1. Le lait

1.1. Sa structure

Le lait de vache est un milieu aqueux complexe non homogène. C'est un système colloïdal dans lequel on peut distinguer une phase dispersante (le lactosérum) et une phase dispersée constituée de "micelles" de caséine et de globules de graisses.

1.2. Sa composition chimique

Composition typique du lait de vache
COMPOSANT Grammes par litre
EAU 905
LACTOSE (disaccharide) 49
LIPIDES (97% sous forme triglycérides) 35

PROTEINES

protéines solubles
caséines

5.5
27.0

SELS

ions calcium
ions phosphate
citrate

1.25
2.60
2.00

Constituants divers : vitamines et autres traces

Le lactosérum contient un sucre en quantité importante (49 g/L dans le lait de vache). Il s'agit d'un disaccharide : le lactose.
Le lactose a un goût beaucoup moins sucré que le saccharose, le sucre de consommation courante. Si on attribue un indice de 1 pour le goût sucré au saccharose, le lactose n'obtient que 0.33.

Le lactoserum contient aussi des protéines solubles (albumines et globulines) qui représentent 20 % des protéines totales, des sels minéraux (en particulier des ions calcium), diverses molécules organiques et des vitamines.

Les "micelles" de caséine sont des associations de macromolécules de caséine. La caséine est la protéine majoritaire dans le lait . Elle représente 80% des protéines soit 27 g par litre dans le lait de vache.
Les protéines solubles du lactosérum (liquide obtenu après précipitation des caséines) ne représentent que 20% des protéines totales.

Les caséines forment une classe complexe. Les caséines sont un mélange de 4 types de protéines ; on distingue un type d’un autre sous la dénomination alpha (a)(48% des caséines), bêta (b)(34%), gamma (g) (4%) et kappa (k)(12%).
Le type gamma, qui est minoritaire, pourrait n'être qu'un artéfact dans la technique de purification et non une espèce chimique présente dans le lait. Il s'agit de segments de l'extrémité C-terminale de la caséine bêta.

1.3. Les interactions entre les différentes caséines sont complexes et encore mal identifiées

Les caséines sont organisées en particules sphériques de 0.050 µm (5 10-8 m) à 0.300 µm(30 10-8m) de diamètre. Ces particules sont appelées " micelles " de caséines. Le lait contient environ 1015 micelles par litre. Une micelle-type contient environ 2 104 molécules de caséines.

Les ions calcium responsables des pontages intermoléculaires pour stabiliser la structure micellaire ?

La micelle est en fait constituée par un agrégat de submicelles. Les agrégats sont de petites dimensions : 0.08 à 0.12 µm.

Chaque submicelle est formée de 25 à 30 molécules de caséines alpha , beta et kappa. Le coeur de la submicelle est probablement très hydrophobe alors que la surface a un caractère hydrophile. Des résidus séryle (provenant de l'acide aminé sérine) dans les caséines alpha et bêta sont nombreux à la surface des submicelles. Ces résidus séryle qui portent des fonctions alcool, peuvent être estérifiés par l’acide phosphorique . Les phosphosérine génèrent des charges négatives et sont donc capables de complexer les ions calcium assurant ainsi un pontage entre les différentes submicelles. Les micelles sont fortement hydratées (environ 80% d'eau). Ce sont des structures spongieuses qui laissent entrer et sortir des molécules voire des macromolécules.

Les interactions hydrophobes entre les chaînes de caséine entrent aussi pour une part importante dans la création et la stabilisation des complexes moléculaires entre les différentes chaînes de caséine. Une préparation de caséine bêta pure polymérise quand on chauffe la solution parce qu'il se crée des agrégats associés par interactions hydrophobes. Il en est de même pour les formes kappa.

Des ponts disulfure s'établissent entre les molécules de kappa et alpha caséines. L'addition d'un réducteur qui détruit les ponts disulfure, permet de couper les complexes macromoléculaires et d'obtenir les monomères de chaque forme.

