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La pasteurisation : aspects théoriques

samedi 8 avril 2017, par AMROUCHE

Depuis 1864, date de la fin des travaux de Pasteur, la pasteurisation s’est peu à peu imposée dans le secteur de l’agroalimentaire comme l’une des techniques les plus utilisées pour l’allongement de la conservation des aliments. Moins radicale que la stérilisation, elle ne détruit qu’une partie des micro-organismes d’un produit mais préserve ses propriétés organoleptiques et nutritionnelles.

Cet article décrit tous les aspects technologiques de la destruction des micro-organismes (influence des facteurs température et temps, détermination de la valeur pasteurisatrice et du barème de pasteurisation).

2- Cinétique de destruction des microorganismes

2.1- Influence de la durée du traitement thermique

211- La courbe de survie
On détermine à différents temps le nombre de micro-organismes survivants suite à l’exposition à une température létale constante.

La figure suivante a montre l’allure de la courbe : N=f(t)

On obtient une courbe décroissance exponentielle : c’est la courbe de survie. On voit que les microorganismes sont détruit progressivement.

légendes :
N0= concentration initiale en microorganisme
N= concentration en microorganisme survivant
t= durée du traitement thermique

Afin de déterminer l’équation de la courbe, on trace la courbe précédente en coordonnée semi logarithmique, c’est à dire :
Log(N) =f(t). On obtient la courbe suivante :

Les courbes N=f(t) et log N = f(t) sont appelées courbes de survie ou cinétiques de destruction microbienne.
La courbelog N = f(t) est linéaire, autrement dit, les micro-organismes exposés à une température létale constante, suivent une loi de destruction d’ordre 1 en fonction du temps.

Plus le nombre initial de micro—organismes (N0) est important, plus le temps de pasteurisation doit être long. De même, plus les micro-organismes sont thermorésistants, plus la durée de pasteurisation doit
être grande.

212- Durée de réduction décimale D T

Définition de la durée de réduction décimale DT :
On appelle DT la durée de réduction décimale DT, la durée de chauffage à la température T qui permet de diviser par 10 la population de microorganisme.

L’équation de la droite de survie en ’coordonnées Log ’ log N = f(t) nous donne les relations suivantes :


DT nous renseigne sur la thermorésistance des microorganismes :

Ici c’est B.Stéarothermophilus qui est la bactérie la plus thermorésistante !

L’équation de la courbe de survie peut donc finalement s’écrire :

213- Taux de réduction décimale

Le taux de réduction décimale n (ou nombre de réductions décimales) appelé aussi efficacité pasteurisatrice E à la température T est :

La durée du traitement thermique à la température T qui permet de détruire une proportion de microorganisme égale à n est :
t = n x DT à la température T

2.2. Facteurs de variation de la thermorésistance

D qui est un paramètre caractérisant la thermorésistance des microorganismes dépend de plusieurs paramètres :

  • de l’espèce du micro—organisme considéré,
  • de son état physiologique,
  • de la température
  • et du milieu dans lequel il est présent.

Ainsi, DT caractérise la thermorésistance d’un micro-organisme dans des
conditions physico-chimiques bien définies.

Les micro—organismes sont plus facilement détruits lorsqu’ils se trouvent en phase exponentielle de croissance. Il existe deux types de flores :

— les micro-organismes détruits par un traitement à 63°C pendant 30 min (ou par un traitement équivalent) = flore thermosensible ;
— les micro-organismes résistants à un traitement à 63°C pendant 30 min (ou par un traitement équivalent) = flore thermorésistante.

La thermorésistance des micro—organismes varie en fonction des caractéristiques physico-chimiques de l’aliment telles que le pH, l’activité de l’eau (l’Aw quantifie dans un aliment la disponibilité de l’eau
mobilisable pour les réactions biochimiques : pour en savoir plus cliquez ici ) et la teneur en lipides :

  • plus le pH de l’aliment est éloigné de la neutralité, plus les micro-organismes sont sensibles à la chaleur ; c’est pourquoi les aliments sont classés selon leur pH en trois classes.
  • plus l’Aw de l’aliment est faible, plus les micro-organismes sont thcrmorésistants et donc plus le traitement par la chaleur est inefficace ;
  • plus l’aliment est gras, plus les micro-organismes seront résistants à la chaleur car les lipides sont de médiocres conducteurs de la chaleur.

