Brevet FR2701359A1 — publié le 19940819

PROCEDE POUR DENITRIFIER ET DEMINERALISER, AU MOINS PARTIELLEMENT, UN JUS DE LEGUMES ET JUS AINSI OBTENU La présente invention concerne un procédé pour dénitrifier et déminéraliser, au moins partiellement, un jus de légumes. Elle se rapporte également au jus ainsi obtenu, ainsi qu'à ses dérivés tels qu'un concentré ou une poudre. Par le terme "dénitrifier", on entend dans l'ensemble de la présente demande, y compris les revendications, le fait d'enlever les nitrates et les nitrites. Les nombreuses recherches visant à développer des technologies de dénitrification ont été menées, pour la plus grande part, dans le but de dénitrifier les eaux destinées à la consommation humaine. Au cours des dix dernières années, la pollution des eaux souterraines par les nitrates n'a cessé d'augmenter. A titre d'exemple, en 1992, près de deux millions de personnes consommaient en France une eau contenant plus de 50 mg/l de nitrates, seuil fixé par une directive européenne de juillet 1980. Et les teneurs en nitrates ont encore augmenté : il n'est pas rare aujourd'hui de trouver des nappes phréatiques renfermant plus de 100 mg/l de nitrates. Il est bien connu qu'au delà d'une concentration maximale admissible, les nitrates sont responsables de méthémoglobinémie, intoxication mortelle par empoisonnement du sang chez les enfants. Avec le développement de l'agriculture intensive, il n'est pas rare de trouver des légumes renfermant jusqu'à 3 000 mg/kg de nitrates. A titre d'exemple, sur le marché du frais, il est possible de trouver des carottes, des betteraves rouges ou des épinards renfermant respectivement jusqu'à 700, 2 000 et 3 000 mg nitrates/kg de broyat frais. L'opinion publique n'est pas, pour l'instant, focalisée sur ce problème d'accumulation des nitrates dans les légumes. Pourtant, les légumes contribuent pour une part importante à l'absorption des nitrates par l'organisme. Des nutritionnistes ont calculé que la consommation de légumes est responsable de environ 70 % de l'absorption journalière des nitrates (dans le cas d'un régime occidental normal). Les recherches récentes pour dénitrifier les purées, jus ou extraits de légumes se sont appuyées sur les acquis des "industriels de l'eau", mais n'ont pas connus les mêmes succès. Les jus de légumes sont des milieux infiniment plus complexes que l'eau, dans lesquels il faut conserver les arômes, les pigments et l'ensemble des molécules contribuant à la notion organoleptique (flaveur), et les solutions disponibles-sont beaucoup moins nombreuses que dans le cas de l'eau. Les techniques appliquées à l'eau sont de nature physicochimique ou biologique. La voie physico-chimique fait appel à plusieurs technologies. Il s'agit en particulier des résines échangeuses d'ions, de l'osmose inverse et de l'électrodialyse. Ces deux dernières techniques n'ont pas encore été appliquées industriellement, exceptée l'osmose inverse pour le dessalement de l'eau de mer. Les contraintes liées à un traitement biologique de l'eau en limitent le développement En effet, il est nécessaire de prendre en compte différents paramètres, difficilement maîtrisables industriellement (utilisation de plusieurs souches bactériennes, apport de nutriments carbonés, contrôle des conditions de développement des micro-organismes, etc.). Les légumes destinés au marché du frais, destinés à être commercialisés réfrigérés, cuits sous vide, en conserves ou congelés (entiers ou en morceaux) ne peuvent pas techniquement être dénitrifiés. Dans ce cas, seule une sélection stricte des matières premières en amont de l'usine de transformation permet de respecter la teneur maximale tolérée en nitrates, ce qui implique un contrôle strict des pratiques culturales