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International audience; Introduction et but de l’étudeLes préparations pour nourrissons (PPN), seuls substituts adéquats au lait maternel (LM), sont des matrices complexes qui nécessitent de nombreux ingrédients et étapes de transformation. L'objectif de ces essais était de comprendre comment la structure et la composition protéiques des préparations pour nourrissons modulent leur cinétique de digestion et d’absorption en utilisant des modèles de digestion in vitro et in vivo.Matériel et MéthodesQuatre PPNs contenant des protéines de lactosérum avec différents taux de dénaturation (A/B/C) ou des caséines de structures micellaires différentes (C/D) ont été fabriquées. Leur profil protéique variait légèrement mais leur composition nutritionnelle et leur taux d'azote aminé étaient similaires. Elles ont été digérées (1) à l'aide d'un modèle de digestion in vitro dynamique (DIDGI) pour suivre la structure des digestas (microscopie), la protéolyse globale (OPA) et la cinétique d'apparition des peptides (LC-MS/MS) au cours de la digestion et (2) par des mini-porcelets Yucatan (n=10, 12-27 jours de vie) afin de suivre la cinétique postprandiale (4h) d'apparition plasmatique des acides aminés (AA). Les données ont été analysées par un modèle linéaire mixte pour données répétées.Résultats et Analyses statistiquesAvant digestion, les structures lipoprotéiques étaient différentes entre les PPNs. La PPN A présentait des structures lipoprotéiques étoilées avec la présence d'agrégats de protéines du lactosérum à la surface des caséines pour un taux de dénaturation global des protéines du lactosérum de 44%. Les PPNs B et C ne présentaient pas de structures particulières et avaient des taux de dénaturation respectifs de 36 et 31%. La PPN D contenant des caséines non micellaires présentait de grandes structures avec de nombreuses structures caséiques à l'interface de gouttelettes lipidiques partiellement floculées. Son taux de dénaturation des PS était de 29%. La PPN A, caractérisée par des taux de protéines du lactosérum glyquées et dénaturées plus élevés, avait un degré de protéolyse significativement plus élevé à 180 min de phase gastrique que la PPN D et en phase intestinale que les PPNs C et D. Les peptides (en particulier ceux issus des caséines) apparaissaient plus tôt en phase gastrique pour la PPN D (à 80 mincontre 180 min pour les PPNs A et B). La PPN C présentait une abondance maximale pour près de la moitié des peptides bioactifs. Chez le porcelet, les PPNs A et B présentaient des concentrations plasmatiques en AA totaux et essentiels significativement plus élevées que les PPNs C et D. La dénaturation des protéines du lactosérum (PPN A) ou la modification structurelle des caséines (PPN D) semblerait induire une diminution du catabolisme oxydatif des acides aminés.ConclusionLes approches complémentaires in vitro et in vivo ont permis de mettre en évidence l'influence de la structure des PPNs sur la digestion des protéines et l'absorption des acides aminés. La structure micellaire de l'ingrédient caséique avait un impact majeur sur la structure protéique des PPNs, leur cinétique de protéolyse avec une libération plus précoce et plus abondante de peptides pour les structures caséiques modifiées ainsi que sur l'oxydation des acides aminés plasmatiques. La structure de la fraction protéique du lactosérum a induit des différences de cinétiques de protéolyse in vitro et in vivo, avec une augmentation de la protéolyse pour les protéines du lactosérum les plus dénaturées induisant des concentrations en acides aminés plasmatiques postprandiales plus importantes. Au vue de la littérature, la digestion de la PPN C (présentant une faible dénaturation,des caséines micellaires et induisant des cinétiques postprandiales plus faibles pour de nombreux acides aminés comparés aux PPNs A et B) se rapprocherait davantage de celle du lait maternel. L'impact physiologique de ces PPNs sera évalué au cours d'une prochaine étude sur le porcelet Yucatan

International audience; Introduction et but de l’étudeLa formulation des préparations pour nourrissons (PPN) est très réglementée et doit mimer au mieux l’aminogramme du lait humain (LH), premier élément essentiel de la qualité nutritionnelle des protéines. Peu d’études in vivo se sont intéressées à la digestibilité des acides aminés (AA) du LH et des PPNs, permettant d’estimer leur biodisponibilité, autre indicateur important de la qualité nutritionnelle des protéines. L’objectif de cette étude était de mesurer la digestibilité iléale vraie (DIV) des protéines du LH et d’une PPN, afin de calculer leur DIAAS (Digestible Indispensable Amino Acid Score ; FAO, 2013). Un modèle mini-porcelet a été utilisé comme modèle du nourrisson.Matériel et MéthodesDes porcelets âgés de 19 jours ont reçu pendant 6 jours du LH (n=7) ou une PPN (n=9). Un troisième groupe de porcelets a reçu un régime sans protéines (n=6), permettant d’évaluer les pertes en protéines endogènes. Les trois régimes contenaient du Cobalt-EDTA comme marqueur de transit. Le dernier jour, les repas ont été distribués toutes les heures pendant six heures avant sacrifice des animaux et récupération des contenus iléaux pour mesurer la digestibilité vraie de l’azote total et des AA. Le DIAAS a été calculé à partir des digestibilités et des teneurs en AA des aliments au regard du profil de référence, correspondant au profil en AA du LH (FAO, 2007). Des hydrolyses de durées multiples (0 à 120 h) des échantillons ont été réalisées afin d’évaluer les pertes en AA au cours de cette étape et corriger les valeurs classiquement obtenues à 24 h d’hydrolyse acide ou 16 h d’hydrolyse basique pour le tryptophane. Une ANOVA multifactorielle a permis l’analyse et la comparaison des données.Résultats et Analyses statistiquesLes hydrolyses multiples ont permis de corriger les teneurs en AA des aliments et des digestas, en particulier pour la tyrosine et la valine (+10% de la valeur mesurée à 24 h d’hydrolyse). Les profils en AA du LH étaient en accord avec la méta-analyse de Zhang et al. (2003). La DIV de l’azote aminé n’était pas significativement différente (LM : 96,7 ± 1,0 % et PPN : 98,0 ± 0,7 for IF, p > 0,05) tandis que la DIV de l’azote total était significativement plus faible pour le LH (91,3 ± 1,2 %) que pour la PPN (98,0 ± 0,9 %). Cette différence s’expliquait par la plus forte proportion d’azote non protéique dans le LH (LH : 31,0 ± 0,7 % et PPN :4,4 ± 0,2 % de l’azote total), partiellement non digestible et non-absorbable. Quelques AA présentaient des différences de digestibilité. Ainsi, la lysine était significativement plus digestible dans le LH que dans la PPN (98,4 ± 0,7 % vs. 96,0 ± 0,5 %), probablement lié à l’absence de glycation des protéines (réaction de Maillard) dans le LH. A l’inverse, les DIVs de la phénylalanine, la thréonine, la valine, l’alanine, la proline et la sérine, étaient significativement légèrement plus faibles dans le LH que dans la PPN (-2,6 à -7,3 points). La DIV moyenne dutryptophane était proche entre le LH et la PPN (96,8 ± 0,5 %, p = 0,079). Le DIAAS était plus élevé pour le LH que pour la PPN (+10%) et était, pour les deux aliments, liés à une teneur en AA aromatiques (phénylalanine + tyrosine) plus basse que celle du profil de référence.ConclusionCette étude a démontré que le LH, comparé à la PPN, avait une DIV plus faible uniquement pour l’azote total et non pas pour l’azote aminé. Ceci suggère qu’une fraction d’azote non protéique du LH est sous forme non digestible et non absorbable, tel que l’urée, et est donc transférée vers le colon. Cette fraction azotée, bien que peu considérée dans la formulation des PPNs, peut cependant avoir un rôle sur la composition du microbiote. Par ailleurs, la digestibilité plus élevée de la lysine dans le LH que la PPN, est certainement dû à l’absence de réaction de Maillard dans le LH contrairement aux PPNs, qui reçoivent de nombreux traitements thermiques

