Le lait est un aliment d’un intérêt exceptionnel. Le lait n’est pas seulement un excellent aliment pour les très jeunes. Les humains se sont aussi adaptés au lait, spécifiquement au lait de vache, aliment pour les personnes de tous âges. Plusieurs produits dérivés du lait comme le fromage, le yaourt, le beurre et la crème glacée font partie des aliments de base de notre diète.
Le lait est probablement l’aliment complet le plus nutritif pouvant être trouvé dans la nature. Cette propriété est importante pour le lait puisque c’est le seul aliment que les jeunes mammifères consomment dans les semaines suivant leur naissance. Le lait entier contient des vitamines (thiamine, riboflavine, acide pantothénique, vitamine B1, vitamine B2, vitamine A, vitamine D et vitamine K), des minéraux (calcium, potassium, sodium, phosphore et des traces d’autres métaux), des protéines (qui incluent toutes les acides aminés essentiels), glucides (principalement le lactose) et des lipides (les matières grasses). Les seuls éléments importants qui manquent dans le lait sont le fer et la vitamine C. Les nourrissons naissent normalement avec un surplus de fer emmagasiné assez grand pour répondre à leurs besoins pour plusieurs semaines. Leurs besoins en vitamine C sont facilement assurés par un supplément de jus d’orange. La composition du lait varie d'une espèce animale à l'autre car les besoins de chacune sont différents. La composition moyenne du lait de plusieurs mammifères est résumée dans ce tableau :
Vache | Humain | Chèvre | Brebis | Jument | |
Eau | 87.1 % | 87.4 % | 87.0 % | 82.6 % | 90.6 % |
Protéines | 3.4 % | 1.4 % | 3.3 % | 5.5 % | 2.0 % |
Matières grasses | 3.9 % | 4.0 % | 4.2 % | 6.5 % | 1.1 % |
Glucides | 4.9 % | 7.0 % | 4.8 % | 4.5 % | 5.9 % |
Minéraux | 0.7 % | 0.2 % | 0.7 % | 0.9 % | 0.4 % |
Les protéines
Les protéines peuvent être classées en deux grandes catégories générales : les protéines fibreuses et les protéines globulaires. Les protéines globulaires ont tendance à se replier sur elles-mêmes pour former des unités compactes qui ressemblent fortement à des formes sphériques. Ce type de protéine ne forme pas de liens intermoléculaires entre les unités de protéines comme le font les protéines fibreuses et sont plus facilement solubilisées pour former une solution colloïdale. Il y a trois sortes de protéines dans le lait : la caséine, la lactalbumine et la lactoglobuline. Elles sont toutes des protéines globulaires.
Les caséines représentent plus de 80% des protéines présentes dans le lait. La caséine est une phosphoprotéine, ce qui veut dire qu’il y a des groupements phosphate attachés à quelques-unes des chaines d’acides aminés. Ils sont attachés principalement à un groupement hydroxyle des groupements fonctionnels de la sérine et de la thréonine. La caséine est un mélange d’au moins trois protéines similaires, la caséine α, la caséine β et la caséine κ . Ces trois protéines diffèrent entre elles principalement par leur masse moléculaire et le nombre de groupements phosphate qu’elles contiennent.
Protéine | Masse moléculaire | Groupements phosphates |
caséine α | 27 300 g/mol | ~ 9 |
caséine β | 24 100 g/mol | ~ 4-5 |
caséine κ | ~ 8 000 g/mol | ~ 1.5 |
Les caséines sont constituées de tous les acides aminés naturels, avec une prédominance des acides aminés acides sur les acides aminés basiques comme le montre l'exemple de la caséine α dans ce tableau:
Acide aminé | % (g/100g) | Acide aminé | % (g/100g) |
Glycine | 2,3 | Thréonine | 4,9 |
Alanine | 3,8 | Cystérine/cystine | 0,4 |
Valine | 6,3 | Méthionine | 2,5 |
Leucine | 7,9 | Proline | 7,6 |
Isoleune | 6,4 | Aspartique/asparagine | 8,4 |
Phénylalanine | 4,6 | glutamique/glutamine | 22,5 |
Tryptophane | 1,6 | Lysine | 8,9 |
Tyrosine | 8,1 | Histidine | 2,9 |
Sérine | 6,3 | Arginine | 4,3 |
La caséine existe dans le lait sous la forme du sel de calcium (caséinate de calcium). Ce sel a une structure complexe. Il est composé de caséine α, de caséine β et de caséine κ, qui forment une micelle ou une unité solubilisée. La α caséine et la β caséine, individuelles ou combinées, ne sont pas solubles dans le lait. Si la κ caséine est ajoutée à l’une ou l’autre ou à une combinaison des deux, le résultat est un complexe de caséine qui est soluble à cause de la formation d’une micelle.