2.3. Influence de la température

2.3.1. Droite de destruction (ou résistance) thermique
Étude de l’influence du temps (t) de chauffage sur la température (T) du traitement pour une même efficacité de destruction thermique (n ou E=constante)

La figure ci dessus montre la relation existant entre le temps de chauffage et la température létale d’exposition à la chaleur permettant d’obtenir un taux de réduction (n) donné.

Ces couples Température de chauffage pendant une durée donnée se nomment barème de traitement thermique.
Ces barèmes sont notés (T ; t).

Ainsi, plus la température de chauffage (T) est élevée, plus le temps (t) de destruction thermique est faible. Le modèle de Bigelow permet de montrer qu’expérimentalement, pour un taux de destruction (n)
donné, le temps de traitement (t) et la température T sont liés par une relation linéaire. Autrement dit, plusieurs barèmes de chauffage peuvent atteindre la même efficacité de destruction thermique (n=E= constante).
le temps de chauffage suit une loi de réduction d’ordre 1 en fonction de la température :
log(t) = a.T + b
Cette droite est appelée droite de destruction (ou résistance) thermique.

L’équation de cette courbe de barèmes équivalents s’écrit :
pour deux barèmes suivant équivalents : (T1 ; t1) = (T2 ; t2)

t1 = t2 * 10 (T2 - T1)/z

ou encore en Log :
log (t1/t2) = (T2-T1)/z

2.3.2. Facteur d’inactivation thermique (z)
En traçant la courbe log(t) =f(T) ou log(D) = f(T), il est possible de déterminer le facteur d’inactivation thermique z. La pente de cette droite est -1/z
Détermination graphique de z à partir de la droite : log(t) = f(T°C)
Détermination graphique de z à partir de la droite : t = f(T°C)

Définition de z :
Le facteur z est l’élévation de température qui permet de diviser par 10 le temps de chauffage t ou le temps de réduction décimal D pour une même efficacité de destruction microbienne (n ou E= constante)

Sur une représentation graphique en coordonnées
semi-logarithmiques la détermination de z se réalise par interpolation.

Ainsi, z est un paramètre de thermonésistance caractéristique de chaque espèce de micro-organisme. En général, z est d’environ 10°C pour les formes sporulées et de 5’C pour les formes végétatives.

2.3.3. Exemples de valeurs de D et z

Le tableau donne quelques exemples de valeurs de D et de z pour des formes végétatives de bactéries dans divers aliments. Le temps d’exposition à la chaleur est un paramètre aussi important que la
température.

2.3.4. Notion de barème

On définit un barème de traitement comme le couple température de palier de chauffage/ temps de chauffage (T ; t) appliqué à un produit. Le tableau suivant présente quelques exemples de barèmes utilisés en industrie alimentaire.

Exercices d’application

Exercice 1 :
À partir des données fournies, compléter les deux tableaux ci-dcssous.

1. Soit un échantillon contaminé par 105 micro-organismes.
Déterminer le temps de chauffage et la population de survivants après divers traitements à 72°C. Donnée : D72°C = 20 s.

2. Déterminer la durée de réduction décimale (DT) pour chaque température T, sachant que D60°C= 600 secondes et que Z=5°C.

235- Température de référence et micro-organisme de référence

En pasteurisation, la température de référence Tref est :

  • Tref=70°C notamment lorsque le produit est contaminé par des bactéries.
  • Tref=60°C ou 65°C pour les produit acide colonisé parles levures ou moisissures

Le facteur z dépend aussi des microorganismes qui colonisent le produit :

  • z=10°C en général (bactéries)
  • z= 5 à 7°C en général pour les produits acides colonisés par des levures- moisissures

Germe de référence :
C’est le microorganisme pathogène le plus thermorésistant qui colonise le produit à pasteuriser ; son choix dépend donc du produit.
Exemple :

  • Pour la pasteurisation des produits carnés et plats cuisiné, on choisit souvent : streptocoque (ou entérocoque) faecalis
  • pour les produits laitiers : mycobactérium tuberculosis (bacille tuberculeux) ; on peut aussi choisir E. coli.