1.4. La composition du lait est variable d'une espèce à l'autre

Composition comparée du lait de différents mammifères (g / 100 g)

Source Extrait sec Graisses Lactose Sels Substances azotées (protéines)
Femme 11.7 3.5 6.5 0.3 1.5
Vache 12.5 3.5 4.7 0.8 3.5
Chèvre 13.6 4.3 4.5 0.8 4.0
Brebis 19.1 7.5 4.5 1.1 6.0

Le lait humain est plus riche en sucre (lactose) mais beaucoup moins riche en protéines que les laits des ruminants. Le lait de brebis est un lait particulièrement gras et riche en protéines.

Les protéines du lait sont d'excellente qualité nutritionnelle

Dans notre alimentation, les protéines consommées servent à fournir à l'organisme les acides aminés dont il a besoin pour synthétiser ses propres protéines. En fait, la dégradation continuelle des protéines au cours du catbolisme permet à l'organisme de récupérer une partie des acides aminés qui sont alors recyclés. La biosynthèse d'acides aminés à partir d'éléments plus simples est également possible. Cependant, certains acides aminés ne peuvent pas être biosynthétisé. Ils doivent donc être apportés par l'alimentation. Ces acides aminés sont appelés acides aminés essentiels.

Pour ce qui concerne les protéines, c'est la présence de ces acides aminés essentiels dans un aliment qui mesure la qualité nutritionnelle.Ce facteur qualité est exprimé par une valeur de "score chimique" par comparaison avec le lait maternel considéré comme aliment de qualité suprême (score 100)

Source de protéines Score chimique
Lait maternel (humain) 100
Oeuf 100
Lait de vache 95
Cacahouètes 65
Viande de boeuf 57
Blé 53

1.5. La couleur du lait

Le lait est de couleur blanche parce que la lumière blanche incidente est majoritairement diffusée par les très nombreuses micelles de caséine et les globules de graisse présents dans le milieu liquide.
En observant une suspension très diluée de lait, on peut voir une légère teinte bleue caractéristique de l'effet Tyndall. L'observation de la lumière transmise par la suspension dans la même direction que le faisceau incident (par exemple en placant une boite de Petri contenant une faible épaisseur de lait dilué sur le plateu d'un rétroprojecteur) permet de voir un faisceau orangé également caractéristique de l'effet Tyndall.

Le carotène de couleur jaune orangée est un pigment de l'appareil photosynthétique des végétaux. C'est un composé liposoluble qui donne sa couleur au beurre. La couleur jaune orangée du beurre dépendra du type d'alimentation de la vache. Elle sera d'autant plus prononcée que la vache broute au pré.

La riboflavine (vitamine B2) est de couleur jaune verdâtre. C'est elle qui donne sa couleur au lactosérum.

1.6. Les lipides du lait

Les lipides sont présents dans le lait sous forme de gros globules de 4 à 10 µm de diamètre. C'est 5 fois plus gros qu'une bactérie.Il y a de 1.5 à 3 1012 globules de graisse par litre de lait. Les globules sont entourés d'une membrane de composition semblable à celle de la membrane plasmique mais organisée en simple couche autour de la phase lipidique. Cette membrane est capable d'interagir avec une globline du lactosérum appelée macroglobuline. La macroglobuline permet un accrochage (cross-link) des globules les uns avec les autres. Il se forme des structures multiples des globules d'un diamètre de 800µm. Ces globules géants sont facilement récupérés par flottaison, c'est le phénomène de crémage caractéristique du lait cru ou du lait pasteurisé. Le crémage ne se fait plus dans le lait bouilli ou le lait UHT parce que la macroglobuline est détruite par la chaleur.