chez l'agriculteur. Il existe cependant une technique de dénitrification des eaux de lavage de ces légumes. Dans le cas des jus de légumes, et même des purées, des techniques de dénitrification faisant appel à la filière biologique ont été abondamment décrites. Les travaux de Gierscher et Hammes (1991) décrivent la réduction des nitrates à basse température par 2 souches bactériennes, Halomonas spec. et Paracoccus denitrificans, en leur faisant utiliser les nitrates comme accepteur final d'électron en milieu anaérobie. Cette technique a été perfectionnée en encapsulant les micro-organismes dans des billes d'alginate de calcium, ce qui facilite l'élimination des micro-organismes du milieu et les protège de l'oxygène. Toutefois, comme cela a été évoqué plus haut, cette voie de nature biologique requiert la parfaite maîtrise de nombreux paramètres techniques, ce qui est difficile à réaliser lors d'une production industrielle. Par ailleurs, on connaît une technologie biologique faisant appel à un mélange sélectionné de bactéries dénitrifiantes pour dénitrifier en milieu anaérobie divers jus ou purées issus de légumes tels que des betteraves rouges, raiforts, épinards, carottes, céleris ou choux. Ces technologies ne peuvent cependant éviter l'apparition de légers changements aromatiques, parfois associés à une légère fermentation lactique, l'impératif étant que les bactéries ne produisent pas de métabolites toxiques. Les technologies physico-chimiques de résines échangeuses d'ion et d'électrodialyse ne peuvent pas être utilisées, contrairement à ce qui se passe dans l'industrie de l'eau, pour dénitrifier des jus de légumes. Ces techniques ne peuvent fonctionner efficacement que sur des milieux limpides et très peu chargés, ce qui n'est pas le cas des jus de légumes. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant un procédé de dénitrification et de déminéralisation de jus de légumes qui puisse être mis en oeuvre simplement et efficacement, sans avoir à tenir compte de nombreux paramètres techniques difficilement maîtrisables, comme c'est le cas pour les techniques de nature biologique. Ce procédé est remarquable par le fait qu'il consiste à soumettre un jus de légumes, préalablement clarifié, à une opération de nanofiltration. Lorsque le jus à traiter est pigmenté, le procédé permet d'obtenir un extrait au moins partiellement dénitrifié et déminéralisé, et enrichi en pigments. Le rétentat de nanofiltration renferme donc les pigments tandis que le perméat contient les minéraux, les nitrates, les nitrites et les sucres courts. Selon des caractéristiques avantageuses du procédé - on réalise ladite opération de nanofiltration à l'aide d'au moins une membrane ayant un seuil de coupure compris entre 100 et 1 000 daltons, et de préférence compris entre 300 et 500 daltons ; - on réalise ladite opération de nanofiltration à l'aide d'au moins une membrane ayant un seuil de coupure de l'ordre de 400 daltons - la nanofiltration est réalisée à une température comprise entre environ 20 et environ 500 C - la nanofiltration est réalisée sous une pression différentielle comprise entre 30 x 105 et 50 x 105 Pa - le traitement de clarification consiste à soumettre le jus, avant la nanofiltration, à au moins une opération choisie dans le groupe suivant :: filtration, filtration centrifuge, microfiltration, ultrafiltration au moyen de membranes dont le seuil de coupure est compris entre 5 000 et 100 000 daltons; - au cours de la nanofiltration, on amène en continu la même quantité d'eau à traiter que la quantité de perméat éliminé (diafiltration) - préalablement à la nanofiltration, on introduit dans le jus une invertase, afin de dégrader le saccharose qui y est présent, en glucose et fructose - on