International audience; La modélisation et l’optimisation des procédés agroalimentaires est une tâche difficile dû à la complexité des produits agroalimentaires, le manque de connaissances sur les mécanismes limitant les performances [1] et l’hétérogénéité des variables impliquées. C’est le cas pour la microfiltration tangentielle 0.1 μm de lait écrémé (MF 0.1 μm). Cette opération est généralement utilisée dans l’industrie laitière pour séparer les protéines : micelles de caséines natives (rétentat) utilisées dans les fromages et les protéines de lactosérum (perméat) principalement utilisées dans les formulations alimentaires à destination des populations spécifiques (personnes âgées, nourrissons, sportifs). En dépit du fort intérêt porté à la MF 0.1 μm dans le secteur de l’industrie agroalimentaire, ce procédé de transformation n’a pas été intégralement optimisé au regard des objectifs des utilisateurs. Les choix de conception, dimensionnement et conditions opératoires sont principalement basées sur le savoir-faire des équipementiers et des connaissances expertes disponibles. Dans la littérature, l’optimisation de la MF 0.1 μm de lait écrémé est abordée en mono-objectif sur un problème posé empiriquement [2] ou sur l’influence spécifique d’une variable d’intérêt sur un groupe de variables choisies [3]. Ce travail vise à optimiser la microfiltration tangentielle 0.1 μm de lait écrémé depuis la conception jusqu’aux performances des produits avec des objectifs d’optimisation contradictoires en intégrant des connaissances expertes et scientifiques dans la formulation d’un problème multiobjectif. La méthodologie, basée sur « l'intégration des connaissances » se compose de quatre étapes : 1) l'acquisition de connaissances scientifiques et expertes sur les objectifs à optimiser ; 2) la modélisation des objectifs sous forme de fonctions calculables ; 3) la résolution du problème multiobjectif en utilisant un algorithme d'optimisation métaheuristique adapté ; 4) l'aide à la décision multicritère. Les objectifs considérés sont de maximiser la composition des fractions rétentat et perméat, de maximiser le rendement de récupération des protéines dans la fraction perméat et de minimiser les coûts économiques. Environ 1000 solutions Pareto-optimales ont été trouvées, dont des solutions proches de celles utilisées dans l'industrie et à moindre coût. L'optimisation multiobjectif de la MF a ouvert de nouvelles réflexions sur la conception des installations et les combinaisons de conditions opératoires en améliorant les caractéristiques du produit tout en maintenant constants les coûts d'investissement et de production. Le résultat de l'optimisation est une preuve de concept dont la faisabilité et la viabilité à l'échelle industrielle doivent être validées. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l'optimisation multiobjectif des procédés alimentaires.

Acid milk gels with fat (3.5 or 10%) or without fat containing 0.2–1% of whey proteins (WP) or 0.2–1.5% of protein aggregates (fractal aggregates, microgels and mixed casein/WP aggregates with an 80/20 ratio) were investigated. The fat-containing systems were homogenized and the systems were preheated (90 °C, 11 min) and acidified to a pH of 4.6 by adding glucono-delta-lactone. The protein composition of the fat droplet interface was characterized by SDS-PAGE and the textural and rheological properties, microstructure, and whey separation of acid networks were determined. WP and fractal aggregates showed the best ability to improve the textural properties and microstructure of all acid milk gels and reduce whey separation. Increasing the concentrations in microgels and mixed aggregates did not lead to an increase in gel firmness or generate a strong impact on the protein network, but a high concentration in mixed aggregates could reduce whey separation. The fat droplet interface was made almost exclusively of caseins, even if the fractal aggregates could also be adsorbed when the interfacial surface was increased either through fat content or through an increase in homogenization pressure. Adding proteins changes the textural properties of the acid gels in all the systems, mainly due to their role in the continuous phase.

The Maillard conjugation of proteins and reducing saccharides is used to modify the technological functionality of whey proteins. In this study, whey protein isolate (WPI) was conjugated with maltodextrin (at 1:1 ratio and two total solid contents of 100 and 200 mg mL−1) through the Maillard reaction and used to form cold-set gels. The glycation reaction increased the strength of hydrogen bonding of whey proteins and preferentially modified α-lactalbumin, in comparison with β-lactoglobulin. It also increased the reducing power of binary protein-saccharide solution and allowed formation of self-standing cold-set WPI gel at a low protein content (i.e., ≈50 mg mL−1). Microscopic imaging showed micro-phase separated maltodextrin domains, interrupting the protein network, in gels made of protein-maltodextrin physical mixtures, whereas Maillard conjugation resulted in more homogenous microstructures at both total solid contents. The Maillard reaction increased gel firmness and water-holding capacity and caused a reduction in the extent of gel swelling.

International audience; Heat treatments induce changes in the protein structure in infant milk formulas (IMFs). The present study aims to investigate whether these structural modifications affect protein digestion. Model IMFs (1.3% proteins), with a bovine or a human whey protein profile, were unheated or heated at 67.5°C or 80°C to reach 65% of denaturation, resulting in six protein structures. IMFs were submitted to in vitro static gastro-intestinal digestion simulating infant conditions. During digestion, laser light scattering was performed to analyze IMF destabilization and SDS-PAGE, OPA assay and cation exchange chromatography were used to monitor proteolysis. Results showed that, during gastric digestion, α-lactalbumin and β-lactoglobulin were resistant to hydrolysis in a similar manner for all protein structures within IMFs (p > 0.05), while the heat-induced denaturation of lactoferrin significantly increased its susceptibility to hydrolysis. Casein hydrolysis was enhanced when the native casein micelle structure was modified, i.e. partially disintegrated in the presence of lactoferrin or covered by heat-denatured whey proteins. The IMF destabilization at the end of the gastric digestion varied with protein structures, with larger particle size for IMF containing native casein micelles. During intestinal digestion, the kinetics of protein hydrolysis varied with the IMF protein structures, particularly for IMFs containing denatured lactoferrin, exhibiting higher proteolysis degree (67.5°C and 80°C vs. unheated) and essential amino acid bioaccessibility (67.5°C vs. unheated). Overall, the protein structures, generated by modulating the whey protein profile and the heating conditions , impacted the IMF destabilization during the gastric phase and the proteolysis during the entire simulated infant digestion.

Milk contains two types of proteins: Caseins and whey proteins. There are four caseins: α/β/γ/κ caseins that formed micelles in milk. Whey proteins are globular proteins between 12 and 200 kDa: α-lactalbumin; β-lactoglobulin; Serum albumin; Immunoglobulin and Lactoferrin. Industrials fractionate milk to produce whey protein and casein isolate to make ingredients for the formulation of dairy products. Whey protein isolate can be heated to functionalize or pasteurize them. The objective of these three studies are to characterize the isolates of whey proteins and the impact of heating treatment on whey protein fractions and formulations using different FFF techniques: Asymmetrical-FFF; 2D AsFlFFF-RPLC and Centrifugal-FFFWhey protein isolate heated at high temperature were studied by Centrifugal-FFF coupled with MALS and RI. Aggregates with the lowest density and size elute in the void peak and represent 51% of the mass fraction. For the bigger one, there are two populations: one smaller than 1 micrometer and one higher, up to 4.5 micrometers. For size determination, the biggest population fractionated has been collected and analyzed by DLS in batch. Infant milk formulation without fat was investigated by Asymmetrical Flow FFF coupled with MALS; QELS and RI. The formulation contains bovine milk and isolate whey protein fractions. The technique separates the non-aggregated whey protein to the casein micelles. The addition of lactoferrin partially disintegrated the casein micelles. The formulations are heated at 67.5°C or 80°C. Native whey protein content decreases with the heat treatment, leading to their aggregation on with the casein micelles. The phenomena depend on the temperature and protein composition. At 80°C, shape ratio Rg/Rh of casein micelles increase with the temperature when the formulation is enriched in lactoferrin. The Rg and Rh decrease when the formulation is enriched in α-lactalbumin and lactoferrin. Transmission Electronic Microscopy are correlated with these results. At 80°C, whey protein aggregates are fixed outside the micelle for the first formulation and they are fixed inside the micelles for the second formulation.Whey protein isolate contains few quantities of caseins. The second objective of this study is to identify the presence of trace of caseins in whey protein isolate using 2D AsFlFFF-RP-HPLC. This technique allows to separate proteins by their size and by their polarity. A whey protein standard mix is studied: α-lactalbumin, β-lactoglobulin A and B, BSA, and 3 caseins. A 2D map is obtained with all separated proteins.