La "tartinabilité" du beurre

Les lipides sont essentiellement des triglycérides. Les triglycérides sont des lipides neutres peu polaires. Les triglycérides du lait portent des chaînes acyles (provenant des acides gras) qui sont plutôt saturées. Ces lipides du fait du faible degré d'insaturation sont solides à température ambiante.
La proportion relative des graisses saturées et insaturées dans le lait ou le beurre dépend de l'alimentation du bétail : une vache nourrie à l'herbe toute l'année aura un lait plus riche en résidus d'acides gras insaturés. Le beurre fabriqué avec le lait de cette vache sera plus mou à température ambiante (ou à la sortie du réfrigérateur) et de meilleure qualité que le beurre fabriqué avec le lait d'une vache nourrie à l'étable avec une alimentation industrialisée de source composite. Plus le taux de résidus d'acides gras saturé est élevé, plus le beurre est dur et difficile à tartiner.

L'odeur du beurre

Les triglycérides du lait sont particulièrement riches en résidus d'acides gras à courte chaîne (acide butyrique à 4 atomes de carbone et acide caproïque à 6 atomes de carbone).
L'odeur caractéristique du beurre est due en grande partie à la présence de ces acides gras à courte chaîne qui sont volatiles.

2. Processus de coagulation de la caséine du lait

Le lait est un élément de base dans l’alimentation humaine mais c’est également produit très fragile. Les procédés traditionnels de conservation reposent sur sa transformation, par précipitation des protéines, en un milieu plus stable où le développement microbien est contrôlé. Ainsi, le fromage et le yaourt sont des aliments élaborés à partir de la précipitation des protéines du lait.

La précipitation de la caséine se fait soit de manière enzymatique (présure) pour la fabrication des fromages, soit de manière chimique en abaissant le pH. Le plus souvent l'abaissement de pH se fait sous l’action de bactéries qui transforment le lactose en acide lactique. C'est ce qui se passe pour la fabrication des yaourts par exemple.

2.1. Mécanisme d'action de la présure (coupure enzymatique de la caséine kappa)

La précipitation de la caséine sous l’influence de la présure (manière enzymatique) tient à la présence d’une enzyme protéolytique spécifique, la chymosine appelée encore rennine (rennet), isolée de la caillette du veau, une partie de l'estomac du veau.
La chymosine coupe une seule liaison peptidique dans la caséine kappa. Il s’agit de la liaison entre Phe 105 et Met 106. La protéine est donc coupée en deux fragments. Un des fragments, la para-kappa caséine, basique et hydrophobe, reste attaché à la micelle. L’autre fragment est libéré dans le lactosérum. Ce fragment soluble, appelé kappa-caséine macropeptide, est porteur de résidus osidiques, qui lui confère son caractère soluble dans l’eau. La perte des résidus osidiques à la surface des micelles augmente le caractère hydrophobe de celles-ci, elles établissent des interactions hydrophobes et il se forme un gel.

2.2. Mécanisme d'action des bactéries lactiques

La précipitation sous l’action des bactéries lactiques (lactobacilles, streptocoques lactiques) provient d’un abaissement du pH du lait qui prend une valeur voisine de la valeur du point isoionique pI) de la caséine. Ce pH particulier a pour valeur 4.6. c'est le pH où la solubilité de la caséine est minimale.Elle va donc précipiter.

Le pH initial du lait de vache est 6.6 - 6.7. Les bactéries présentes au départ dans le lait et surtout celles introduites sous forme d’un levain, se multiplient dans le milieu et consomment le lactose comme sucre producteur d’énergie. Le lactose est dégradé en acide lactique. Le pH diminue du fait de la production d’acide et la caséine précipite le pH atteint 4.8 - 4.6.

3. Le fromage

La fabrication du fromage comporte 3 étapes :

(1) la coagulation de la caséine qui provoque la formation d’un gel ,
(2) l’égouttage qui permet l’exsudation du lactosérum piégé dans le gel, cela donne le caillé et
(3) l’affinage après salage qui transforme le caillé en modifiant la structure et en permettant de développement d’arômes sous l’influence de micro-organismes très variés.

La Franche comté est une région productrice de fromages réputés comme le Comté, le Mont d'Or .... Liens avec sites régionaux à faire

Biochimie Structurale et Analytiqueã Danielle et Khanh Lê-Quôc 1999-2000