Brevet FR2891634A1 — publié le 20070406

La présente invention concerne le domaine des procédés de fabrication de produits alimentaires et biotechnologiques, mettant en ceuvre ou non des étapes de fermentation. Les procédés envisagés sont très variés tels que par exemple la fabrication de produits laitiers, la fabrication de boissons fermentées ou non (jus d'orange, jus de fruits, bières, vin etc...), mais également la fabrication de ferments, de médicaments, d'ingrédients alimentaires, de molécules d'intérêt, etc... L'invention s'attache à proposer de nouvelles conditions opératoires permettant d'améliorer les propriétés des produits ainsi fabriqués, et notamment leur propriétés microbiologiques, sensorielles, physicochimiques...etc... Comme on le verra ci-dessous plus en détails, la présente invention propose une nouvelle méthode de conduite de tels procédés par le contrôle et la régulation du potentiel rédox du milieu considéré à un niveau donné de potentiel redox, en un ou plusieurs points clés du procédé, ceci par des ajouts contrôlés d'un gaz ou mélange gazeux adapté. On peut obtenir de telles mesures du potentiel redox à l'aide de tout moyen disponible tel que par exemple les sondes redox qui permettent de faire des mesures directes et en continu dans des milieux liquides ou semi liquides, ou encore par voie indirecte par des mesures de teneur en gaz dissous, par exemple d'hydrogène dissous dans le milieu. Le suivi et la régulation du potentiel redox à certaines étapes clés du procédé permet par exemple de réaliser des phases du procédé en conditions réductrices stables ou d'alterner durant le procédé des étapes en conditions réductrices avec des étapes en conditions oxydantes. On rappellera que les oxydo-réductions sont des étapes essentielles dans les réactions de l'anabolisme et du catabolisme cellulaire, pour lesquelles le sens des échanges est déterminé par le potentiel d'oxydoréduction (ci-après Eh). Le Eh est un paramètre d'état des fermentations; sa variation modifie l'environnement physico-chimique des microorganismes. Les activités métaboliques et la physiologie des microorganismes sont déterminées par le pH intracellulaire (pH;n) qui va conditionner l'activité des enzymes et l'accessibilité de certains substrats et cofacteurs dans les réactions du métabolisme. Le pH;n est fonction du pH extracellulaire (pHex) et de l'aptitude du microorganisme à maintenir une certaine homéostasie cellulaire. La différence entre le pin et le pHex va également modifier la valeur de la force proto-motrice ApH+, qui est notamment impliquée dans les échanges de la cellule microbienne avec l'extérieur. Les paramètres Eh et pl-lin sont intimement liés; ainsi l'énergie retrouvée dans les composés à haut potentiel comme d'adénosine tri-phosphate (ATP) et gagnée par le catabolisme des substrats pourra être utilisée par la cellule pour maintenir son pin (et donc son ApH) grâce aux ATPases membranaires. Selon Urbach et al en 1995 ( Contribution of lactic acid bacteria to flavour compound formation in dairy products", International Dairy Journal. 5: 877-903), les bactéries lactiques sont largement impliquées dans la production des arômes des produits laitiers fermentés; elles convertissent le lactose en acide lactique; ceci conduit à la production de diacétyle et d'acétaldéhyde qui sont les principaux arômes des laits fermentés et des fromages frais. Le Eh est un paramètre environnemental qui va pouvoir conditionner les activités métaboliques des microorganismes et notamment leur capacité à synthétiser des molécules d'arômes. En particulier, il a été montré pour l'emmental et le cheddar, que les fromages de bonne qualité avaient un faible potentiel d'oxydoréduction. Le Eh est un paramètre physico-chimique qui, de par sa nature, agit sur tous les milieux, pourvu que ceux-ci contiennent au moins une molécule qui puisse passer d'un état oxydé à réduit et vice versa. C'est pourquoi son effet est perceptible sur toutes les fonctions cellulaires. Son action a été montrée sur différents types de souches bactériennes, à titre illustratif: - L'ajout de réducteurs chimiques dans les milieux de culture a permis de modifier