International audience; During filtration of skimmed milk, the casein micelles accumulate at the membrane surface and their presence has a crucial impact on the performances of the operation and on the products properties. Information is still scarce, especially at ‘low’ temperature (≈8-12°C), about how the casein micelles behave at the membrane surface and interact in such concentrated regimes. The aim of this work was to understand the structural organization and behavior of concentrated casein micelles accumulated at the membrane during crossflow filtration (concentration, sol-gel transition, cohesiveness and reversibility) with a focus on impact of temperature. The strategy consisted in combining in-situ measurements by Small-Angle X-Ray Scattering coupled to crossflow filtration, with ex-situ characterization of concentrated dispersions of casein micelles using osmotic stress technique and rheology. Swelling-re-dispersion experiments were carried out to characterize the cohesiveness of micelles concentrates. During in-situ filtration performed at constant pressure, increasing temperature (12, 25, 42°C) increased permeate flux (which was mainly attributed to the decrease of viscosity of permeate) and led to higher accumulation of casein micelles and a thicker deposit. The relaxation of pressure showed that casein micelles deposit was more cohesive at low temperature. With osmotic stress and rheology experiments, it was observed that compressibility (concentration reached at given osmotic pressure) and sol-gel transition concentration of casein micelles increased with the temperature increasing from 7 to 20°C. Moreover, swelling of casein micelles gels at 7°C resulted in lower redispersion rate as compared to the swelling at 20°C regardless of the gel formation temperature. It was also observed that casein micelles gels obtained at 7°C are more cohesive than those prepared at 20°C. This work shows that carrying out filtration at low temperature led to a lower accumulation of casein micelle (lower compressibility of casein micelles), but to a higher cohesiveness of the accumulated micelles (lower sol/gel transition and swelling properties). These results were attributed to physico-chemical modifications of casein micelles (voluminosity, hydration) under temperature changes.

International audience; Background: Today's consumers demand natural and healthy functional food products with clean labels and less added ingredients and exogenous hydrocolloids. The goal is to produce dairy foods only made by using milk ingredients, while maintaining good sensory properties. Thanks to their multifunctional properties, dairy proteins are used to enhanced the texture of dairy products. However, their addition into dairy products can also have a great influence on taste and aroma perception. Scope and approach: This review concentrates on recent information regarding the impact of dairy proteins in dairy products with a focus on yogurts. The aim of the review is to highlight recent findings relating the composition and the physico-chemical properties of yogurts to their sensory properties. Key findings and conclusions: The addition of dairy proteins in yogurts induces changes in their microstructure, which can explain the modifications of their texture properties. Modifying the protein content also tends to decrease the release of most flavor compounds, which can impact the overall aroma balance and change aroma perception. Modifications of texture and aroma perceptions can also be due to cognitive interactions. Dairy protein aggregates are particularly promising as dairy texture enhancers, however almost no sensory studies have been performed to investigate their impact on texture and aroma perception. More studies focusing on the impact of dairy protein aggregates on the organoleptic qualities of yogurts and dairy products are needed to obtain natural and low-fat products while maintaining a desirable texture quality.

This study aimed to perform Temporal Dominance of Sensations by modality (M-TDS) combined with a multi-intake approach to investigate texture and flavor perception in semi-solid products. Trained panelists (n = 15) evaluated fat-free strawberry yogurts enriched with functional proteins involving texture modifications. As yogurt is a semi-solid product, its in-mouth residence time is short. A multi-intake approach was therefore expected to give more reliable information about the sensory properties perceived by panelists. The two modalities of texture and flavor were analyzed separately to characterize the effect of added proteins. Trials were made according to an experimental design with two factors (protein type and concentration) and three levels each. Different statistical treatments, taking or not the temporality of attributes into account, were performed on standardized and non-standardized data. The implementation of M-TDS was essential to highlight differences of flavor perception in addition to the more evident texture modifications. The study of sensory trajectories evidenced that texture modifications, induced by the use of different whey proteins, slightly modified the perception of flavor and sweetness. The global flavor perception of the samples varied with the number of spoons, which particularly impacted the taste attributes. This study highlighted the importance of using M-TDS when studying texture and flavor in semi-solid products, and the relevance of the multi-intake approach to characterize flavor perception. This methodology enabled panelists to evidence both marked texture differences and subtler flavor modifications, and these useful data were emphasized by combining different statistical treatments.

International audience; In the industrialized world, dairy products constitute an important part of the diet, especially in northern Europe and North America. In these regions, milk products contribute around 30% of the total dietary protein supply and represent about 65% of the intake of animal protein. The protein content of cow’s milk ranges from 32 to 35 g/L. There are two major types of milk protein: the caseins (80%), which are represented by four distinct proteins (αs1-,αs2-, β-, and κ-caseins), and the whey proteins (20%), which are represented by proteins such as β-lactoglobulin, α-lactalbumin, and lactoferrin. These two families of proteins are opposite in terms of structure. Caseins exhibit a loose and highly flexible structure and are associated into a supramolecular structure called the micelle, whereas whey proteins have a globular, well-defined three-dimensional structure. These structural differences between the two families markedly affect the behavior of these proteins in the gastrointestinal tract and particularly their susceptibility to hydrolysis by the digestive enzymes. The nutritive value of proteins, including milk proteins, is generally associated with their capacity to provide two components: nitrogen (related to protein quantity) and essential amino acids (related to protein quality). The overall nutritional efficiency of protein is most commonly measured via nitrogen retention, which assesses protein retention. In terms of protein quality, the nutritive value is related to the amino acid composition and the bioavailability of these amino acids. The content and the bioavailability of indispensable amino acids, that is, those that cannot be synthesized in the body and consequently must be supplied through the diet, are of particular concern.

Hydrophobisation of whey proteins, followed by erythritol addition into the hydrophobised protein dispersion, enables formation of water-in-water (W/W) emulsions of the proteins and alginate. In this study, we investigated the interfacial and gel rheology of whey proteins as affected by hydrophobisation, heat denaturation and erythritol addition. Additionally, the gel rheology of the resultant W/W emulsion was assessed. Hydrophobisation shortened the linear viscoelastic region and decreased the surface storage modulus ( G s ' ), the flow stress and the flow strain of protein layer at the air-liquid interface. Erythritol addition into the hydrophobised protein caused a further reduction of G s ' . In accordance with interfacial rheology, protein hydrophobisation and erythritol addition decreased the dynamic moduli of acid-induced protein gels. Frequency sweep tests indicated that the gelled emulsion had higher dynamic moduli than all WPI gels. The higher firmness of the emulsion gel was ascribed, based on microstructural images, to micro-phase separation of alginate droplets.

Milk contains two types of proteins: Caseins and whey proteins. There are four caseins: α/β/γ/κ caseins that formed micelles in milk. Whey proteins are globular proteins between 12 and 200 kDa: α-lactalbumin; β-lactoglobulin; Serum albumin; Immunoglobulin and Lactoferrin. Industrials fractionate milk to produce whey protein and casein isolate to make ingredients for the formulation of dairy products. Whey protein isolate can be heated to functionalize or pasteurize them. The objective of these three studies are to characterize the isolates of whey proteins and the impact of heating treatment on whey protein fractions and formulations using different FFF techniques: Asymmetrical-FFF; 2D AsFlFFF-RPLC and Centrifugal-FFF Whey protein isolate heated at high temperature were studied by Centrifugal-FFF coupled with MALS and RI. Aggregates with the lowest density and size elute in the void peak and represent 51% of the mass fraction. For the bigger one, there are two populations: one smaller than 1 micrometer and one higher, up to 4.5 micrometers. For size determination, the biggest population fractionated has been collected and analyzed by DLS in batch. Infant milk formulation without fat was investigated by Asymmetrical Flow FFF coupled with MALS; QELS and RI. The formulation contains bovine milk and isolate whey protein fractions. The technique separates the non-aggregated whey protein to the casein micelles. The addition of lactoferrin partially disintegrated the casein micelles. The formulations are heated at 67.5°C or 80°C. Native whey protein content decreases with the heat treatment, leading to their aggregation on with the casein micelles. The phenomena depend on the temperature and protein composition. At 80°C, shape ratio Rg/Rh of casein micelles increase with the temperature when the formulation is enriched in lactoferrin. The Rg and Rh decrease when the formulation is enriched in α-lactalbumin and lactoferrin. Transmission Electronic Microscopy are correlated with these results. At 80°C, whey protein aggregates are fixed outside the micelle for the first formulation and they are fixed inside the micelles for the second formulation. Whey protein isolate contains few quantities of caseins. The second objective of this study is to identify the presence of trace of caseins in whey protein isolate using 2D AsFlFFF-RP-HPLC. This technique allows to separate proteins by their size and by their polarity. A whey protein standard mix is studied: α-lactalbumin, β-lactoglobulin A and B, BSA, and 3 caseins. A 2D map is obtained with all separated proteins.