Voici une structure proposée pour la micelle de caséine :
La caséine κ stabilise la micelle. Puisque la caséine α et la caséine β sont des phosphoprotéines, elles sont précipitées par les ions de calcium. Ce précipité
(Ca3(PO4)2) est clairement insoluble.
La protéine caséine κ a moins de groupements phosphate et beaucoup de glucides lié à elle. De plus, tous les résidus de sérine et de thréonine (qui ont des groupements hydroxyle), ainsi que les glucides liés, se retrouvent seulement d’un seul de ses côtés extérieurs. Cette portion de sa surface extérieure est facilement soluble dans l’eau à cause des groupements polaires présents. L’autre portion de sa surface extérieure se lie facilement à la caséine α et la caséine β, et les solubilise en formant un colloïde de protection ou une micelle autour d’elles. Puisque la totalité de la surface extérieure de la micelle peut être solubilisée dans l’eau, celle-ci est soluble dans son ensemble.
La présence des phosphates et d'un excès de groupements acides, dû à l'abondance des acides aminés acides, donnent aux caséines un point isoélectrique(pH) d'environ 4.6, valeur relativement basse pour une protéine Par conséquent, elles sont insoluble dans une solution d’un pH inférieur à 4,6. Le pH du lait est d’environ 6,6, ce qui veut dire que la caséine à une charge négative à ce pH et est solubilisé comme un sel. Si un acide est ajouté au lait, les charges négatives de la surface externe de la micelle seront neutralisées et la protéine devenue neutre précipitera.
Ca2+ Caséinate + 2HCl → Caséine↓ + CaCl2
La précipitation des caséines, à pH à 4,6, entraîne aussi les matières grasses qui ne sont plus alors stabilisées par les protéines. Le liquide restant, appelé petit lait, contient principalement du lactose mais aussi les autres protéines (lactalbumines et lactoglobulines) et les minéraux du lait, y compris le calcium, qui ne précipitent pas avec les caséines. Quant aux vitamines, les liposolubles (vitamines A et D) suivent les graisses tandis que les hydrosolubles restent dans le petit lait.
La précipitation des caséines, à pH à 4,6, entraîne aussi les matières grasses qui ne sont plus alors stabilisées par les protéines. Le liquide restant, appelé petit lait, contient principalement du lactose mais aussi les autres protéines (lactalbumines et lactoglobulines) et les minéraux du lait, y compris le calcium, qui ne précipitent pas avec les caséines. Quant aux vitamines, les liposolubles (vitamines A et D) suivent les graisses tandis que les hydrosolubles restent dans le petit lait.
Les ions de calcium restent en solution. Quand le lait surit, l’acide lactique produit par l’action des bactéries abaisse le pH du lait et provoque la même réaction de coagulation.
La caséine dans le lait peut aussi être coagulée par l’action d’une enzyme appelée rénine. La rénine se retrouve dans le quatrième estomac des jeunes veaux. La nature du caillot et le mécanisme de coagulation diffèrent lorsque la rénine est utilisée. Le caillot formé en utilisant la rénine (paracaséinate de calcium) contient du calcium.
Ca2+ caséinate → ca2+ paracaséinate + une petite protéine
La rénine est une enzyme hydrolytique (peptidase) et agit spécifiquement pour briser les liaisons peptidiques entre les restes de phénylalanine et de méthionine. La rénine attaque la caséine κ en brisant sa chaine d’acides aminés de manière à libérer un petit segment de celle-ci. Ceci détruit la surface de la caséine κ qui est soluble dans l’eau et qui protège la caséine α et la caséine β, ce qui fait que la micelle en entier précipite en tant que paracaséinate de calcium. Le lait peut être décalcifié par un traitement avec l’ion oxalate, qui formera un sel de calcium insoluble. Si les ions de calcium sont retirés du lait, un caillot sera formé quand le lait sera traité avec la rénine.
Les caillots formés par l’action de la rénine sont vendus sous le nom de fromage cottage. Le liquide restant est appelé le petit-lait. Les caillots peuvent aussi être utilisés dans la fabrication de certains fromages. Les caillots sont lavés, pressés pour enlever tout restant de petit-lait et hachés. Après ce traitement, ils sont fondus, trempés et moulus, Les caillots moulus sont ensuite salés, pressés dans des moules et laissés de côté pour vieillir.