significativement la croissance et les flux métaboliques chez Corynebacterium glutamicum, Clostridium acetobutylicum, Sporidiobolus ruinenii et Escherichia coli; - Un Eh réducteur fixé par des gaz a permis de modifier les flux métaboliques chez Saccharomyces cerevisiae avec une augmentation du ratio glycérol/éthanol et l'accumulation des sucres de réserve avec augmentation de la survie des levures lors de la conservation. En milieu industriel, le Eh est déjà indirectement pris en compte au travers de l'oxygène dont l'effet inhibiteur sur les bactéries lactiques est bien identifié. Cet effet est dû à leur incapacité à synthétiser des cytochromes et les enzymes à noyau hème. On sait par ailleurs qu'il est aussi possible en agissant sur le Eh de modifier la survie des ferments probiotiques, les flux métaboliques, la production et/ou la stabilité des molécules d'arômes. L'ensemble de ces résultats a été obtenu suite à une modification du Eh par les microorganismes eux-mêmes, par des molécules oxydo-réductrices, ou par traitement thermique. Dans le domaine de l'utilisation de mélanges gazeux dans les milieux de fermentation de bactéries lactiques on peut citer également les travaux de Henriksen et al parus dans Letters in Applied Microbiology en 2000 (vol. 30 p415-418) qui se sont intéressés à la croissance de bactéries lactiques, et ont montré que lorsque les cultures étaient balayées par de l'azote la croissance était fortement ralentie, alors que l'ajout d'infimes quantités de CO2 dans ce cas faisait redémarrer la croissance sous forme exponentielle. La présente invention concerne alors un procédé de fabrication d'un produit alimentaire ou biotechnologique, mettant en ceuvre une ou plusieurs étapes, l'une ou plusieurs des étapes mettant en ceuvre un milieu, au cours duquel on procède, durant au moins l'une de ces étapes à une opération de contrôle du potentiel redox du milieu de l'étape considérée, et se caractérisant en ce que le procédé est conduit de la manière suivante: - on régule à un niveau prédéterminé de consigne le potentiel redox du milieu dont le potentiel redox est contrôlé, à l'aide d'ajouts contrôlés d'un gaz de traitement dans le milieu considéré, et on autorise le passage à l'étape suivante de ladite étape considérée dans le procédé lorsque ladite valeur de consigne est atteinte. Le procédé selon l'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - on effectue ladite régulation du potentiel redox de façon à réaliser au moins une des dites étapes en condition réductrice et au moins une des dites étapes en condition oxydante. - le procédé est un procédé de fabrication d'un produit laitier fermenté, et le contrôle et la régulation du potentiel redox a lieu à l'une ou plusieurs des étapes suivantes: i) dans le lait de départ avant standardisation, j) dans le mélange laitier résultant de l'ajout des ingrédients additionnels dans le lait; k) avant ou après l'étape d'homogénéisation dudit mélange laitier; I) avant ou après l'étape de pasteurisation dudit mélange laitier; m) avant ou près l'étape d'ensemencement du mélange laitier avec une ou plusieurs souches de bactéries lactiques; n) avant le conditionnement du produit en emballage final. - le procédé est un procédé de fabrication d'un produit laitier fermenté, et la régulation du potentiel redox a lieu en plusieurs des étapes de façon à séquencer les phases d'oxydation et de réduction de la façon suivante: - on effectue une régulation du potentiel redox de façon à mettre en place des conditions réductrices en un ou plusieurs points du procédé situés en amont de la phase de pasteurisation; - on effectue une régulation du potentiel redox de façon à mettre en place des conditions oxydantes en un ou plusieurs points du procédé situés en aval de la pasteurisation. - le procédé est un procédé de fabrication d'un produit laitier fermenté, et la régulation du potentiel redox a lieu en plusieurs des étapes de façon à séquencer les phases d'oxydation et de réduction de la façon suivante: - on effectue une régulation du potentiel redox de façon à mettre en place des conditions oxydantes en un ou plusieurs points du procédé situés en amont de la