La filtration membranaire de jus de fruits et extraits végétaux

La fabrication industrielle des jus de fruits : objectifs de séparation, techniques conventionnelles et limites

La fabrication industrielle de jus de fruits, nectars et autres boissons à base de fruits nécessite une succession d’operations unitaires dont l’ordre et la nature peuvent varier en fonction du fruit considéré et du produit final visé. Ce procédé peut néanmoins être schématisé par la figure I – 1, avec des premières étapes visant à obtenir des fruits sains, lavés et calibrés à partir desquels sera extrait le jus par la suite, généralement par simple pressurage. Ce jus extrait subit ensuite une étape de clarification, puis de stabilisation avant d’etre finalement conditionne comme jus de fruit pret a consommer. Le jus extrait peut egalement etre concentre afin d’etre utilisé comme ingrédient pour la production de nectars et de jus de fruits à base de concentrés. En parallèle de la chaîne de production, de nombreux déchets sont générés, comme les marcs issus du pressurage des fruits ou encore les eaux résiduaires issues de l’etape de lavage. Parmi les étapes nécessaires a la fabrication d’un produit de qualite, plusieurs sont basees sur le fractionnement de la suspension répondant à des objectifs précis de séparation : clarification, stabilisation et/ou concentration. La clarification est une étape clef du procédé de fabrication qui intervient generalement apres l’etape d’extraction du jus. Les jus de fruits fraichement presses sont naturellement troubles du fait de la présence plus ou moins marquée de résidus végétaux en suspension (cellulose, hémicellulose, amidon et lipides) et de macromolecules dispersees (pectines, proteines, parties solubles de l’amidon, certains polyphénols et leur dérivés oxydés ou condensés) [2].

Si les composés en suspension, sensibles aux forces gravitationnelles, vont présenter une tendance naturelle à sédimenter, les entités finement dispersées peuvent, elles aussi, etre sujettes a la sedimentation par l’action d’enzymes endogenes comme la pectine methylesterase (PME) qui modifient l’equilibre colloidal. Ces phenomenes de sédimentation limitent la stabilité du jus au cours du stockage [3,4]. L’etape de clarification vise principalement à éliminer totalement ou partiellement les composés responsables du trouble du produit, trouble qui joue un rôle important sur sa qualité sensorielle (couleur, texture, apparence) et sur sa facilité à être transformé (produit standardisé, stabilité au stockage) [5]. La clarification permet également de standardiser la teneur en pulpe, eliminant des elements plus gros constitues de debris ou d’amas cellulaires. Si les pulpes participent peu au trouble [6], elles jouent un rôle important dans la qualité organoleptique du jus et peuvent être particulièrement recherchées dans le cas de certains jus (e.g. jus d’agrumes). La clarification va ainsi permettre de produire un jus clarifié, auquel peut être ajouté un pourcentage contrôlé de pulpe.

Le jus clarifié et/ou contenant des pulpes fines et calibrées trouvera différentes applications (ingrédients alimentaires, jus prêt à consommer, etc.) [2]. En pratique, l’etape de clarification se divise généralement en deux étapes. En premier lieu, une étape de raffinage du jus est réalisée. Cette dernière consiste à séparer le jus brut très pulpeux de ses grosses parties fibreuses et est generalement realisee par le biais d’un tamisage grossier [6]. Puis, l’etape de clarification a proprement parler est réalisée, soit de façon mécanique (décantation, centrifugation) ou par une combinaison de methodes chimiques favorisant la floculation (traitement enzymatique, addition d’agents de collage) suivies par des méthodes mécaniques pour la séparation finale (filtration conventionnelle) [2,6,7]. Si ces traitements sont efficaces et amplement utilisés pour réduire la turbidité des jus, ils présentent néanmoins certains inconvénients (récupération des enzymes et des agents de collage complexe, procedes discontinus, intensifs pour la main d’oeuvre et couteux en temps) [3,5,8]. La clarification du jus est suivie par une étape de stabilisation microbiologique qui vise à réduire la charge microbienne du jus et à en allonger la durée de vie. Actuellement, les traitements thermiques restent les méthodes les plus employées pour stabiliser les jus et boissons à base de fruits, notamment les traitements haute temperature (> 80 °C) comme la pasteurisation, la sterilisation et l’appertisation [9].