Les albumines sont des protéines globulaires qui sont solubles dans l’eau et dans les solutions salées. Ils sont dénaturés et coagulés par la chaleur. La seconde protéine la plus abondante dans le lait est la lactalbumine. Une fois que la solution est devenue acide et que les caséines ont été retirées du lait, les lactalbumines peuvent être isolées en chauffant le mélange pour le faire précipiter. L’albumine typique a une masse moléculaire d’environ 41 000.
Le troisième type de protéine présente dans le lait est la lactoglobuline. Les lactoglobulines sont présentes en plus petite quantité que les albumines et sont dénaturées et précipitées dans les mêmes conditions que pour les albumines. Les lactoglobulines transportent les propriétés immunitaires du lait. Elles protègent les jeunes mammifères jusqu’à ce que leur propre système immunitaire soit développé.
Les lactalbumines et les lactoglobulines comptent environs 15% des protéines du lait, il s'agit de protéines globulaires de masse molaire moyenne (de 14 000g/mol à 18 000g/mol) solubles dans l'eau.
Les matières grasses
Le lait entier est un genre d’émulsion entre l’huile et l’eau contenant 4% de gras dispersé en globule (5-10 MICRONS de diamètre). Les molécules sont si petites qu’une goutte de lait en contient des millions. Comme le gras du lait est finement dispersé, il est plus facile à digérer que tout autre aliment gras. L’émulsion du gras est stabilisée, dans une certaine mesure, par un complexe de phospholipides et de protéines qui sont absorbé à la surface des globules/molécules. Les molécules de gras qui sont plus légères que l’eau, fusionnent au repos pour finalement remonter à la surface du lait formant une couche de crème. Puisque les vitamines A et D sont solubles dans la graisse, elles sont emporter à la surface du lait avec la crème. Dans le commerce, la crème est enlevée par centrifugation et l’écrémage et elle est récupérée pour faire de la crème à café (half and half), vendue comme crème fouettée, convertie en beurre ou en crème glacée. Le lait qui est récupéré est appelé lait écrémé. Le lait écrémé, excepté pour son manque de gras et des vitamines A et D, a approximativement la même composition que le lait entier. Si le lait est homogénéisé, la teneur en gras ne se séparera pas. Le lait est forcé de passer dans un petit trou afin d’être homogénéisé. Ce procédé brise les molécules de gras et réduit leur grosseur à environ 1 ou 2 micro diamètre.
Composition en acides gras des lipides du lait de vache
Les lactalbumines et les lactoglobulines comptent environs 15% des protéines du lait, il s'agit de protéines globulaires de masse molaire moyenne (de 14 000g/mol à 18 000g/mol) solubles dans l'eau.
Les matières grasses
Le lait entier est un genre d’émulsion entre l’huile et l’eau contenant 4% de gras dispersé en globule (5-10 MICRONS de diamètre). Les molécules sont si petites qu’une goutte de lait en contient des millions. Comme le gras du lait est finement dispersé, il est plus facile à digérer que tout autre aliment gras. L’émulsion du gras est stabilisée, dans une certaine mesure, par un complexe de phospholipides et de protéines qui sont absorbé à la surface des globules/molécules. Les molécules de gras qui sont plus légères que l’eau, fusionnent au repos pour finalement remonter à la surface du lait formant une couche de crème. Puisque les vitamines A et D sont solubles dans la graisse, elles sont emporter à la surface du lait avec la crème. Dans le commerce, la crème est enlevée par centrifugation et l’écrémage et elle est récupérée pour faire de la crème à café (half and half), vendue comme crème fouettée, convertie en beurre ou en crème glacée. Le lait qui est récupéré est appelé lait écrémé. Le lait écrémé, excepté pour son manque de gras et des vitamines A et D, a approximativement la même composition que le lait entier. Si le lait est homogénéisé, la teneur en gras ne se séparera pas. Le lait est forcé de passer dans un petit trou afin d’être homogénéisé. Ce procédé brise les molécules de gras et réduit leur grosseur à environ 1 ou 2 micro diamètre.