phase de pasteurisation; - on effectue une régulation du potentiel redox de façon à mettre en place des conditions réductrices en un ou plusieurs points du procédé situés en aval de la pasteurisation. - le produit laitier fermenté est un yaourt. - le procédé de fabrication comprend une étape de fermentation, et le contrôle et la régulation du potentiel redox a lieu sur le milieu de culture initial ou bien en cours de fermentation. - le procédé de fabrication comprend une étape de fermentation continue ou une étape de fermentation discontinue (dite dans la littérature batch ) ou semi-discontinue (dite fed batch ). Il est donc proposé de contrôler le potentiel redox à des endroits clés dans les procédés, à l'aide de tout moyen disponible tel que par exemple les sondes redox. Ce contrôle permet d'ajuster le potentiel redox et de maîtriser l'ajout de gaz dans le milieu, tout en déterminant avec précision le moment où il est possible de stopper le processus de modification du redox. Il est possible d'envisager un système de régulation automatique du potentiel redox du milieu. Il peut être également possible, selon le procédé considéré, d'alterner des phases de conditions réductrices et oxydantes de façon à privilégier à des moments définis dans le procédé la mise en place de réactions biochimiques et/ou biologiques qui par leur enchaînement permet l'obtention d'un produit à caractéristiques définies. Ainsi à titre illustratif, une étape oxydante est favorable à la croissance des microorganismes et donc à la production d'une biomasse importante, suivie par une phase réductrice qui va permettre par exemple d'éviter la production de composés d'arômes non souhaités et dont la synthèse nécessite des décarboxylations oxydatives et donc des conditions oxydantes, telle que par exemple la synthèse de diacétyle, non souhaitée dans les yaourts. Comme on l'aura compris à la lecture de ce qui précède, le gaz de traitement devra être choisi en fonction du procédé considéré, de l'étape considérée, des conditions redox que l'on souhaite atteindre, et l'on pourra donc envisagé d'utiliser un gaz neutre tel que l'azote, l'argon, l'hélium, le dioxyde de carbone ou un gaz réducteur tel que l'hydrogène, ou encore un mélange de tels gaz. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la fiqure 1 illustre un exemple d'application de l'invention au cas de la fabrication de jus d'orange. - la fiqure 2 illustre un exemple d'application de l'invention au cas de la fabrication de yaourts. La figure 1 illustre de façon schématique un exemple d'installation de fabrication de jus d'orange. On reconnaît sur la figure les deux voies d'alimentation de la ligne, l'une en jus frais, l'autre en un mélange d'eau et de concentré. L'une ou l'autre des sources passe alors par des étapes successives de chauffage, de pasteurisation, de refroidissement, de stockage dans une capacité tampon, avant d'être dirigée vers l'étape d'embouteillage. On a figuré sur la figure deux exemples d'injection d'un gaz mais l'on peut envisager selon la présente invention d'effectuer une régulation du potentiel redox à d'autres points de la chaîne et notamment dans l'eau servant à la constitution du jus reconstitué, au cours de l'étape de préchauffage, au cours de l'étape de chauffage ou encore au niveau du tank tampon. Il est à noter ainsi par exemple que la définition d'une valeur cible du redox en début de procédé de fabrication permet de décider du démarrage de la production dès l'atteinte de cette valeur. Ce contrôle permet de standardiser la production indépendamment de la composition chimique du jus d'orange, de l'origine et de la qualité de la matière première et donc de la valeur redox initiale de la matière première. La valeur cible définie permet également de ne pas surdoser la quantité de gaz à injecter. En effet, cette valeur de redox cible aura été déterminée au préalable afin de garantir un produit fini de qualité connue et constante. On l'a compris par ce qui précède, le procédé selon l'invention n'est pas basé sur une quantité de gaz à injecter par unité de volume de jus mais basé sur une mesure de redox qui permet d'apporter le gaz réducteur par