Microfiltration, MF is largely used in dairy industry to separate casein micelles from whey proteins. The weak performances of polymeric membranes compared to ceramic membranes are a restriction for their implementation in industry. Adding a diafiltration step is promising to improve polymeric MF performances, however most of the works have focused on the hydraulic performances and few have investigated the repercussion of diafiltration on protein separation. This work aims at investigating the impact of both the nature of solvent and the diavolume ratio on the MF efficiency. Pilot-scale MF using polymeric membrane (Synder, 800 kDa) was carried out on thermized skimmed milk at 12 °C with a volume reduction ratio, VRR from 2.5 to 3.2 and a transmembrane pressure of 0.7 bar. Continuous diafiltration was performed using reverse osmosis water (ROW) or milk ultrafiltrate (PUF). Permeation flux and β-lactoglobulin transmission were evaluated. During PUF-diafiltration of VRR-2.8-retentate, permeation flux is stable and β- lactoglobulin transmission declines by 26 % after 4.8 diavolumes. During ROW-diafiltration, permeation flux increases linearly until 2.9 diavolumes, then reaching an upper value. Simultaneously β-lactoglobulin transmission follows a parabolic curve with a maximum increase of 68 % for VRR-3.2-retentate and 10 % for VRR-2.5-retentate. According to Darcy’s law, the reduction of permeate viscosity during ROW-diafiltration leads to the improvement of permeation flux. This behavor is accentuated by the fouling layer relaxation consequent to the diminution of the ionic strength. In case of high repulsive forces in the concentration layer (low ionic strength), the transmission of negatively charged whey proteins is however restricted. The decrease of protein concentration during diafiltration may also limit whey protein transmission for high diavolume ratios. Diafiltration using ROW is recommended to increase transmission of whey proteins. However, volume of solvent has to be adapted to the VRR reached prior diafiltration to enable an optimum transmission

Dehydration by spray drying is a valuable technique for water evaporation, using hot air to stabilize the majority of dairy ingredients. In view of the increased development of filtration processes, the dairy industry requires greater understanding of the effects of spray drying on the quality of protein powders. Several publications have reported that the proteins have an important role in the mechanisms of water transfer during drying and rehydration. The residence time of the droplet and then the powder is so short that it is very difficult to study the mechanisms of the structural change in the protein without fundamental research into relationships with the process/product interactions. Following an introduction to spray drying, this chapter on the effects of drying on milk proteins covers seven areas: the world dairy powder situation, the properties of spray-dried milk products, the principles of spray drying, drying of proteins, reactions of dried proteins during storage, the rehydration of dried protein powders, and the characterization of insolubility formation.

International audience; Hydrophobised whey protein particles were prepared through successive acetylation and heat treatment practices, and the particle characteristics were modulated by CaCl 2 supplementation. Then, the usefulness of the hydrophobised protein particles for emulsification of a docosahexaenoic acid-rich oil was compared with that of heat-denatured whey protein. Addition of CaCl 2 into hydrophobised whey protein resulted in smaller protein particles and lower z-potential and interfacial tension values. It also decreased the creaming stability of the consequent emulsions. It was argued that besides Ca 2þ-protein charge interactions, Cl e anions bind to the hydrophobised particles, and the Pickering stabilisation of oil does not rely on interfacial tension reduction. Compared with heat-denatured whey protein, hydrophobised whey protein afforded a lower protection to oil against oxidation; the peroxide value of the oil emulsified using hydrophobised protein was higher during storage.

Introduction et but de l’étude: La pepsine, sécrétée dans l’estomac, est la première protéase rencontrée par les protéines alimentaires au cours de la digestion. L’estomac acidifie lentement les bols alimentaires et il a été montré que le pH gastrique a un impact majeur sur les cinétiques de protéolyse 1.En effet, il est généralement admis que la pepsine n’est active qu’à pH acide, pour pH ≤ 5, avec un maximum d’activité autour de pH 2 pour beaucoup de substrats 2.Elle est également représentée comme un diacide 3, ce qui semble vrai lorsqu’elle agit sur l’hémoglobine, substrat de référence pour mesurer son activité. Ce comportement en fonction du pH n’a pas été validé sur des mélanges de protéines alimentaires telles que les caséines, principales protéines du lait, ou les protéines du blanc d’œuf. L’objectif principal de cette étude est de comparer les profils d’activité de la pepsine en fonction du pH sur les caséines du lait de vache (CA) et les protéines du blanc d’œuf (BO).Matériel et méthodes: Les cinétiques d’hydrolyse de protéines de BO entier et de micelles de CA par la pepsine, à différents pH compris entre 1 et 8, ont été suivies au pH-stat pendant 2h, avec quantification du degré d’hydrolyse final (DH) par la méthode OPA. Les vitesses initiales ont été calculées à partir de ces cinétiques entre 0 et 5 minutes. Les concentrations en substrat et en pepsine étaient les mêmes pour chaque expérience, et l’environnement salin était celui du protocole INFOGEST 4. Les CA se présentent en structures supramoléculaires, les micelles, qui précipitent à pH acide. Une étape d’acidification à pH 4 des CA a permis d’étudier des suspensions d’agrégats tous formés dans les mêmes conditions. L’aspect et la taille de ces agrégats ont été observés par microscopie confocale et par morpho-granulométrie.Résultats et Analyse statistique: Les cinétiques d’hydrolyse obtenues suivent, dans leur majorité, des profils de type loi de puissance en fonction du temps. Pour les protéines de BO, le DH final est maximal à pH1 (14,4%) et diminue de manière linéaire en fonction du pH,jusqu’à atteindre des valeurs négligeables pour les pH ≥6. A l’inverse, les valeurs de DH finaux sur les CA ne sont pas significativement différentes sur la gamme de pH 1 à 5 (7,5 ± 1,4 %) puis diminuent à partir de pH 6 et atteignent des valeurs négligeables à pH 8.Le rapport entre la vitesse d’hydrolyse initiale et le DH final des CA est supérieur à celui des protéines du BO quel que soit le pH, suggérant une cinétique d’hydrolyse plus rapide pour les CA.Ces résultats montrent que les caséines du lait,dont le pH se situe un peu au-dessus de 6, n’ont pas besoin d’être longuement acidifiées pour que l’hydrolyse par la pepsine puisse commencer dans l’estomac, atteignant une activité quasi optimale de la pepsine dès pH 5.Conclusion: Les cinétiques d’hydrolyse par la pepsine en fonction du pH diffèrent donc entre un substrat de type protéines globulaires comme l’œuf, et les caséines du lait. Le profil d’activité de la pepsine en fonction du pH est également différent de celui du standard hémoglobine. En outre, contrairement à ce qui est généralement admis, la pepsine peut hydrolyser certains substrats à des pH plus hauts que pH 5.