Les gras du lait sont principalement des triglycérides, mais on trouve aussi un peu de phospholipides (principalement des léchitines) et quelques traces de lipides non saponifiables (stérols et carotènes). Pour ce qui est des acides gras, ce sont les pourcentages indiqués :
C2 (3,0%) C8 (2,7%) C14 (25,3%) >C18 (~5%)
C4 (1,4%) C10 (3,7%) C16 (9,2%)
C6 (1,5%) C12 (12,1%) C18 (1,3%)
Ainsi, environ le deux tiers des acides gras sont saturés, et environ un tiers sont insaturés. Le lait est un composé spécial qui contient 12 % d’acide gras qui sont de courtes chaines d’acides.
Les lipides additionnelles (graisses et huiles) inclus une petite quantité de cholestérol, phospholipides, lécithines (phospholipides liés à des cholines). Les structures des phospholipides et de la lécithine sont SHONW. Les phospholipides aident à stabiliser l’émulsion du lait entier ; les groupes de phosphates aident à atteindre partiellement la solubilité de l’eau pour les molécules de gras. Les lipides ne sont pas solubles dans l'eau; ils sont cependant très solubles dans plusieurs solvants organiques et en particulier dans le diéthyléther.Tout le gras peut être enlevé du lait par extraction avec de l’éther de pétrole ou un solvant organique semblable.
La composition en acides gras des triglycérides du lait est assez complexe. Voyons à titre d'exemple la composition approximative des principaux acides gras des lipides du lait de vache; tel que le veut la coutume pour les lipides, les acides gras sont identifiés par leur nom trivial. Le lait de vache contient majoritairement des acides gras saturés comprenant, entre autres, plusieurs petits acides de moins de dix carbones que l'on trouve rarement dans les autres lipides.
La composition en acides gras des triglycérides du lait est assez complexe. Voyons à titre d'exemple la composition approximative des principaux acides gras des lipides du lait de vache; tel que le veut la coutume pour les lipides, les acides gras sont identifiés par leur nom trivial. Le lait de vache contient majoritairement des acides gras saturés comprenant, entre autres, plusieurs petits acides de moins de dix carbones que l'on trouve rarement dans les autres lipides.
Composition en acides gras des lipides du lait de vache
Acides gras | Formules | Nb de carbones | % (g/100g) |
Acide butyrique | CH3-(CH2)2 –CO2H | 4C | 3-4g |
Acide caproïque | CH3-(CH2)2-CO2H | 6C | 2-5g |
Acide caprylique | CH3-(CH2)6-CO2H | 8C | 1-1,5g |
Acide caprique | CH3-(CH2)8-CO2H | 10C | 2-2,7g |
Acide laurique | CH3-(CH2)10-CO2H | 12C | 2-4g |
Acide myristique | CH3-(CH2)12-CO2H | 14C | 11-12g |
Acide palmitique | CH3-(CH2)14-CO2H | 16C | 25-30g |
Acide stéarique | CH3-(CH2)16-CO2H | 18C | 10-12g |
Acide arachidique | CH3-(CH2)18-CO2H | 20C | 0,2-0,5g |
Acide palmitoléique | CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-CO2H | 16C | 2-4g |
Acide oléique | CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-CO2H | 18C | 23-28g |
Acide linoléique | CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)2-(CH2)6-CO2H | 18C | 2-4g |
Hydrates de carbones (glucides)
Quand les gras et les protéines sont enlevés du lait, ils restent ples glucides puisqu'elles sont solubles dans une solution aqueuse. Le principal hydrate de carbone du lait est le lactose. Il est très soluble dans l'eau. on le retrouve solubilisé principalement sous la forme d'un mélange de deux isomères (deux anomères): l'alpha-lactose (environ 33%) et le bêta-lactose (environ 66%). Le lactose est par contre peu soluble dans l'éthanol et il peut facilement être cristallisé dans le solvant. Le lactose cristallise ordinairement sous la forme alpha (avec une molécule d'eau d'hydratation). Le lactose, un disaccharide, est le seul hydrate de carbone que les mammifères synthétisent. Hydrolysé, le lactose donne une molécule de D-glucose et une molécule de D-galactose. Elles sont synthétisées dans les glandes mammaires. Dans ce processus, une molécule de glucose est convertie en galactose et joint à une autre molécule de glucose. Le galactose serait apparemment nécessaire au développement du nourrisson afin de bâtir le cerveau et les tissus du système nerveux. Les cellules du cerveau sont constituées en partie de glycolipides. Un glycolipide est un triglycéride dans lequel les groupements d’acides gras ont été remplacés par un sucre, dans ce cas ci, le galactose. Le galactose est plus stable (à l’oxydation métabolique) qu’un glucose et offre un meilleur matériel pour former des structures dans la cellule.
