Comportement de la fraction minérale laitière en fonction des conditions physico-chimiques : de la précipitation des sels de phosphates de calcium à la prédiction des équilibres minéraux du lait

English. Milk contains a mineral fraction (8-9 g/L), distributed between a soluble phase and a micellar phase which consists of casein micelles. The ionic equilibria between these phases determine the physicochemical characteristics of casein micelles and consequently the stability of milk and its suitability for technological processing. A better understanding of the ionic environment and the dynamics of salt equilibria during milk processing allows a better control of the product quality. This thesis aimed to: i) determine the properties of calcium phosphate salts formed under different physicochemical conditions. ii) determine the association constants and the number of binding sites of calcium towards casein and different chelating molecules present in milk. iii) develop a theoretical model, as a user-friendly software, for calculating ionic equilibria of milk as a function of pH and the total concentrations of caseins and minerals. In a first part, the precipitation of calcium phosphates was studied as a function of physicochemical conditions (pH, temperature, Ca/P ratio...) in model systems of increasing complexity. The structural characterization of the calcium phosphate precipitates using Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction and electron microscopy revealed the presence of several salts whose type, crystallinity, size and morphology depend mainly on the pH of precipitation and the presence of other ions in the solution. The results of this work are of particular interest for the recovery of calcium phosphate present in industrial dairy byproducts. In a second part, a method based on modelling of free calcium (Ca2+), measured using a calcium ion selective electrode, was used to determine the binding parameters (association constants and the number of binding sites) of Ca2+ towards caseins, Caseinophosphopeptides (CPP), citrate and pyrophosphate. Some constants so determined have been used in the theoretical model described below. Finally, we proposed a theoretical model for predicting ionic equilibria in milk. This model considered a soluble phase containing ions and soluble salts and a micellar phase represented by carboxylate and phosphoseryl residues of caseins as the main binding sites of calcium. The interactions of ions were based on reciprocal affinities of cations and anions and took into account the solubility of calcium phosphate. The ionic equilibria were calculated at room temperature (20 - 25° C) from total concentrations of minerals and caseins and took into account the pH and ionic strength. The comparison of theoretical and experimental results obtained from acidified milks and mineral-enriched milks showed a good agreement. This model, with a userfriendly graphical interface, is proposed to researchers and dairy processors as a decisionmaking tool for predicting mineral equilibria in different dairy formulae. This model could be improved to predict the ionic equilibria in dairy concentrates by integrating the pH and other temperature values.

French. Le lait contient une fraction minérale de 7 à 9 g/L, répartie de manière complexe entre une phase soluble et une phase micellaire constituée par les micelles de caséines. Les équilibres minéraux entre ces deux phases conditionnent les caractéristiques physicochimiques de la micelle de caséines et par conséquent la stabilité du lait et son aptitude à la transformation technologique. Une meilleure connaissance de l’environnement ionique et de la dynamique des équilibres minéraux au cours de la transformation du lait permet une meilleure maîtrise de la qualité des produits. Cette thèse avait pour objectifs de : i) déterminer les propriétés des sels de phosphate de calcium formés dans différentes conditions physicochimiques. ii) préciser les constantes d’association et le nombre de sites de fixation du calcium par les caséines et différentes molécules chélatantes présentes dans le lait. iii) élaborer un modèle théorique optimisé et validé expérimentalement, sous forme d’un logiciel convivial, permettant de calculer les équilibres minéraux du lait en fonction du pH et des compositions en caséines et en minéraux. Dans une première partie, la précipitation des sels de phosphate de calcium a été étudiée en fonction des conditions physicochimiques (pH, température, rapport Ca/P…) dans des systèmes modèles de complexité croissante. La caractérisation structurale des précipités de phosphate de calcium par les techniques de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, de diffraction des rayons X et de microscopies électroniques ont révélé la présence de plusieurs sels dont le type, la cristallinité, la taille et la morphologie dépendent essentiellement du pH de précipitation et des autres ions présents dans la solution. Les résultats de ces travaux présentent un intérêt particulier pour la valorisation des phosphates de calcium présents dans les coproduits de l’industrie laitière. Dans une deuxième partie, une méthode basée sur la modélisation des concentrations de calcium ionique (Ca2+) mesurées à l’aide d’une électrode spécifique a permis de déterminer les paramètres d’interaction (constantes d’association et nombre de site de fixation) de Ca2+ avec les caséines, les caséinophosphopeptides, le citrate et le pyrophosphate. Certaines constantes ainsi déterminées ont été intégrées dans le modèle théorique de calcul des équilibres minéraux du lait décrit ci-après. La méthode mise au point dans ce travail peut être étendue à l’étude des interactions du calcium avec d’autres molécules présentant une affinité pour cet ion. Enfin, nous avons proposé un modèle théorique pour le calcul des équilibres minéraux du lait. Ce modèle considère une phase soluble contenant les ions et sels solubles et une phase micellaire représentée par les résidus phosphoséryls et carboxyliques des caséines qui sont les principaux sites de fixation des cations notamment le calcium. Les interactions des ions sont basées sur les affinités respectives entre cations et anions et tiennent de la solubilité du phosphate de calcium. Les équilibres minéraux sont calculés à température ambiante (20 à 25 °C), à partir des concentrations totales en minéraux et en caséines et tiennent compte du pH et de la force ionique. La comparaison des résultats théoriques et expérimentaux obtenus sur des laits acidifiés et des laits enrichis en sels a montré une bonne corrélation. Ce modèle doté d’une interface graphique conviviale est proposé aux chercheurs et aux professionnels de l’industrie laitière comme un outil d’aide à la décision pour la prédiction des équilibres minéraux dans différentes formules laitières. Il est à présent envisagé d’améliorer ce modèle afin de prédire les équilibres minéraux en milieux concentrés en intégrant le pH et d’autres valeurs de température.