National audience; Introduction et but de l’étude Le processus de fabrication des préparations pour nourrissons (PPNs) implique des traitements thermiques, modifiant les propriétés physico-chimiques des protéines et éventuellement leur cinétique de protéolyse. L'objectif de l'étude consiste en l’analyse des effets de la composition et des structures protéiques thermo-induites des PPNs sur la cinétique de protéolyse. Matériel et méthodes Deux PPNs modèles ont été formulées à 1,3% de protéines. Elles se distinguent par la qualité des protéines du lactosérum (α-lactalbumine, β-lactoglobuline et lactoferrine) : la PPN « standard » mime la composition protéique de la majorité des PPNs 1er âge commercialisées et la PPN « LF+ ALA+ » celle du lait maternel. Les PPNs ont été traitées thermiquement à 67,5°C ou 80°C avec un taux de dénaturation des protéines du lactosérum identique de 65%. Les PPNs sans traitement thermique ont servies de référence. Les structures protéiques thermo-induites ont été caractérisées par électrophorèse, fractionnement d’écoulement de champ couplé à la diffusion de lumière multi-angle et microscopie électronique. D’autre part, les PPNs ont été soumises à la digestion gastro-intestinale en condition statique in vitro au stade nouveau-né à terme (n = 3). Le degré d’hydrolyse a été mesuré par dosage des amines primaires, la cinétique de protéolyse suivie par électrophorèse et l’évolution de la structure au cours de la digestion par granulométrie à diffraction laser. Résultats et analyse statistique A taux de dénaturation protéique équivalent, les caractéristiques morphologiques des structures protéiques thermo-induites diffèrent selon la composition protéique des PPNs et la température de traitement thermique. La formation d’agrégats solubles a été observée uniquement pour la PPN « standard », tandis que la fixation de protéines dénaturées sur les micelles de caséines a été constatée pour les deux PPNs. Les agrégats formés à 67,5°C ont une plus petite masse pour la PPN « standard » et un plus petit diamètre pour la PPN « LF+ ALA+ » que ceux formés à 80°C. Au cours de la phase gastrique, le traitement thermique accélère la cinétique de protéolyse des caséines de la PPN « standard » contrairement à la PPN « LF+ ALA+ ». La cinétique de protéolyse de l’α-lactalbumine dépend de la composition protéique des PPNs et de la température de chauffage de la PPN « LF+ ALA+ ». La protéolyse de la lactoferrine est fortement affectée par le traitement thermique. Les entités protéiques formées par agrégation en fin de phase gastrique sont affectées par la composition protéique des PPNs et le traitement thermique. Conclusion Notre étude a permis de mettre en évidence les effets de la composition protéique des PPNs et des structures protéiques thermo-induites sur les cinétiques de protéolyse. Ces deux paramètres sont donc à prendre en compte pour l’optimisation des PPNs en termes de stratégie nutritionnelle.

National audience; La fortification du lait de femme (LF) est une pratique courante dans l’alimentation des prématurés, pour les aider à rattraper leur retard de croissance. Les fortifiants, généralement à base de protéines de lait de vache hydrolysées (FV), peuvent poser des problèmes d’intolérances alimentaires de par l’immaturité du système digestif du prématuré. Un nouveau fortifiant à base de protéines entières de lait d'ânesse (FA) a été mis au point et testé lors d’un essai clinique randomisé chez les prématurés. Il a été démontré que la fortification de LF par FA réduisait l'intolérance alimentaire, les résidus gastriques bilieux et les épisodes de vomissements par rapport à FV, contenant des protéines hydrolysées. Le but de ce travail était d’évaluer comment ces différents fortifiants (FA, FV) affectaient la digestion des macronutriments (protéines et lipides) du LF. Matériel et méthodes: Du LF d’enfant prématuré, enrichi avec FA ou FV en conditions isoprotéique et isocalorique, a été digéré à l’aide d’un modèle de digestion in vitro dynamique adapté aux conditions digestives du nouveau-né prématuré. Les échantillons ont été prélevés à différents temps de digestion gastro-intestinale et ont été caractérisés en termes de protéolyse par suivi en électrophorèse et par mesure du degré d’hydrolyse (technique OPA) et de lipolyse par chromatographie en couche mince. La microstructure a été suivi au cours de la digestion par granulométrie à diffraction laser (distribution de taille de particules) et microscopie confocale. Résultats et Analyse statistique : Les cinétiques d’hydrolyse des protéines majoritaires de LF ne différaient pas entre les laits au cours de la digestion. Concernant le degré d’hydrolyse global, il était plus élevé avant digestion pour LF+FV que pour LF+FA de par la présence de protéines hydrolysées dans FV. Cette différence était maintenue entre les deux laits au cours de la digestion, mais l’écart était réduit en fin de phase intestinale. Le degré de lipolyse augmentait de la même manière pour les deux types de fortifications au cours de la digestion. De gros agrégats étaient présent dans LF+FA avant et pendant la digestion gastrique. La taille de ces particules était réduite après 60 min de digestion gastrique. Dans la phase intestinale, l'évolution de la taille des particules était similaire entre LF+FA et LF+FV. Conclusion: La libération des peptides et acides aminés est ralentie pour le lait de femme fortifié avec les protéines entières de lait d’ânesse par rapport à celui fortifié aux protéines hydrolysées de lait bovin. Ceci sera compléter par le dosage des peptides et acides aminés libérés au cours de la digestion. Apporter des protéines entières au nouveau-né avec le FA pourrait d’apporter au prématuré les acides aminés de manière plus progressive, et pourrait ainsi avoir un intérêt physiologique bénéfique pour la maturation du système digestif et immunitaire

National audience

International audience; The production of milk powders is a strategic sector of the dairy industry. Due to its complex macromolecular composition, shedding light on the mechanisms governing milk drying constitutes a main industrial concern and a scientific challenge at the same time. In this study, we used the single droplet[1] and the directional drying[2] approaches to investigate the evaporation of colloidal mixes of the two major milk proteins (whey protein isolates and native phosphocaseinates). Notably, we observed the crack development in the samples to evaluate the competitive impact of the physico-chemical properties of whey proteins (rigid globular shape) and casein micelles (deformable sponge-like structure) on the drying process. Our outcomes are potentially useful to better control the functional properties of milk powders. Furthermore, they contribute to improve the understanding of the drying mechanisms in binary colloidal systems, which are still far from being fully elucidated.

International audience; Spray drying is a well-established process, but the phenomena ruling droplet-to-particle transition remain black box, resulting in variable powder properties and drying performances. Therefore, understanding precisely how the particle is formed and how to control its properties remain a major challenge. This work aims to breakdown the complexity of the drying phenomena using an exploratory multi-scale approach. Particle formation of different milk proteins (whey proteins and casein micelles) was investigated using different experimental systems (single pendant droplet, mono-dispersed droplets and spraying cone droplets) in controlled drying environments. The results showed that the drying of a single protein droplet included three distinct stages highlighting the occurrence of specific morphological events (constant rate shrinkage, buckling instability, vacuole nucleation). According to the type of proteins, these stages differed in drying kinetics and droplet dynamics, leading to characteristic and reproducible particle shapes irrespective of the droplet configuration and the drying conditions. These different drying behaviors were related to specific skin formation mechanisms at droplet air-liquid interface and consequent responses of the protein material to internal stresses. In this work, we aimed at understanding how the different physico-chemical properties of whey proteins (rigid globular shape) and casein micelles (deformable sponge-like structure) affect the mechanisms of formation of such a skin, and from this the particle final shape. However, the full understanding of the drying process of biocolloids is far to be achieved and, notably, the impact of solute properties on the morphological characteristics of the evaporating droplets, such as colloid segregation, skin formation and crack pattern development is not elucidated yet. To this aim, the use of model colloidal solutions, whose rheological behavior is more easily deducible, could represent a significant boost. Consequently, we compared the drying of droplets of whey proteins and casein micelles to that of dispersions of silica particles and polymer-coated silica particles, respectively. The mechanical behavior of such biological colloids and model silica dispersions was investigated through the analysis of crack formation, and the measurements of their mechanical properties using indentation testing. The study reveals numerous analogies between dairy and corresponding model systems, thus confirming these latter as powerful tools to highlight the signature of the matter on the drying process and at the molecular scale. The outcomes presented in this work represent a first step to shed light on the physics of drying dairy droplets; they open the road to further investigation about mixes of milk proteins. Moreover, the observation of mixtures of dairy colloids would contribute to improve the knowledge about the evaporation of colloidal polydisperse systems, which represents a current scientific challenge.

