Interactions of milk proteins during the manufacture of milk powders

Abstract - The manufacture of milk powders involves heating the milk, usually known as preheating, then concentrating the milk solids by evaporation and spray drying. In the manufacture of high protein milk powders, ultrafiltration/diafiltration is normally applied prior to evaporation and drying. These processes cause interactions between the various components in milk that influence powder functionality. The structure and stability of casein micelles are fairly well known under conditions as in milk. However, the details of the effects of milk powder processes on casein micelle structure and interactions are not much understood. Preheat treatment applied to milk prior to evaporation aims to produce powders with specific functional properties and applications. A major effect of preheating is the denaturation of whey proteins and their association with casein micelles. The nature and extent of association of whey proteins with the casein micelles, involving -casein, influence how the casein micelles behave during further processing. During evaporation, casein micelle size increases due mainly to aggregation of some of the micelles and increased association of whey proteins with the micelles. There has been little work examining the specific effects of spray drying on casein micelles in milk. In the manufacture of high protein powders, concentration of milk by ultrafiltration, in particular diafiltration prior to drying, can cause dissolution of colloidal calcium phosphate, resulting in loosening of the casein micelle structure, and possibly swelling of casein micelles. Increasing the degree of concentration causes progressive breakdown of micellar structure from an intact micelles to a swollen diffuse micelle and finally to a smaller fragmented micellar structures. These changes in casein micelles predispose the milk system to further protein-protein interactions during spray drying, and consequently impact on the functionality of the product.

Résumé - Interactions entre les protéines laitières au cours de la fabrication de poudre de lait
La fabrication de poudre de lait implique un traitement thermique du lait, qu'on appelle préchauffage, puis sa concentration en matière sèche par évaporation ou séchage par atomisation. Pour les poudres à teneur élevée en protéines, l'ultrafiltration/diafiltration est normalement utilisée avant évaporation ou séchage. Ces procédés provoquent, entre les différents composés du lait, des interactions qui influent sur les propriétés fonctionnelles des poudres. La structure et la stabilité des micelles de caséine sont relativement bien connues dans le lait. Cependant, les effets des procédés de fabrication de poudre sur la structure et les interactions des micelles de caséine sont bien compris. Le but du traitement de préchauffage appliqué au lait avant évaporation est de produire des poudres ayant des propriétés fonctionnelles et des applications spécifiques. Un effet majeur du préchauffage est la dénaturation des protéines de lactosérum et leur association avec les micelles de caséine. La nature et l'amplitude de l'association des protéines de lactosérum avec les micelles de caséine, impliquant la caséine , influent sur le comportement des micelles de caséine au cours des traitements ultérieurs. Pendant l'évaporation, la taille des micelles augmente principalement à cause de l'agrégation de certaines micelles et de l'association accrue des protéines de lactosérum avec les micelles. Il y a eu peu de travaux sur les effets spécifiques du séchage par atomisation sur les micelles de caséine dans le lait. Dans la fabrication de poudres à teneur élevée en protéines, la concentration du lait par ultrafiltration, en particulier la diafiltration, avant séchage, peut provoquer la dissolution du phosphate de calcium colloïdal, résultant dans un relâchement de la structure de la micelle et potentiellement un gonflement des micelles. L'élévation du taux de concentration provoque la rupture progressive de la structure de la micelle qui passe de l'état intact à un état diffus gonflé pour finalement s'émietter en plus petits fragments. Ces changements dans les micelles de caséine prédisposent le système du lait à des interactions protéines/protéines ultérieures au cours du séchage par atomisation et ayant un impact sur les propriétés fonctionnelles du produit.