traite un jus de betteraves, de carottes ou de champignons. L'invention concerne également les jus de légumes au moins partiellement dénitrifiés et déminéralisés, obtenus par la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus ainsi que les poudres et concentrés obtenus à partir de ces jus. La nanofiltration (NF), située entre l'osmose inverse (OI) et l'ultrafiltration (UF) en terme de pouvoir de séparation, utilise des membranes ayant des micropores d'un diamètre compris entre 0,01 et 0,0001 micromètres. Contrairement aux membranes d'OI qui tendent à rejeter tous les ions et minéraux, et ne peuvent séparer efficacement plusieurs espèces ioniques ou moléculaires (les membrances d'OI ne laissent passer que l'eau), la NF permet de séparer des molécules de faible poids moléculaires (PM), poids compris entre 400 et 1 000 daltons. La nanofiltration est beaucoup plus sélective que l'UF, les membranes d'UF ayant une porosité trop grossière pour rejeter sélectivement ions et minéraux et ne permettant de séparer que des molécules à haut poids moléculaire (PM supérieur à 1 000 daltons). Dans l'ensemble de la présente demande, y compris dans les revendications, on entend par jus clarifié, un jus de légumes qui a subi un traitement destiné à le débarasser au moins partiellement de ses particules solides, de telle sorte que la proportion de ces solides encore présente dans le jus traité, soit inférieure à 1 % en poids de la masse totale du jus. On entend également par "légumes", les légumes proprement dits, mais également les champignons. Dans le cas d'un jus de betteraves rouges, le traitement de nanofiltration peut être précédé des étapes suivantes qui consistent à a) laver et broyer les betteraves b) chauffer (blanchir) le broyat afin d'inactiver les enzymes qu'il contient c) presser le broyat obtenu pour en extraire le jus d) soumettre le jus obtenu à un enzymage pectolytique (s'il y a des traces de pectine dans le jus) e) clarifier le jus par filtration, filtration centrifuge, microfiltration ou ultrafiltration au moyen de membranes dont le seuil de coupure est compris entre 5 000 et 100 000 daltons, à une température comprise entre 20 et 500 C. On notera que ces étapes forment partie du processus traditionnel d'obtention d'un extrait concentré de betteraves rouges (colorant E 162), lequel se termine bien entendu par une concentration à basse température sous vide. Ce concentré renferme généralement 0,5 à 1,0 g de pigments pour 100 g de concentré. Le blanchiment a lieu de préférence entre 80" et 900 C pendant 1 à 5 minutes, et la pasteurisation est effectuée à une température de l'ordre de 85 -100 C pendant 10 à 30 secondes, avant un éventuel enzymage par une enzyme pectolytique à une température voisine de 45" C pendant 1 à 2 heures. Le procédé de l'invention permet non seulement de dénitrifier et déminéraliser les jus de légumes mais également de les enrichir en pigments par élimination des sucres courts. Il permet également de les stabiliser par élimination des minéraux et des métaux. Les sucres représentent environ 75 à 85 % de la matière sèche totale (MST) d'un concentré classique de jus de betterave rouge. Ils sont constitués principalement de saccharose (poids moléculaire = 360), de glucose et de fructose. La séparation des pigments (poids moléculaire approximatif = 530-550) des sucres par nanofiltration permet de valoriser des concentrés à faible pouvoir colorant. Les minéraux (Fe, K, Ca, etc.) représentent 6 à 8 % de la masse d'un concentré de jus de betterave rouge et contribuent à la déstabilisation des pigments. Leur élimination permet à la fois d'améliorer le pouvoir colorant du concentré final, par augmentation du rapport pigment/MST, et d'améliorer la stabilité des