Cependant, ces temperatures importantes sont a l’origine d’une degradation des composes thermosensibles du jus (anthocyanes, caroténoïdes, vitamines, protéines bioactives, etc.), entrainant des impacts négatifs sur leurs propriétés nutritives et sensorielles [10]. Par ailleurs, ces techniques nécessitent des procédures de chauffage qui peuvent se révéler coûteuses en énergie. Il faut cependant souligner que ces traitements thermiques ne visent pas uniquement à stabiliser les jus de fruits mais peuvent egalement permettre d’inactiver ou de reduire l’activite de certaines enzymes endogenes du jus qui peuvent etre a l’origine de modifications indésirables de la qualité sensorielle et nutritives des jus [9]. La stabilisation des jus de fruits peut etre suivie d’une etape de concentration, largement appliquée au niveau industriel pour reduire les couts de stockage et d’expedition. Ces jus concentres servent ensuite d’ingredients pour la production de jus de fruits a base de concentres (par ajout d’eau) ou de nectars. L’evaporation thermique sous vide est la technique la plus conventionnellement utilisee pour la concentration des jus de fruits. Malgré une détérioration amoindrie par le travail sous vide, les températures opérationnelles restent assez élevées pour induire, dans certains cas, une perte significative des caractéristiques sensorielles et nutritionnelles du jus : oxydation des lipides et de l’acide ascorbique, réaction de Maillard entre les acides aminés et les sucres, dégradation des pigments comme les anthocyanes, les caroténoïdes et la chlorophylle [5,11].

Conduite de l’opération de filtration

Un choix de paramètres opératoires (mode de travail) et membrane (nature chimique, structure, taille des pores, geometrie) adequat va permettre d’optimiser les performances du procede [2]. A ce jour, une grande variété de géométries membranaires a été étudiée pour le traitement de suspensions a base de fruits. La microfiltration et l’ultrafiltration sont généralement conduites avec des membranes tubulaires [19–22,24,26,27,34–38,52] se présentant sous la forme de tubes mono ou multicanaux. Ces membranes sont bien adaptées au traitement de produits visqueux et chargés en matière en suspension mais présentent une faible compacité et des volumes morts relativement importants. Elles peuvent être de nature inorganique [20,21,34–37,52] ou organique [19,22,24,26,27,33,38]. Le matériau membranaire a une influence importante sur les performances du procede, la charge d’investissement et la charge operationnelle. Les membranes inorganiques sont onéreuses mais sont à priori (de par leur nature minérale peu propice aux interactions physicochimiques), moins sensibles au colmatage et présentent donc un nettoyage facilité et une durée de vie assez longue. Au contraire, les membranes organiques sont peu coûteuses mais plus sensibles au colmatage du fait d’une affinite potentiellement importante avec les suspensions organiques. Elles nécessitent donc un nettoyage plus lourd auquel elles sont par ailleurs plus sensibles ce qui leur confère une durée de vie plus courte. Les membranes fibres creuses sont également amplement utilisées pour traiter des suspensions à base de fruits [11,23,29,30,34,39,52,53]. Elles sont composees d’un ensemble de fibres empotées à une ou aux deux extrémités et sont exclusivement de nature organique.

Leur usage est reserve aux suspensions peu visqueuses et peu chargees du fait d’un diametre de fibre relativement petit. Elles présentent néanmoins de nombreux avantages, notamment leur forte compacité et leur coût peu élevé. Dans le cas des membranes fibres creuses comme des tubulaires, la filtration est réalisée en interne-externe : la suspension a filtrer circule a l’interieur du tube ou fibre et le permeat est recolte a l’exterieur. Quelques publications portent également sur la filtration de jus de fruits a l’aide de membranes planes et spiralees (filtration interne-externe) [25,31,32,54]. Si elles présentent des compacités et des coûts intéressants, ces deux géométries ne permettant pas de traiter des produits chargés. Leur utilisation reste marginale dans le domaine du traitement de suspensions à base de fruits et se limite a des applications de nanofiltration ou d’osmose inverse. Concernant les paramètres opératoires, la filtration membranaire de jus de fruits est quasiment exclusivement realisee par l’application d’une pression constante qui assure la permeation à travers la membrane [11,20–23,28,31,34–36]. Sous ce mode de travail, la rétention des composés par la membrane va se traduire par une diminution du flux de perméat au fur et à mesure de la filtration. Pour limiter cette diminution du flux, la filtration des jus de fruits est à ce jour systématiquement réalisée en mode tangentiel.