Les desserts lactés sont des produits émulsionnés très appréciés pour la variétédes textures qu’ils proposent. Pour les produits acidifiés type yaourts, la texture dépend de la formation du réseau de caséines mais pour les produits àpH neutre, elle est obtenue par l’utilisation d’agents épaississants ou gélifiants. Cependant la présence de protéines pré-agrégées, peut suffire pour texturer une émulsion en connectant les gouttelettes pour former un réseau. Dans ce travail, nous avons recherchéquelles étaient les conditions optimales permettant de développer ce réseau et de générer des textures plus ou moins fermes. Pour cela, nous avons testé différents types d’agrégats de protéines sériques, fractals ou globulaires, en mélange avec des protéines solubles afin de mieux comprendre les phénomènes de compétition pour l’interface durant les phase d’homogénéisation de la phase grasse. En variant la concentration et le ratio protéines solubles/agrégées ainsi que la fraction volumique de la phase grasse et la taille des gouttelettes d’émulsion, nous avons construit des diagrammes d’état mettant en évidence trois comportement rhéologique. Un premier domaine concerne des émulsions liquide qui restent fluides au stockage, un second, d’émulsion gélifiées en sortie d’homogénéisation et un dernier, présentant un comportement liquide en sortie d’homogénéisation mais qui gélifient lors du refroidissement/stockage. Nous avons pu expliquer ces différents comportements par la composition de l’interface, la structure des agrégats et la distance moyenne entre gouttelettes. La texturation des émulsions est régie par la formation de liaison covalentes de type SS mais également par des liaisons de faibles énergie. La réversibilitéde ces dernières permet à ces émulsions gélifiées de présenter une capacitéde cicatrisation après cisaillement. La mise en œuvre de cette technique nécessite cependant une grande maitrise de la composition des mélanges protéiques et de la taille des gouttelettes car elle est très sensible àdes effets de seuil et àla présence d’autres tensioactifs même à faible concentration.

The production of dairy powders, involving high added value products such as high protein powders and infant milk formulas, has nowadays become strategic for the dairy industry. Due to their complex composition in terms of proteins and macromolecules, shedding light on the underlying mechanisms governing the evaporation of such dairy products constitutes a main industrial concern and a scientific challenge at the same time. In this study, we used the single droplet approach to investigate the evaporation of dairy solutions consisting of the two major milk protein components (whey proteins and native micellar caseins), alone or in mixes with different whey protein to casein ratio. In the works performed in our group in the last decade[1-3], we demonstrated that studying the drying of such biocolloidal systems at the single droplet stage is consistent to predict the behavior at larger industrial drying scale. We observed that the droplet-to-particle transition that characterizes the evaporation of dairy mixes consists of three main phases: pure shrinkage, skin formation and buckling, and finally end of the process. Here, we mainly focused on the gradual development of the droplet gelled skin due to the continuous sol-gel transition at the air-liquid interface (buckling stage). In particular, we aimed at understanding how the different physico-chemical properties of whey proteins (rigid globular shape) and casein micelles (deformable sponge-like structure) affect the mechanisms of formation of such a skin and therefore the particle final shape. To this end, we estimated in real-time the internal flows in drying droplets of whey protein and casein mixes by optical microscopy (particle tracking and particle image velocimetry). Simultaneously, the development of the skin due to the continuous solute migration was visualized by both optical and confocal microscopy. In addition, an elemental analysis by scanning electron microscopy was realized on the dried particle skin of the different mixes to extract further information about the specific deposition of the two colloidal components during the desiccation process. Our outcomes highlight the strong impact of both chemical composition and physical structure of whey proteins and casein micelles on the duration and the intensity of the internal flows during the drying of mixes, as well as on the mechanisms of organization of the external skin throughout the evaporation process. These results represent a promising progress in order to improve the control of the functional properties of milk powders. Furthermore, they contribute to improve the understanding of the drying mechanisms in binary colloidal systems, which are still far from being fully elucidated.

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.

Les connaissances actuelles sur la microfiltration tangentielle 0.1 µm de lait écrémé (MF), un procédé de fractionnement des deux grands types de protéines du lait, sont principalement basées sur le savoir-faire des opérateurs et les connaissances expertes disponibles. L’optimisation multiobjectif du procédé requiert dans un premier temps de formuler le problème multiobjectif ; cette étape est centrale car c’est à travers elle que les objectifs sont explicités. Pour la MF, les données de la littérature sont insuffisantes à la représentation et à l’optimisation en simultané des objectifs contradictoires de la MF (maximiser la productivité et les propriétés des fractions obtenues et minimiser les coûts économiques et l'impact environnemental). Aucun modèle de simulation de la MF n’existe, en raison de la complexité du lait et des mécanismes de transformation mis en jeu lors de la filtration, et ce manque de modèle est un frein à l’optimisation multiobjectif du procédé [1]. La formulation du problème peut donc passer par un recueil de connaissances auprès d’experts, comme cela a été montré dans d’autres domaines [2]. L’objectif de ce travail est d’intégrer les connaissances expertes à la formulation du problème d’optimisation. Afin de faciliter le recueil de connaissances et l’identification des experts, le domaine de la MF a été divisé en neuf sous-domaines thématiques (Fig.1). Les connaissances et savoir-faire sont recueillis par la technique de l’interview semi-structurée [3] et sont représentés sous forme de cartes causales (Fig.2) [4]. Pour réaliser le recueil de connaissance, les objectifs de l’optimisation ont tout d’abord été définis. En prenant en compte les problématiques industrielles, les experts ont défini cinq objectifs -maximiser le rendement de récupération des protéines dans le perméat de la MF, maximiser la composition des fractions de rétentat et de perméat, minimiser les coûts d'investissement et de fonctionnement- auxquels il a été rajouté la minimisation de l’impact environnemental. Le problème d’optimisation de la MF est multidisciplinaire et les connaissances nécessaires à la modélisation et la résolution du problème sont partagées entre plusieurs experts. Pour chaque sous-domaine, une carte causale est établie par expert puis validée par ce dernier. Les cartes d’un même sous-domaine sont fusionnées, discutées et validées par le groupe d’experts concernés. La carte causale globale, obtenue de la même façon par fusion des cartes des sous-domaines, est le modèle de connaissances qui sera la base de la modélisation des objectifs de l’optimisation. Pour chaque sous-domaine, entre deux et cinq experts –industriels laitiers, équipementiers/assembliers et/ou chercheurs- ont été interviewés afin de recueillir les variables qui influencent les objectifs de l’optimisation. Neuf experts au total ont été interviewés avec en moyenne 90 minutes par expert. La carte causale globale comporte 152 variables et 318 relations d’influences. L’intégration des connaissances expertes sur les objectifs de l'optimisation et les variables qu'ils mettent en œuvre a permis d’identifier, via les cartes causales établies, les relations d’influence entre les variables et entre les variables et les objectifs. Elle a aussi permis d’identifier des trous de connaissances à combler par des actions de recherche, tel que l’impact de la diafiltration sur les caractéristiques des fractions obtenues, avant de pouvoir considérer l’opération de fractionnement dans son intégralité. La mise en équations du modèle de connaissance permettra d’optimiser en simultané les objectifs contradictoires de la MF afin de trouver les meilleurs compromis Pareto-optimaux dont certaines pourraient correspondre à des innovations de ruptures.

National audience; The Toulouse FFF Center (TFFFC) project aim is the development of a shared research platform for characterization of complex samples using Field-Flow Fractionation technologies. The project is built around collaborative projects with partners from various fields of activities such as agrifood, polymer chemistry, renewable carbon valorization and analytical equipment. The financial support of the Region Occitanie, European funds and industrial partners make possible the creation of an analytical platform dedicated to FFF technologies unique in Europe and to develop innovative approaches and tools allowing the characterization of complex samples by these Field-Flow Fractionation technologies. The performance of these techniques will be evaluated for the characterization various nano and micro-structures like proteins. We will also develop analytical methodologies using different FFF techniques to better characterize complex milk protein samples used as agro-food texturing agents and lignocellulosic materials, a product of interest in renewable carbon chemistry. These projects will be carried out in collaboration with industrial partners.

International audience; This paper aims at presenting a consistent Life Cycle assessment of the environmental impact of an industrialmilk protein fractionation process at the level of unit processes (gate to gate approach), focusing on the effectivecontribution of both the production and the cleaning steps. The precise assessment of the impact of cleaningstages could indeed constitute key issues for the optimisation and management of food plants. The results showthat the production phase accounts for approximately two-thirds of the environmental impact of the entire foodmanufacturing process, and the cleaning phase for more than 30% of the total impact. The latter is, however,underestimated due to methodological drawbacks and partly unavailable data. Among both the production andthe cleaning stages the most impacting unit processes are the membrane and the thermal operations mainly dueto the single-use of cleaning solutions and several temperature changes. Hence, for reduction of the overallenvironmental impact of the milk protein fractionation process it is advisable to primarily focus on improvementand optimisation of the microfiltration operation and secondly, on the thermal units.