2.4. Valeur Pasteurisatrice (VP)

241- Définition
On appelle valeur pasteurisatrice notée VP ou FTref z la durée de chauffage (en minute) à la température de référence Tref correspondant au même taux de réduction décimale (n) que le barème réellement appliqué au produit .

242- Calcul de la VP à priori : par rapport à un cahier des charges

VP = F = n * DTref

légende :
VP = F= valeur pasteurisatrice en minute
n= nombre de réduction décimale à atteindre= log (N0/N)
DTref= Durée de réduction décimale en min. à la température de référence.
Tref= température de référence

La VP à atteindre dépendra donc du taux de réduction décimale à atteindre (n) et de la thermorésistance du germe de référence colonisant le produit (DT)

En général le taux de réduction décimale à atteindre ne dépasse rarement n=5, car les produit à pasteuriser sont de bonnes qualité sanitaire initiale (N0). D’autre part la charge finale (N) à fixer dépendra de la durée de vie (DLC) à atteindre.

Exemple :

Pour la pasteurisation d’un produit, on choisit un micro-organisme de référence,c’est à dire particulièrement résistant (par exemple Enterococcusfizecalis) et un taux de réduction décimale à atteindre (n = 6). À température de référence (70 °C), sachant que le temps de réduction décimale d’Enteroccus faecalis est D70 = 2,95 min, alors la valeur pasteurisatrice est :

VP70°C = F70°C= n*D70=6 x 2,95 = 17,7 min

La valeur pasteurisatrice est définie comme le temps de traitement à une température de référence (en général 70°C) appliquée au cœur du produit, avec un micro-organisme de référence en fonction du produit et un nombre de réduction décimale minimum de 5.

La valeur pasteurisatrice est donc une fonction thermobiologique exprimée en minutes quantifiant à une température de référence l’effet létal de la pasteurisation sur un micro-organisme de référence.
La température au cœur du produit est mesurée à l’aide d’une sonde introduite à l’intérieur du produit traité. Celle-ci est couplée à un enregistreur des couples temps/température qui fonctionne
en continu. Le traitement informatique de ces données permet d’obtenir directement la valeur pasteurisatrice.

243- Calcul de la VP à postériori : à partir de l’enregistrement de températures

On peut connaitre la valeur pasteurisatrice (VP) correspondant à un barème de pasteurisation appliqué à un produit grâce à la formule de BIGELOW qui est directement issue de la formule des barèmes équivalentes expliqués plus haut :
(T1 ; t1) = (T2 ; t2)

t1 = t2 * 10 (T2 - T1)/z

La formule de BIGELOW corespondant au barème (T1 ; t1) est :
F=VP= t1 * 10 (T1-Tref)/z)

Exemple :
Un lait destiné à préparer du yaourt est pasteurisé à 95°C pendant 3 minutes.
Calculer la valeur pasteurisatrice atteinte par ce traitement thermique.
Pour calculer cette VP on donne : Tref= 70°C ; z= 10°C.
VP= 3*10(95-70/10) = 948min.
(Rque : dans le cas du yaourt, la VP est très élevé car le barème de pasteurisation a en plus des objectifs sanitaires, des objectifs de précipitations des protéines sériques pour optimiser la gélification pendant l’étuvage)

Exercice 2

Un lait est pasteurisé pendant 2 s à 85 °C.

1. Le nombre d’unités de pasteurisation (ou VP) étant calculé sur la base d’une température de référence de 70 °C (z = 5 °C), déterminer la valeur pasteurisatrice atteinte en min.

2. Le temps de réduction décimale d’Enterococcus faecalis est D70 = 2,95 min. Déterminer le taux de réduction décimale atteint au cours de la pasteurisation du lait 2 s à 85 °C.

3. Sachant que la pasteurisation est en fait réalisée à une température réelle de 84,5 °C au lieu des 85°C affichés par une sonde de température défectueuse, calculer le nouveau taux de réduction décimale. En déduire le facteur d’augmentation du nombre de microorganismes survivants suite à cet écart de température.