Le mode tangentiel (en opposition au mode frontal) consiste à faire circuler le fluide parallèlement à la surface membranaire, permettant de créer un gradient de cisaillement à proximité de la surface de la membrane qui limite l’accumulation de matière en favorisant les forces de rétrotransport. Si quelques travaux traitent de filtration frontale, ce sont generalement des etudes a l’echelle laboratoire d’appreciation de la filtrabilite d’une suspension. Elles seront abordees plus loin dans ce manuscrit (outil de caracterisation du potentiel colmatant d’une suspension). Au regard de ce qui precede, la plupart des operations de filtration sont conduites a l’aide de membranes tubulaires, organique ou minérale, en mode tangentiel et à pression constante. Des ordres de grandeur de flux très variés sont reportés dans la littérature. Si dans certains cas, les flux ne dépassent pas 20 L.h-1.m-2 [23,24,26,29,31,38,53], ils peuvent aller jusqu’a 120 L.h-1.m-2 [19,22] en passant par des valeurs intermédiaires de 20 à 120 L.h-1.m-2 [11,21,28,32,35,36,39]. Ces differences d’ordre de grandeur peuvent s’expliquer par les differentes membranes utilisees, les conditions operatoires variees et surtout par la grande diversité des produits étudiés. Chaque produit présente une empreinte physicochimique et biochimique complexe et singulière, qui va avoir un impact déterminant sur la productivité du procédé et sur les choix opérationnels.

Les polyosides

Les polyosides ou polysaccharides sont des polymères osidiques (les plus communs des oses étant le glucose, le fructose, le galactose et le mannose) liés entre eux par des liaisons glycosidiques [57]. Dans les fruits, les polyosides principaux sont des composés structuraux provenant des parois végétales : la cellulose, les hémicelluloses et les pectines. La cellulose est un polymère linéaire de résidus D-glucose, liés entre eux par des liaisons glycosidiques β(1→4). Les hémicelluloses constituent une classe tres diversifiee de polymeres constitues d’oses variés (D-glucose, D-mannose, D-galactose, etc.) liés entre eux par des liaisons glycosidiques β(1→4) et présentant de courtes ramifications (1 à 2 résidus). La famille des pectines regroupe des biopolymères hétéropolysaccharidiques dont la structure chimique est très complexe. Les pectines sont constituees d’une chaine principale de residus d’acides D-galacturonique, liés entre eux par des liaisons α(1→4). Cette chaine est interrompue par des rhamnoses qui viennent s’inserer par intermittence entre les motifs d’acides galacturoniques. Selon le taux de methylation des acides galacturoniques de la chaine principale, le caractère acide du polymère est plus ou moins marqué. Les portions de chaine constituees d’acides galacturoniques non methyles peuvent interagir avec le calcium divalent assurant la liaison entre deux chaines de pectine. La structure des pectines est encore complexifiée par la présence de chaines secondaires latérales, constituees de divers oses tels que le rhamnose, l’arabinose et le galactose. Au cours de l’extraction du jus ou du broyage du coproduit, les parois cellulaires sont rompues en partie et ces composés de poids moléculaires élevés sont partiellement libérés dans la suspension.

S’ils sont responsables d’un trouble pouvant etre indesirable dans certains cas, ces composés complexes présentent de nombreuses propriétés texturales, fonctionnelles et nutritives qui dépendent largement des résidus les composant, de leur poids moléculaire et/ou de leur degré de ramification. L’extraction des polyosides a partir des vegetaux fait ainsi l’objet d’un interet important. Certaines hémicelluloses sont ainsi reportées comme ayant des propriétés épaississantes, émulsifiantes et stabilisantes. Les pectines peuvent être utilisées comme agent gélifiant, et la cellulose est efficace comme bio-floculant et peut être utilisée comme support à la fermentation dans le domaine vinicole [58]. Si ces polyosides structuraux ne sont pas digestibles par l’Homme qui ne dispose pas des enzymes nécessaires pour briser les liaisons osidiques, ils sont cependant indispensables dans le cadre d’une alimentation equilibree constituant ce qui est communément appelés « fibres ≫ dont l’action preventive sur certains cancers n’est plus a demontrer, ils trouvent de plus de nombreuses applications nutraceutiques et médicales. Les pectines présentent des effets bioactifs importants [57][59] et certains hémicelluloses (e.g. xylane) sont des précepteurs de prébiotiques ayant des activités antioxydantes, anti-tumorales, d’immunomodulation et qui participent au bon equilibre de la flore intestinale. En plus des polysaccharides endogenes du raisin, dans les coproduits vinicoles peuvent s’ajouter les polysaccharides d’origine fongique, levurienne ou bacterienne et eventuellement les polysaccharides dits exogènes (adjuvants de vinification). Les mannoprotéines sécrétées par les levures sont majoritaires et peuvent representees jusqu’a 25 % des polysaccharides totaux du vin. Elles contiennent essentiellement du mannose (80 à 90 %), lié à une partie protéique (10 à 20 %). Ces glycoprotéines qui sont constituees d’une partie polysaccharidique et d’une partie proteique jouent un role preponderant dans le bon déroulé de la vinification et participent à la viscosité et à la stabilité des vins.