Bien que presque tous les nourrissons humains puissent digérer le lactose, plusieurs adultes perdent la faculté de digérer le lactose avant d’atteindre la maturité et ce, depuis que le lait compose une part importante de leur diète. L’enzyme appelé lactase est nécessaire pour digérer le lactose. La lactase est sécrétée par les cellules du petit intestin. Il sépare le lactose en deux composantes du sucre qui sont plus facile à digérer. S’il est mal adsorbé par le petit intestin, les restes demeurent dans le tube digestif, ce qui peut potentiellement causer des reflux d’eau. Ceci peut causer des crampes et des diarrhées aux individus concernés. Les personnes avec une intolérance au lactose ne peuvent pas boire plus d’un verre de lait par jour. Cette déficience est plus commune chez les noirs, mais elle c’est aussi fréquente chez les personnes âgées de race blanche.
Le lactose peut être enlevé du lait en ajoutant de l’éthanol puisqu’il est insoluble dans cette solution. Lorsque le lactose est mélangé à l’éthanol, il se cristallise. Lorsque le lait est laissé à la température de la pièce, celui-ci suri. Plusieurs bactéries sont présentes dans le lait, particulièrement le lactobacillus. Cette bactérie agit sur le lactose du lait pour produire le gout aigre de l’acide lactique. Ces microorganismes hydrolysent le lactose et produisent les acides lactiques d’une partie du galactose qui fait parti de la structure du lactose.
Par exemple, le lait ou la crème est généralement capable de surir en présence d’un peu de bactérie d’acide lactique avant d’être brassé pour faire du beurre. Le liquide restant après le brassage est sure et il est appelé babeurre. Les autres produits du lait incluent la crème, le yogourt, and certains types de fromages.
Séparation des principaux constituants du lait
Une des méthodes utilisées pour séparer les trois principaux constituants du lait consiste à acidifier d'abord le lait à un pH voisin du point isoélectrique des caséines (environ 4,6) en se servant d'un acide faible et l'acide éthanoïque (appelé aussi acide acétique en nomenclature triviale). Cet acidification entraîne la coagulation et la précipitation des caséines et des graisses en une masse granuleuse et collante, appelée caillé, et laisse une solution de lactose et de protéines solubles (plus quelques minéraux et vitamines) appelé petit lait.
La concentration du petit lait en présence de carbonate de calcium permet d'éliminer l'excès d'acide et de précipiter les protéines solubles. L'addition d'éthanol et de charbon activé suivie d'une filtration produit alors une solution éthanoïque limpide, débarrassée de toutes autres protéines, dont on isole l'alpha-lactose par cristallisation.
Pour séparer les caséines des graisses, le caillé est lavé avec un solvant mixte de propanone et de diéthyléther. Ces lavages font passer les graisses en solution dans un solvant organique et le résidu, qui reste après filtration, correspond alors aux caséines. Les caséines ainsi obtenues restent cependant légèrement contaminées par des matières grasses. On procède enfin à une évaporation du solvant organique du filtrat pour récupérer ces graisses.
Séparation des principaux constituants du lait
Une des méthodes utilisées pour séparer les trois principaux constituants du lait consiste à acidifier d'abord le lait à un pH voisin du point isoélectrique des caséines (environ 4,6) en se servant d'un acide faible et l'acide éthanoïque (appelé aussi acide acétique en nomenclature triviale). Cet acidification entraîne la coagulation et la précipitation des caséines et des graisses en une masse granuleuse et collante, appelée caillé, et laisse une solution de lactose et de protéines solubles (plus quelques minéraux et vitamines) appelé petit lait.
La concentration du petit lait en présence de carbonate de calcium permet d'éliminer l'excès d'acide et de précipiter les protéines solubles. L'addition d'éthanol et de charbon activé suivie d'une filtration produit alors une solution éthanoïque limpide, débarrassée de toutes autres protéines, dont on isole l'alpha-lactose par cristallisation.
Pour séparer les caséines des graisses, le caillé est lavé avec un solvant mixte de propanone et de diéthyléther. Ces lavages font passer les graisses en solution dans un solvant organique et le résidu, qui reste après filtration, correspond alors aux caséines. Les caséines ainsi obtenues restent cependant légèrement contaminées par des matières grasses. On procède enfin à une évaporation du solvant organique du filtrat pour récupérer ces graisses.
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