pigments. Le procédé de la présente invention sera illustré par les exemples de nanofiltration qui suivent. Dans ces exemples, des tableaux de résultats sont donnés. Dans ceux-ci, les abréviations suivantes ont respectivement les significations détaillées ci-après. P = pression de travail en Pa T = température ("C) "Brix = indique la teneur en sucre (mesure à l'aide d'un densimètre de Brix) MST = matière sèche totale (en g) DO 535 Sol 1 % = Densité optique lue à 535 nm pour une solution à 1 % B = traduit la mesure du pouvoir colorant ramené à 70" Brix (B = DO x 0Brix (B - 70 T (1 % de B) = mesure la limpidité p.p.m. = parties par million (équivalent à mg/kg) EXEMPLE 1 : Essai de nanofiltration d'un jus de betterave rouge sur une membrane MPT 20 La membrane utilisée est celle désignée MPT 20 et vendue par la société WeizmannMPW Ltd (Israël) sous la marque SelRO. Cette membrance présente les caractéristiques suivantes - surface membranaise = 0,1 m2 - 0 % de rétention sur NaCI - 75 % de rétention sur le glucose - 95 % de rétention sur le saccharose - seuil de coupure approximatif = 400-500 daltons. Les résultats sont donnés dans le tableau I ci-après (page 8). Analyse des résultats Le débit de perméat entre 40 et 50 I/h x mZ est satisfaisant à 30 x 105 Pa ; il descend progressivement en raison de la concentration croissante du retentat. Les pertes en pigments dans le perméat sont insignifiantes (0,60 unités de B). La concentration en pigments dans le rétentat est correcte + 62,8 % en moins de 3 heures de fonctionnement. Il y a une bonne élimination des sucres dans le perméat (plus de 6" Brix dans le perméat dès le démarrage de l'installation). Il y a une bonne élimination des nitrates : on part à 1 050 ppm dans un jus à 12,6 Brix pour finir, après 3 heures de nanofiltration, à 680 ppm dans un jus concentré à 25,8 Brix. Cela correspond à une élimination de 68 % des nitrates, à Brix identique en 3 heures de fonctionnement. La transmission décroît en raison de la concentration du rétentat en insolubles. Cet inconvénient peut être contré en soumettant le jus, préalablement à la nanofiltration, à un traitement de micro- ou ultrafiltration. EXEMPLE 2 : Essai de nanofiltration d'un jus de champignons sur une membrane MPT 20. Les conditions opératoires sont les mêmes que dans l'exemple précédent Les résultats de l'essai sont donnés dans la tableau II ci-après (page 9). TABLEAU I P T Débit Volume "Brix MST Minéraux DO 535 R T Nitrates Protéines Sucres pH Acidité (x105Pa) ( C) permeat (l) (%) Sol 1% (1% de (ppm) Nx6,25 Totaux neq/kg (1/h m2) 70 B) Concentré 110000 Lot G 70,8 4,58 50,0 6000 Dilution départ 7,5 12,6 11,3 0,609 0,767 4,36 47,0 1050 2,00 9,60 4,5 55 to à to + 1h Montés en P. jusqu'à 30 x 105 Pa. to + 1h: permeat 30 22 48,5 # 5,8 ratentat 7,5 13,0 to + 1h15: permeat 30 25 40,0 # 6,5 5,45 0,60 0,056 0,60 94,0 ratentat 7,5 13,0 15,0 to + 1h15: permeat 29 24 34,0 2,0 6,3 ratentat 5,5 16,5 to + 1h40: permeat 30 22 25,5 3,25 7,2 6,25 0,62 0,065 0,60 94,0 ratentat 4,25 17,6 15,76 0,906 1,33 5,29 44,0 to + 1h40: permeat 30 24 25,0 4,0 7,5 1680 1,30 4,80 ratentat 3,5 21,1 19,2 - 1,79 5,93 39,0 930 2,80 17,00 4,5 70 to + 2h40: permeat 30 25 15,5 5,4 7,2 6,0 0,63 0,062 0,60 94,0 4,6 65 ratentat 1,2 26,6 23,8 1,230 2,63 6,92 35,0 Moyenne permeat 5,5 7,2 6,8 0,63 0,062 0,60 94,0 1300 1,20 4,20 4,6 65 ratentat 1,6 25,8 23,4 1,22 2,61 7,10 35,8 680 1,70 21,40 4,55 100 TABLEAU II Concentré 122600 Lot G P T Débit Volume Brix MST Minéraux T900ns Sucres Protéines Nitrates pH + Eau déminéarlisée (105Pa) ( C) permeat (l) (%) (%) (1% à réducteurs (%) (ppm) (1/h m2) 65 ss) totaux (5) Jus départ (temps to) / / / 7,5 16,0 / 2,30 / 1,2 4,1 41 5,4 to + 30mn : permeat 33 38 50 5 7,0 ratentat 7,0 17,7 14,5 2,25 