Exercice 3 (extrait d’un sujet du BTS QIAB 2006)
Le lait subit un traitement thermique à son arrivée.
Deux traitements thermiques sont envisageables :

  • traitement 1 : couple temps-température 12 min / 72 °C ;
  • traitement 2 : couple temps-température 2 s /90 °C.

Données : 9M : 70 °C / z = 7 °C / Temps de réduction décimale du germe de référence D70 : 0,75 min.

1. Déterminer pour les deux traitements la valeur pasteurisatrice (en min).
2. Déterminer la flore résiduelle après les deux traitements thermiques.
Donnée : la charge microbienne du lait de départ est de 5 .106 UFC par L.

Exercice 4 (extrait d’un sujet du BTS QIAB 2002)

Les ovo-produits utilisés dans la préparation des quiches lorraines sont achetés sous forme d’œuf entier liquide pasteurisé.

1. L’œuf entier liquide est pasteurisé à 70 °C pendant 90 s : quelle est la valeur pasteurisatrice atteinte (Tref = 60 °C avec z = 10 °C) ?

2. Dans l’œuf liquide pasteurisé, le germe de référence utilisé a une durée de réduction décimale, à 70 °C, de 0,12 min avec z = 10 °C. Déterminer le taux de réduction décimale atteint lors de la pasteurisation.

3. À la suite d’un dysfonctionnement du pasteurisateur, plusieurs cuves d’œufs entiers ont été pasteurisées à 69 °C (au lieu de 70 °C). Quel est le nouveau taux de réduction décimale ? Commenter.

Calcul de la VP pour des températures variables (produits appertisés) :

Dans le cas des produits acides appertisés comme les conserves de compote, de tomates et tout autres conserves de produits acides, le produit subit à cœur une succession de températures létales.

Au cours du traitement thermique, la température varie entre le début et la fin du traitement à cause de l’inertie thermique des produits et des appareils : en début de traitement, celle-ci augmente au cours du préchauffage du produit puis diminue pendant le refroidissement. Il est donc rare qu’un traitement thermique s’effectue à température
constante.

Ainsi, l’aliment passe au cours du préchauffage et du chauffage par une série de températures croissantes entraînant au-delà de 50°C la
destruction d’une partie de la population microbienne. Au cours du refroidissement, tant que la température n’est pas en dessous de 50 °C, la population microbienne présente dans l’aliment continue à diminuer.

Comme T varie avec le temps, il faut procéder à une intégration. La valeur pasteurisatrice globale du traitement (VP) est calculée à partir de l’équation :

Afin de déterminer la VP on pourra utiliser la méthode des VP partielles suivante :
Il est ainsi possible de calculer les valeurs pasteurisatrices partielles ( VPP) de chaque intervalle de temps le plus petit possible afin de considérer que la température y est constante.

La valeur pasteurisatrice partielle est le temps de maintien à une température de référence Tref permettant d’obtenir le même taux de destruction d’une population microbienne donnée qu’une unité
de temps à la température T effectivement appliquée.
Ainsi, pour chaque température au-dessus de 50°C, on décompose le traitement thermique global à température variable en une succession
de traitements thermiques courts et supposés à température constante pendant ces courts instants.
En additionnant chaque valeur pasteurisatrice partielle VPP, on détermine la valeur pasteurisatrice globale VP.

est appelé le faccteur de Bigelow ou taux de létalité (L).

Ainsi, pour At = 1 min, la valeur pasteurisatrice partielle est appelée taux de létalité (L).

Le taux de létalité (L) correspond à la durée de chauffage à la température de référence Tref qui conduit au même taux de destruction décimale qu’une minute de traitement à la température T.

Méthode de détermination graphique de la VP

La valeur pasteurisatrice correspond à l’aire sous la courbe L = f(t).

Ainsi, la valeur pasteurisatrice représente le temps théorique de chauffage d’un produit à une température constante de référence équivalent à la durée des différentes phases (augmentation de
température, plateau, diminution de température) nécessaire pour obtenir le taux de réduction décimale à atteindre.