Effet de la température sur les interactions et le comportement rhéologique de dispersions de micelles de caséines concentrées
Résumé
Les caséines sont présentes dans le lait sous forme de micelles qui s'apparentent à des agrégats colloïdaux poreux, déformables et compressibles [1,2]. La compréhension des propriétés de ces objets et des interactions qu’ils bâtissent (i.e. compressibilité, transition sol-gel, cohésion des gels) en fonction de leur concentration est nécessaire à la compréhension des phénomènes de colmatage qui gouvernent les performances des opérations de filtration du lait largement utilisées industriellement. En effet, lors de la mise en œuvre du procédé de séparation membranaire destiné à séparer les micelles de caséines des protéines sériques et d'autres espèces moléculaires, les micelles se concentrent au voisinage de la membrane. Cette accumulation de matière entraîne une diminution du flux de perméation et de la transmission des protéines sériques. Les propriétés de compressibilité des micelles et de viscoélasticité de leur dispersion concentrée en relation avec les mécanismes de structuration induits lors de l'augmentation de leur concentration, ont été étudiées par compression osmotique et par rhéométrie à 20°C [3-5]. Les dispersions de micelles de caséines présentent une transition sol-gel à une concentration de gélification (Cgel) de 170-180 g/L à 20°C [3-5]. Déterminer cette Cgel permet de définir des conditions de filtration limitant le colmatage des membranes [6]. Actuellement, l’utilisation de membranes organiques spiralées à basse température (≈8-12°C) pour la filtration de lait rencontre un succès grandissant. Il est connu que la dynamique, la structure et la composition chimique des micelles de caséines évoluent avec la température [2], mais peu d’études de son comportement à basse température en milieu concentré ont été réalisées [7]. Il est donc nécessaire d’élucider l’influence des basses températures sur la compression, la structure et la transition sol-gel des dispersions de micelles de caséines concentrées afin d'améliorer notre connaissance des conditions optimales de filtration du lait à basse température.
Le but de ce travail est d’analyser l’influence de la température sur les interactions et le comportement rhéologique (i.e. compressibilité, comportement d’écoulement, transition sol-gel, cohésion des gels) des dispersions de micelles de caséines concentrées. Les expériences ont été menées à 7°C et 20°C. Des dispersions de micelles de caséines à différentes concentrations (de 25 à 700 g/L) ont été préparées, soit par dispersion de poudre d’isolat de micelles de caséines, soit par compression osmotique. La compressibilité des micelles de caséines a été caractérisée par des expériences de compression osmotique (de 0.01 à 13 bar). La transition sol-gel a été caractérisée par rhéométrie via des mesures d’écoulement et de cisaillement harmonique. Les deux techniques utilisées apportent également des informations sur les interactions micelle-micelle.
Une équation d’état de la pression osmotique en fonction de la concentration en caséine a été déterminée à 7°C : il a été mis en évidence que la compressibilité, c’est-à-dire la concentration atteinte à une pression osmotique donnée des micelles de caséines augmente quand la température augmente de 7°C à 20°C. Par exemple pour atteindre une concentration de 450 g/L, il faut appliquer une pression osmotique de 2.6 bar à 7°C contre 1 bar à 20°C. De plus, la transition sol-gel à 7°C est observée à 150 g/L (correspondant à une compression de 0.18 bar) contre 170 g/L (correspondant à une compression de 0.073 bar) à 20°C. Les micelles de caséines sont plus hydratées et ont donc une plus forte voluminosité [7] à basse température, elles s’opposent davantage à la compression, mais elles interagissent et gélifient à plus faible concentration qu’à 20°C. Ces résultats mettent en avant la nécessité d'une modification de la conduite des protocoles de filtration appliqués lors du fonctionnement de ce procédé à basse température, afin de maintenir des performances équivalentes à celles actuellement obtenues à température élevées.