exemple en quantité suffisante pour obtenir le redox cible garantissant un produit stable du point de vue organoleptique, de sa couleur et de sa physico-chimie après traitement et tout au long de sa conservation ultérieure. La figure 2 illustre de façon schématique un autre exemple de mise en ceuvre de l'invention avec une installation de fabrication de yaourts ou autres produits laitiers fermentés. On reconnaît sur la figure 2 les éléments et étapes suivantes: -une préparation du lait qui comprend en général les additions de composants tels que matières grasses ou protéines ou encore arômes pour en fixer la composition; - une étape de chauffage; - une étape de pasteurisation (traitement thermique) ; - une homogénéisation (qui peut avoir lieu avant ou après la pasteurisation) ; - un refroidissement jusqu'à la température à laquelle aura lieu l'ensemencement; -l'ensemencement avec les souches souhaitées; - selon le type de yaourt ou produit laitier fermenté considéré : une fermentation en tank suivie d'un lissage avant une mise en pot (ex: yaourts dits brassés ), ou bien la répartition préalable du mélange ensemencé en pots où s'effectuera la fermentation (ex: yaourts dits fermes ou étuvés ). On peut envisager selon la présente invention d'effectuer une régulation du potentiel redox aux endroits suivants de la chaîne: i) dans le lait de départ avant standardisation, j) dans le mélange laitier résultant de l'ajout des ingrédients additionnels dans le lait; k) avant ou après l'étape d'homogénéisation dudit mélange laitier; I) avant ou après l'étape de pasteurisation du mélange laitier; m) avant ou près l'étape d'ensemencement du mélange laitier avec une ou plusieurs souches de bactéries lactiques; n) avant le conditionnement du produit en emballage final. Dans ce cas de la fabrication de yaourts ou produits laitiers fermentés on peut avantageusement envisager de séquencer les phases d'oxydation et de réduction. En effet, sans être à aucun moment lié par l'explication qui suit, on peut penser que les valeurs réductrices pourront favorablement jouer sur la conformation des protéines notamment les protéines sériques. L'utilisation de conditions réductrices en amont de la phase de pasteurisation permettra donc de coupler cet effet à l'effet de la chaleur sur les protéines ce qui aura pour conséquence de réaliser des gels protéiques de structure stable qui seront favorables notamment à une limitation des phénomènes de synérèse dans les yaourts. En aval de la pasteurisation, il sera alors avantageux de rétablir des valeurs redox oxydantes (ou égales aux valeurs habituelles du lait) qui permettront aux bactéries ensemencées de se développer normalement sans influencer leur métabolisme et donc sans conséquence organoleptique. Il peut également être avantageux d'ajuster une valeur cible du potentiel redox lors de la fermentation pour influencer de manière volontaire le métabolisme des ferments lactiques. On a plus particulièrement développé dans ce qui précède les exemples de la fabrication de jus de fruits et de yaourts mais l'on peut également évoquer le cas de la fabrication de boissons fermentées telles que la bière ainsi que le cas de productions de produits en fermenteurs. Evoquons maintenant ci-dessous le cas de productions en fermenteurs. Dans le cas de la production de type semi-discontinue ou fed batch , le potentiel redox est en perpétuelle évolution au fur et à mesure de la croissance bactérienne. On peut alors envisager plusieurs modes de mise en ceuvre de l'invention: - on peut maintenir un potentiel redox constant (par apport permanent de gaz réducteur) couplé à la croissance des microorganismes et donc mettre en ceuvre un contrôle et un ajustement permanent de l'injection du gaz de traitement (le potentiel redox pouvant évoluer au cours de la fermentation du fait de la croissance et de l'activité des microorganismes) . - on peut également imaginer d'apporter à la culture un milieu de culture ayant un potentiel redox fixé. - on peut également choisir de favoriser la croissance de la souche microbienne en conditions oxydantes et après l'obtention d'une teneur maximale en biomasse basculer le fermenteur