71 5,4 to + 50mn : permeat 31 35 44 1,25 8,6 7,52 1,64 98 ratentat 18,5 15,7 to + 1h15 : permeat 31 35 32 2,5 10,6 ratentat 21,4 to + 1h35 : permeat 32 34 24 3,9 11,0 9,31 1,95 97 0,4 2,1 49 retentat 2,9 22,6 19,3 2,53 63 1,6 4,8 31 Moyenne permeat 4,0 10,2 8,55 1,81 92 0,2 1,8 49 5,2 retentat 3,25 24,0 20,5 2,72 61 1,9 5,0 24 5,5 Analyse des résultats Le débit de perméat est satisfaisant. La déminéralisation est relativement faible : 2,72 % de minéraux dans le rétentat concentré final à 24,0 Brix, contre 2,30 dans le jus de départ à 16,0 Brix. Cela correspond à 21,1 % d'élimination de minéraux dans le perméat (par rapport au jus de départ). La dénitrification est bonne. On élimine 61 % des nitrates par l'intermédiaire du perméat. L'élimination des sucres est correcte. Le mannitol, sucre principal du champignon (il représente environ 35 % de la MST), n'est pas dosé ici, mais il est très bien éliminé à travers les membranes, car il cristallise dans le perméat lorsqu'on le concentre (vérifié par spectrométrie de masse). L'élimination de protéines est faible : 18,9 % à Brix identique. Cela est normal car les protéines sont de grosses molécules. Elles pourraient être éliminées après hydrolyse à l'aide de protéases si l'on souhaitait accroître la purification de l'extrait aromatique. On notera enfin que la faible élimination des minéraux (au contraire des nitrates) permet de penser qu'ils sont fortement fixés à des polysaccharides solubles. Cela peut expliquer la forte viscosité du concentré de champignon, les minéraux créant des "ponts ioniques" entre les polysaccharides. EXEMPLE 3 : Essai de nanofiltration d'un jus de betterave rouge sur une membrane XP 0088/1 avec diafiltratio n La membrane utilisée est la membrane XP 0088/1 de la société Paterson Candy International Ltd. Cette membrance présente les caractéristiques suivantes - surface membranaire = 0,03 m2 - seuil de coupure = 450 daltons environ Lors de cet essai, on opère une diafiltration, c'est-à-dire que l'on ajoute au retentat un volume d'eau identique au débit du perméat. Les conditions opératoires de l'essai sont regroupées dans le tableau III ci-après (page 12). A la colonne "volume perméat", les indications "-0,1 diaf 1", "-0,1 diaf 2" etc. indiquent que l'on recueille un volume de perméat identique au volume d'eau rajouté précédemment. Les résultats de l'essai sont consignés dans le tableau IV ci-après (page 13). Analyse des résultats L'ajout d'eau empêche la concentration du retentant qui se maintient en final à son taux de matière sèche initiale. La diafiltration permet une élimination accrue des sucres, ce qui conduit à un enrichissement en pigment de 30 % (B passe de 5,99 à 7,77). La dénitrification est confirmée par la diafiltration (170 ppm de nitrate dans le concentrat final contre 2 900 dans le jus de départ). La déminéralisation est incomplète, probablement parce que les minéraux sont liés à des macromolécules. Le procédé de l'invention permet donc d'obtenir un jus de légume au moins partiellement dénitrifié, mais également déminéralisé et enrichi en pigments. Il est possible, avant la nanofiltration, d'introduire une invertase dans le jus, de façon à dégrader le saccharose en glucose et fructose, plus faciles à éliminer par nanofiltration. Cet enzymage supplémentaire est réalisé à une température voisine de 45" C pendant 1 à 2 heures. Le jus dénitrifié peut être concentré en diminuant sa teneur en eau, par exemple par évaporation sous vide. Il peut être transformé en poudre en le séchant par atomisation. TABLEAU III Heure P T Brix Brix Volume Volume Volume 1/h m2 conc. permeat permeat eau concentrat (1) ajoutée (1) (1) 17,15 5 25 / 13,0 / 0 / 1,2 17,25 30 25 30 13,0 4,5 0,26 0 / 17,40 30 25 30 15,0 5,5 / 0 / 17,50 30 25 30 18,0 7,0 0,82 0 0,4 17,52 30 25 30 18,0 7,0 débit diaf + 0,1 0,5 18,00 30 25 30 15,5 7,0 -0,1 diaf 1 + 0,1 0,5 18,08 30 25 30 13,5 / -0,1 diaf 2 + 0,1 0,5 18,16 30 25 30 12,4 5,8 -0,1 diaf 3 + 0,1 0,5 18,24 30 25 30 11,5 / -0,1 diaf 4 + 0,1 0,5 18,32 30 25 30 11,0 4,7 -0,1 diaf 5 + 0,1 0,5 18,38 30 25 30 9,6 3,0 -0,1 diaf 6 + 0,1 0,5 18,46 30 25 30 8,8 3,0 -0,1 diaf 7 + 0,1 0,5 18,58 30 25 30 12,8 2,8 -0,1 diaf 8 0 0,4 TABLEAU IV BRIX NST D0635 D0489 D0600 B Glucose Fructose Saccharose Minéraux Nitrates pH Acidité Sol 1%, pH 5,0 (% de la solution) (%) (ppm) neq/kg Jus départ 13,25 12,77-12,87 1,97 0,68 0,15 5,55 0,45 0,645 6,95 5,861 2900 4,6 50 to + 10 min:permeat 6,0 6,78 0,106 0,07 0,01 1,225 0,45 0,57 3,16 / 4,1 50 concentrat 15,0 14,28 1,22 0,79 0,17 5,60 0,64 0,895 9,05 / 4,6 70 to + 25 min::permeat 6,0 6,34-5,98 0,413 0,06 0,81 1,035 0,39 0,51 2,24 0,661 2000 4,6 50 concentrat 17,0 15,90-15,00 1,455 0,94 0,21 6,99 0,61 0,79 7,56 1,195 2500 4,0 65 Permeat diaf. 1 6,25 6,03-5,08 0,685 0,068 0,008 6,35 0,57 0,73 1,84 0,716 2800 4,0 30/35 Permeat diaf. 2 5,25 5,50 0,067 0,048 0,007 8,89 / 4,6 38/35 Permeat diaf. 3 5,0 4,91-4,73 0,958 0,042 0,006 8,81 0,532 4,7 30/35 Permeat diaf. 4 4,5 4,45 0,651 0,036 0,005 0,70 / 4,6 30 Permeat diaf. 5 4,25 4,02-3,95 0,547 0,034 0,405 0,77 0,440 4,6 30 Permeat diaf. 6 4,6 3,63 0,042 0,531 0,035 0,735 / 4,6 25/30 Permeat diaf. 7 3,25 3,3 0,0395 0,020 0,605 0,35 / 4,6 25/30 Permeat diaf. 8 3,6 3,02-2,00 0,035 0,026 0,894 0,82 0,243 4,6 26 Concentrat final 13,25 12,04-12,20 1,47 0,25 0,22 7,77 0,536 170 4,6 50 REVENDICATIONS 1. Procédé pour dénitrifier et déminéraliser, au moins partiellement, un jus de légumes, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre ce jus, préalablement clarifié, à une opération de nanofiltration, et à récupérer le rétentat issu de cette nanofiltration. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise ladite opération de nanofiltration à l'aide d'au moins une membrane ayant un seuil de coupure compris entre 100 et 1 000 daltons, et, de préférence, compris entre 300 et 500 daltons. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise ladite opération de nanofiltration à l'aide d'au moins une membrane ayant un seuil de coupure de l'ordre de 400 daltons. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la nanofiltration est réalisée à une température comprise entre environ 20 et environ 500 C. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la nanofiltration est réalisée sous une pression différentielle comprise entre 30 x 105 et 50 x 105 Pa. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le traitement de clarification consiste à soumettre le jus, avant la nanofiltration, à au moins une opération choisie dans le groupe suivant filtration, filtration centrifuge, microfiltration, ultrafiltration au moyen de membranes dont le seuil de coupure est compris entre 5 000 et 100 000 daltons. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au cours de la nanofiltration, on amène en continu la même quantité d'eau à traiter que la quantité de perméat éliminé (diafiltration). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, préalablement à la nanofiltration, on introduit dans le jus une invertase, afin de dégrader le saccharose qui y est présent, en glucose et fructose. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on traite un jus de betteraves, de carottes ou de champignons. 10. Jus de légumes au moins partiellement dénitrifié et déminéralisé, obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications l à 9. 11. Concentré de jus de légumes obtenu à partir du jus selon la revendication 10. 12. Poudre de légumes obtenue par atomisation du jus selon la revendication 10.