concentration préalable): 1 de lactosérum de caséine écrémé sont acidi- fiés comme précédemment à une valeur de pH de 3,43. Après réchauffage à 52 C, le lactosérum est maintenu à cette température pendant 30 minutes. Aucune précipitation de protéines ne se produit; le maintien en température est prolongé pendant 30 minu- tes supplémentaires sans précipitation. Essai comparatif B (sans acidification): 1 de lactosérum de caséine écrémé sont soumis à la concentration par osmose inverse jusqu'à l'obtention d'un extrait sec de 20 % puis réchauffés à 52 C et main- tenus à cette température pendant 1 heure. On n'observe pas de précipitation de protéines. Exemple 2: a) Acidification.ar échange d'ions: 1 de lactosérum de caséine à pH 4,6 (extrait sec 55 g/l) sont débarrassés des fines de caillé par séparation centrifuge, puis refroidis à 8 C et percolé au travers d'une colonne d'échangeurs de cations sous forme H+ "CCR2" de Dow Chemical jusqu'à abaissement du pH du lactosérum à 3,45. b) Concentration du lactoserum: Le lactosérum acidifié est soumis à une concentra- tion par osmose inverse à 50 C jusqu'à l'obtention d'une teneur en matière sèche de 20%. c) Traitement thermique: Le lactosérum acidifié et concentré est traité comme dans l'exemple 1; il est réchauffé dans un échan- geur à plaques à 52 C et maintenu dans une cuve thermo- statée pendant 30 minutes. d) Séparation de l'al2ha-lactalbumine et séchage: Le mélange refroidi à 10 C est soumis à une séparation centrifuge. La protéine précipitée séparée et lavée avec 10 1 d'eau acidifiée et soumise à une nouvelle séparation centrifuge. Après mise en dispersion dans l'eau, le produit est séché par atomisation. On recueille de cette façon l'alpha- lactalbumine sous la forme d'une poudre ayant la composition indiquée à l'exemple I. Il RE V E N D I C A T IONS 1. Procédé pour la séparation sélective des protéines du lactosérum et plus particulièrement pour la séparation sélective de l'alpha-lactalbumine du lactosérum, caracté- risé en ce qu'il comporte un traitement thermique du lactosérum préalablement concentré à une teneur en matiè- res sèches de 10 à 40 % en poids et acidifié à un pH inférieur à 4, ledit traitement thermique étant effectué à une température ne dépassant pas 75 C, de préférence de 45 à 75 C pendant une durée de 15 secondes à I heure, ce traitement thermique étant suivi de la récupération de l'alphalactalbumine sous la forme d'un précipité et éventuellement des autres lacto-protéines restant en solu- tion dans le lactosérum résiduel. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement les étapes suivantes: (1) concentration du lactosérum jusqu'à une teneur en matières sèches de 10 à 40 % en poids, (2) acidification du lactosérum concentré à un pH inférieur à 4, (3) traitement thermique du lactosérum concentré et acidifié à une température ne dépassant pas 75 C, de préférence de 45 à 75 C, pendant une durée de 15 secondes à I heure, (4) récupération de l'alpha- lactalbumine sous la forme d'un précipité et éventuellement des autres lacto-protéines restant en solution dans le lactosérum résiduel. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement les étapes suivantes: (1) acidification du lactosérum à un pH inférieur à 4, (2) concentration du lactosérum acidifié jusqu'à une teneur en matières sèches de 10 à 40 % en poids, (3) traitement thermique du lactosérum concentré et acidifié à une température ne dépassant pas 75 C, de préférence de 45 à 75 C, pendant une durée de 15.secondes à 1 heure, (4) récupération de l'alpha-lactalbumine sous la forme d'un précipité et éventuellement des autres lacto- protéines restant en solution dans le lactosérum résiduel. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que la concentration est effectuée par osmose inverse à une teneur en matières sèches ne dépas- sant pas 25 % en poids. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que l'acidification du lactosérum se fait dans l'intervalle de 3 à 3,5. 6. Procédé selon l'une des revendications I à 4, carac- térisé en ce que l'acidification est effectuée par échan- ge d'ions à l'aide d'une résine échangeuse de cations sous forme H+. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le traitement thermique est effectué à une température de 45 à 75 C, de préférence de 50 à 55 C pendant une durée de 15 secondes à 1 minute pour les températures de 75 C à 60 C et de I minute à 1 heure pour les températures de 600C à 450C. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le lactosérum est préalablement écrémé et clarifié. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que l'alpha-lactalbumine précipitée est sépa- rée par centrifugation, lavée, et séchée par atomisation. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le lactosérum est un lactosérum de froma- gerie, ou un lactosérum de caséinerie. 11. Alpha-lactalbumine obtenu à partir du lactosérum par le procédé selon l'une des revendications précédentes 1 à 10.