Whey protein products are of widespread use as food ingredients because of their high nutritional, biological and functional properties. Whey proteins are important structural components in many foods as used in their native form, for example for their heat-induced gelation abilities. Furthermore, they also offer reliable functionalities when modified by heating processes as denatured or aggregated proteins. Heat treatment of whey proteins in a liquid state has received much attention in recent years. While dry heating of whey proteins, say heating whey proteins in the dry state, is frequently cited in the literature as a potential and efficient means to improve the functional properties of proteins, it has received very little attention. We report first on the dry heating of whey products as applied to promote glycation of whey proteins with a low denaturation, and second, to promote their denaturation and aggregation and on their consequences on the functional properties of whey proteins.

International audience; Understanding how proteins stabilize amorphous calcium orthophosphate (ACP) phases is of great importance in biology and for pharmaceutical or food applications. Until now, most of the former investigations about ACP−protein stability and equilibrium were performed under conditions where ACP colloidal nanoclusters are surrounded by low to moderate concentrations of peptides or proteins (15−30 g L−1). As a result, thequestion of ACP−protein interactions in highly concentrated protein systems has clearly been overlooked, whereas it corresponds to actual industrial conditions such as drying or membrane filtration in the dairy industry for instance. In this study, the structure of an ACP phase is monitored in association with one model phosphorylated protein (casein) using solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) under two conditions of high protein concentration (300 and 400 g L−1). At both concentrations and at 25 °C, it is found that the caseins maintain the mineral phase in an amorphous form with no detectable influence on its structure or size. Interestingly, and in both cases, a significant amount of the nonphosphorylated side chains interacts with ACP through hydrogen bonds. The number of these interacting side chains is found to be higher at the highest casein concentration. At 45 °C, which is a destabilizing temperature of ACP under protein-free conditions, the amorphous structure of the mineral phase is partially transformed at a casein concentration of 300 g L−1, while it remains almost intact at a casein concentration of 400 g L−1. Therefore, these results clearly indicate that increasing the concentration of proteins favors ACP−protein interactions and stabilizes the ACP clusters more efficiently.

International audience; The objectives of the study were to: 1 Determine whether gastric emptying of an isoproteic solution of CM and CS are different or not (exp. 1) 2 Characterize the structure of the resulting chyme and determine if CM and CS are differently metabolized (exp. 2)

Food is a complex combination of chemically diverse structures, influenced by composition andprocessing. The nutritional quality of food cannot be solely based on individual contents in nutrientsas food structure will strongly modulate the bioaccessibility of nutrients upon digestion. In previousstudies, the most common approach for measuring the extent of proteolysis and nutrient uptake wasto compare the initial macroscopic features of ingested food to final concentrations in thebloodstream. However, there is limited literature to the support underlying mechanisms of thedigestion of food in the stomach and enzyme diffusion in solid food substrates. In the present work,the influence of casein protein gel microstructure on enzymatic digestion was investigated for thefuture development of personalised foods. Casein gels with an identical composition, but differing bythe coagulation mode, were characterized and submitted to simulated gastric digestion. The changesin gel structure over time were studied using confocal microscopy and small angle x-ray scattering(SAXS). The molecular interactions that occur as a gel network is formed, and subsequently brokendown under digestive conditions will be discussed.

Modelling and optimizing food processes is a complicated task due to the high complexity of the food product itself, the lack of knowledge concerning mechanisms limiting process performances [1], and to the heterogeneity of the involved variables (ordinal, cardinal, discrete or continuous variables). This is the case for skim milk crossflow microfiltration with 0.1 μm pore size (MF 0.1 μm). This operation is commonly used in dairy industry to separate proteins: native casein micelles (retentate) are used in cheese making while serum proteins (permeate) are mainly used in food formulations for specific populations (elderly people, infants, etc). Despite the high interest in MF in the dairy sector, this process is not optimized by considering the different conflicting objectives of the industry such as maximizing protein recovery in the permeate fraction while minimizing economic costs. The choices of membrane configurations, processing designs and operating conditions are based on the know-how of operators and the available expert knowledge. This knowledge is partial and does not take into account links between the process operating variables, product state variables and optimization objectives. When the optimization of MF 0.1 μm is performed, it is often described as mono-objective and empirical problem [2] or as study cases showing the influence of one variable on a group of chosen variables [3]. This article presents a methodology for collecting, collating and representing expert knowledge necessary to the design of food processing multi-objective optimization problems focusing on skim milk MF.2. MethodsThe proposed methodology has four steps: formulation of the multi-objective optimization problem, modelling optimization objectives as functions, optimization of objective functions and choice of a solution to implement [4]. In this work, the focus is on the problem formulation. TheMF 0.1 μm optimization problem is multidisciplinary and the knowledges necessary to formulate and solve the problem are shared between several experts. By dividing the problem domain into domains of knowledge, the identification of experts and the knowledge collection are easier [5]. The semi-structured interview was used to elicit know-how and knowledge from experts. The influence relations between variables and objectives were collected from the interviews and represented as causal maps. Graphical representation allows expert to exchange easily about influence relations. After validations, maps of the same knowledge domain were merged, discussed and validated by the group of the domain experts. Maps represent the knowledge models to use for formulating the optimization objectives as functions from the literature or experimental data.3. Results and discussionIn this work, the operational objective is to be able to compare optimized microfiltration systems within a global process that can accept different membranes, processing designs and operating conditions. Optimization objectives were defined with the stakeholders: ten experts and decision makers. First, ten objectives were defined and reduced to six regarding industrial issues (maximization of the retentate composition, permeate composition, permeate protein recovery and stability of the permeation flux and minimization of the investment cost and operating cost). The MF 0.1 μm optimization problem domain was divided into nine knowledge domains: membrane properties, performance of the filtration, operating variables, permeate fraction, retentate fraction, process design, costs and environmental impacts. Each knowledge domain benefited from two to seven experts. Knowledge was collected during 36 interviews representing 14h30 of audio recording. For each knowledge domain, a causal map by expert was established and the whole merged as the causal map of the domain. After validations, each domain causal maps were discussed and validated by the different domain experts (industrialists, scientists, equipment manufacturers). One very important point of this step was to define a shared glossary and a generic process scheme representative of all the specific schemes. By the end, the extracted causal relations between variables were represented in 9 maps using approximately 250 variables.4. ConclusionsThe optimization problem studied is complex with conflicting objectives and heterogeneous variables. The integration of expert knowledge allows the identification of relevant objectives regarding to industrial issues. The MF process is considered from conception to performances with the identification of lack of knowledge in order to plan new experiments. Causal maps allow an easy to understand representation of the influences between the variables and make it possible to establish which variables influence which objectives. Based on these maps, the objective functions will be formalized allowing to perform the optimization.