en conditions réductrices afin de favoriser la production d'enzymes ou d'induire des réactions métaboliques favorables à la production d'une molécule d'intérêt particulière. Par exemple on sait que des cultures de Corynebacteium glutamicum produisent plus d'acides aminés en conditions réductrices. De même Sporidiobolus produit plus de composés d'arômes en présence d'un milieu réducteur. Ce changement de potentiel redox peut également intervenir après la production d'un précurseur de la molécule d'intérêt qui en condition réductrice subira une réaction chimique permettant l'obtention de la molécule d'intérêt en question. ----------------------- io REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un produit alimentaire ou biotechnologique, mettant en oeuvre une ou plusieurs étapes, l'une ou plusieurs des étapes mettant en oeuvre un milieu, au cours duquel on procède, durant au moins l'une de ces étapes à une opération de contrôle du potentiel redox du milieu de l'étape considérée, et se caractérisant en ce que l'on effectue la conduite du procédé de la manière suivante: - on régule à un niveau prédéterminé de consigne le potentiel redox du milieu dont le potentiel redox est contrôlé, à l'aide d'ajouts contrôlés d'un gaz de traitement dans le milieu considéré, et - on autorise le passage à l'étape suivante de ladite étape considérée dans le procédé lorsque ladite valeur de consigne est atteinte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue ladite régulation du potentiel redox de façon à réaliser au moins une des dites étapes en condition réductrice et au moins une des dites étapes en condition oxydante. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le procédé est un procédé de fabrication d'un produit laitier fermenté, et en ce que le contrôle et la régulation du potentiel redox a lieu à l'une ou plusieurs des étapes suivantes: i) dans le lait de départ avant standardisation, j) dans le mélange laitier résultant de l'ajout d'ingrédients additionnels dans le lait; k) avant ou après l'étape d'homogénéisation dudit mélange laitier; I) avant ou après l'étape de pasteurisation du mélange laitier; m) avant ou près l'étape d'ensemencement du mélange laitier avec une ou plusieurs souches de bactéries lactiques; n) avant le conditionnement du produit en emballage final. Il 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le procédé est un procédé de fabrication d'un produit laitier fermenté, et en ce que la régulation du potentiel redox a lieu en plusieurs des étapes de façon à séquencer les phases d'oxydation et de réduction de la façon suivante: on effectue une régulation du potentiel redox de façon à mettre en place des conditions réductrices en un ou plusieurs points du procédé situés en amont de la phase de pasteurisation; - on effectue une régulation du potentiel redox de façon à mettre en place des conditions oxydantes en un ou plusieurs points du procédé situés en aval de la pasteurisation. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le procédé est un procédé de fabrication d'un produit laitier fermenté, et en ce que la régulation du potentiel redox a lieu en plusieurs des étapes de façon à séquencer les phases d'oxydation et de réduction de la façon suivante: on effectue une régulation du potentiel redox de façon à mettre en place des conditions oxydantes en un ou plusieurs points du procédé situés en amont de la phase de pasteurisation; - on effectue une régulation du potentiel redox de façon à mettre en place des conditions réductrices en un ou plusieurs points du procédé situés en aval de la pasteurisation. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que le produit laitier fermenté est un yaourt. 7. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le procédé de fabrication comprend une étape de fermentation, et en ce que le contrôle et la régulation du potentiel redox a lieu sur le milieu de culture initial ou bien en cours de fermentation. 8. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le procédé de fabrication comprend une étape de fermentation continue ou une étape de fermentation discontinue (dite batch ) ou semi-discontinue (dite fed batch ).