National audience

National audience; Ultra- and microfiltration of skim milk are widely used in the dairy industry for concentration and the fractionation of milk proteins. However their performances are limited by formation of a concentrated fouling layer of casein micelles at the membrane surface. Some precedent results on the possibly effect of operating conditions have been highlighted by Qu et al. (2012) and Jin et al. (2014). Nevertheless, there is a lack of knowledge on the behaviour of concentrated layer (sol-gel transition and reversibility) at different operating conditions. Consequently, the aim of this work is to elucidate the local structure and time dependant organization of casein micelles fouling layer under various operating conditions thanks to in-situ small-angle X-ray scattering SAXS during cross-flow ultrafiltration. This allowed to (i) distinguish the thickness and local solid concentration profiles in flowing (sol) and stagnant (gel) parts of the fouling layer; (ii) discriminate the effect of time, transmembrane pressure TMP, shear and temperature on the sol-gel transition; (iii) study the reversibility of the sol-gel transition under the moderate laminar cross flow. Material and Methods Dispersion with initial casein micelle concentration of 54.7 g.L-1 (2.1 C0 with C0 = 26 g.L-1) was prepared from casein micelle powder (Promilk 802 B, Ingredia, Arras, France) dispersed in preliminary obtained milk ultrafiltrate (Qu et al., 2012). The dispersions were prepared by thoroughly mixing the casein powder in a UF permeate for 15h at 35°C. SAXS experiments were performed at ID02 High Brilliance beamline of ESRF (Grenoble, France) with the help of specially developed SAXScross-flow ultrafiltration cell (Jin et al., 2014). Polyethersulfone ultrafiltration membrane with nominal MWCO of 100 kDa (Pleiade, Orelis Environnement, France) was used for filtration. Those experiments allowed to access to the structural organization at nanometer length scales and concentration profiles at the vicinity of the membrane surface. The profiles of casein micelles concentration in the fouling layer (local casein concentration versus distance to membrane) were obtained with spatial resolution of 20 μm. The impact of transmembrane pressure (10 and 110 kPa), cross-flow velocity (0.03, 0.05 and 0.15m.s-1) and, notably, temperature (12, 25 and 44°C) on the local structure of fouling layer was studied during different stages of filtration (layer formation → relaxation → erosion). Results and Discussion Filtration run in figure 1 was carried out at v = 0.03m.s-1 and TMP = 110 kPa. A second step of relaxation was performed by reducing the TMP at 10 kPa. Finally, erosion step at 10 kPa and 0.15m.s-1 was applied to try to eliminate the fouling layer. Such conditions allow to build a thick casein micelle layer of around 125 μm (Fig. 1) with a maximal concentration of 7.5 C0 (around 195 g.L-1) close to the membrane (z = 30 μm) above the sol- gel transition (180g/L), according to Bouchoux et al. (2009) and Jin et al. (2014). The SAXS analysis revealed that this highly concentrated layer is mostly reversible since it lasts a 50-70 μm of casein micelles layer reaching 3.5 C0 (around 91 g.L-1) close to the membrane. The effect of temperature on the concentration profile and its reversibility has been studied for three independent filtrations (Fig. 2). Concentrated layer thickness increased with temperature: from ∼100 μm at 12°C to 150 μm at 25°C and 200 μm at 44°C (after 183 ± 9min of filtration) and decreased with shear. However, the concentration distribution profile did not evolve with layer thickness. A maximal concentration is observed for filtration performed at 25°C. Irreversibility is similar for all the temperatures since a 3.5 C0 (around 91 g.L-1) fouling layer close to the membrane is lasting after pressure relaxation. Conclusion In-situ SAXS measurements during cross-flow ultrafiltration of casein micelles allowed to follow the formation and reversibility of concentration polarization layers as a function of time, TMP, cross-flow and temperature conditions. It leads to identify sol-gel transition of casein micelles near the membrane surface and to distinguish which part was reversible and eliminated by TMP relaxation. Those results are important for understanding the mechanisms of concentration during cross-flow filtration and they could be used to adjust the filtration parameters

National audience; Classiquement, la texture des desserts lactés à pH neutre, est obtenue grâce à des épaississants ou des gélifiants. Dans certaines conditions, des agrégats de protéines laitières sont également capables de connecter les gouttelettes de l’émulsion et de texturer le système. Au cours de ces travaux, nous avons étudié la capacité de différents agrégats à texturer des émulsions tout en faisant le lien avec leurs propriétés d’adsorption et d’étalement à l’interface dans un mélange complexe contenant aussi des protéines solubles. L’objectif était de contrôler la compétition d’adsorption entre ces différentes espèces et au final, la composition interfaciale, afin de maîtriser la texture des émulsions. Les résultats montrent la possibilité de texturer les émulsions pendant l’homogénéisation (gel instantané) mais également au cours du stockage (gel différé), et ce, même pour des teneurs en matière grasse faible.

Unravelling the mechanisms of food digestion to improve our knowledge of the effect of food on human health. 4. Simposio de Alimentos e Nutriçao

Les protéines solubles du lait pour texturer les aliments. journée scientifique "science des aliments et valorisation des bio-produits"

Mécanismes de formation de l’interface au cours du procédé de séchage : approche multiéchelles appliquée aux poudres laitières. journée scientifique "science des aliments et valorisation des bio-produits"

International audience; Water-in-water (W/W) or aqueous two-phase system (ATPS) emulsions are finding increasing applications in diverse fields of technology, for instance as protocells [1], and reactors for the synthesis of hydrogel particles [2], and enzyme-laden microgels [3]. Successful ATPS emulsification depends on thermodynamic incompatibility between two (bio)polymers, causing segregative phase separation [4]. Herein, we demonstrate that hydrophobization of whey proteins, by grafting acetyl moieties and heat denaturation, makes the proteins immiscible with a co-charged polysaccharide solution (alginate). Addition of erythritol, which is a low-calorie and zero-glycemic sugar alcohol, to the hydrophobized protein solution, enhanced emulsification and increased the stability of the resulting emulsion. Subsequently, the acid-induced gel properties of the emulsion was studied by dynamic rheometry and confocal microscopy. Erythritol addition reduced the surface tension (at the air-water interface) of the hydrophobized protein solution, enhancing the incompatibility between protein and alginate. It also postponed the gelation time of the hydrophobized protein solution and resulted in formation of a softer gel. Confocal imaging of the emulsion gel confirmed micro-phase separation of alginate and the droplets aggregation in the protein-rich matrix.

International audience; The main destabilisation processes in aqueous foams are liquid drainage, coalescence and disproportionation. In food sciences, the measurement of protein foam stability generally integrates all of them in a “global stability”, and a challenge is to correlate the stability and rheology of foams to the properties of interfaces. We adopted a multi-scale approach by combining the interfacial rheology of proteins adsorbed at the air–water interface, the dynamics of protein films after T1 topological rearrangements (Fig. 1), and macroscopic foam characterisations: the foam stability against drainage was evaluated by following the evolution of the liquid fraction as a function of time and height (Fig. 2) [1], and the foam complex modulus and yield stress were measured under oscillatory shear. We investigated the behaviour of dairy proteins (whey protein isolate and purified β-lactoglobulin), either in the native state or after modification by dry-heating and/or pH adjustment prior to dehydration. Our results show that small-extent structural modifications of proteins have a dramatic impact on interfacial rheology, liquid film dynamics, foam stability and foam rheology. This approach, correlating multiple investigation scales, sheds light on the contribution of the interfacial rheology to protein foam properties, in particular through the involvement of film relaxation dynamics.

Fouling of falling film evaporators during the concentration of wheys . STLOpendays

Balance of inter and intra casein micelle interactions during enzymatic coagulation of milk . STLOpendays

Optimization of membrane processes for fractionation of dairy proteins. STLOpendays

understanding properties of casein micelles concentrated layers during crossflow filtration. STLOpendays

Understanding and modelling of dairy protein drying based on single and monodisperse droplet experiments . STLOpendays

International audience; The evaporation of colloidal solutions is frequently observed in nature and in everyday life. The investigation of the mechanisms taking place during the desiccation of biological fluids is currently a scientific challenge with potential biomedical and industrial applications. In the last few decades, seminal works have been performed mostly on dried droplets of saliva, urine and plasma. However, the full understanding of the drying process in biocolloids is far from being achieved and, notably, the impact of solute properties on the morphological characteristics of the evaporating droplets, such as colloid segregation, skin formation and crack pattern development, is still to be elucidated. For this purpose, the use of model colloidal solutions, whose rheological behavior is more easily deducible, could represent a significant boost. In this work, we compare the drying of droplets of whey proteins and casein micelles, the two main milk protein classes, to that of dispersions of silica particles and polymer-coated silica particles, respectively. The mechanical behavior of such biological colloids and model silica dispersions was investigated through the analysis of crack formation, and the measurements of their mechanical properties using indentation testing. The study reveals numerous analogies between dairy and the corresponding model systems, thus confirming the latter as a plausible powerful tool to highlight the signature of the matter at the molecular scale during the drying process

Classiquement, la texture des desserts lactés à pH neutre, est obtenue grâce à des épaississants ou des gélifiants. Dans certaines conditions, des agrégats de protéines laitières sont également capables de connecter les gouttelettes de l’émulsion et de texturer le système. Au cours de ces travaux, nous avons étudié la capacité de différents agrégats à texturer des émulsions tout en faisant le lien avec leurs propriétés d’adsorption et d’étalement à l’interface dans un mélange complexe contenant aussi des protéines solubles. L’objectif était de contrôler la compétition d’adsorption entre ces différentes espèces et au final, la composition interfaciale, afin de maîtriser la texture des émulsions. Les résultats montrent la possibilité de texturer les émulsions pendant l’homogénéisation (gel instantané) mais également au cours du stockage (gel différé), et ce, même pour des teneurs en matière grasse faible.

National audience