Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
~'7'~3~
Procédé d'obtention de jus clairs de végétaux et de récupération de
constituants valorisables
La présente invention a pour objet des procédés de traitement de
végétaux et en particulier ds fruits et légumes, d'une part pour en ex-
traire des jus principalement alimentaires et/ou colorants et d'autre
part pour récupérer des matières diverses et en particulier des pec-
S tines. La présente invention a également pour objet les produits obtenuspar ces procédés.
Dans l'art antérieur, il est connu de très longue date d'extraire
le jus de fruits et de légumes et il n'est pas possible d'en résumer
l'évolution. On indiquera cependant ci-dessous le procédé actuellement
le plus répandu et le plus récentJ par exemple pour les jus de pomme.
Il consiste essentiellement dans les phases suivantes :
1/ pressage séparant jus et pulpe
~/ pasteurisation vers BOC
3/ stockage avec action des enzymes de dépectination vers 40C
4/ refroidissernent vers 1~"C
5/ collage à la gélatine et à la bentonite
6/ décantation
7/ clarification par séparateur cen-tri-Fuge ~les boues liquides
sont envoyées à l'épuration)
~ filtration sur Kieselguhr des ~us clarifiés
9/ filtration sur filtre-presse
10/ pasteurisation vers 30C
11/ concentration en évaporakeur.
~1
. . .
773'~
Une telle séquence d'opérations dure entre
28 et 36 heures en moyenne et consomme une grande quan-
tité d'énergie notamment du fait des deux pasteurisa-
tions séparées par une série de traitements à tempéra-
tures nettement plus basses. De plus, on consomme parde tels procédés une ~uantité non négligeables d'adju-
vants de filtration et autres.
Il était donc important de trouver un procédé
plus économique et plus rapide mais également, comme on
le verra à la description qui va suivre, réduisant les
quantités de déchets inutilisables.
Le procédé conforme à la présente invention,
du fait de la réduction considérable de la durée des
opérations, permet de travailler en continu ou non. On
peut notamment arrêter les opérations le dimanche et les
jours lériés dès lors que l'on ne doit plus passer par
un travail en cuve nécessairement de longue durée.
Par ailleurs, deux des déposants des présen-
tes sont titulaires de la demande de brevet francaise
20 déposée le 4 décembre 1978 sous le numéro 78 34 063 et
publiée le juillet 1980, ayant pour titre: "Procédé
pour clarification de jus de pommes et analogues avec
récupération de concentréde pectine".
Dans cette demande de brevet, on traite les jus
de pommespar deux ultra~iltrations successives séparées par
une addition d'eau, les jus de pressage étant à une tem-
pérature de 50 à 55C et dont le pH est de 3,5 à 4.
Le traitement se fait sur des sur~aces de
membranes de 150 et 50 m2~ Or, l'expérience a montré
qu'en dépit de ces avantages très importants par rap-
port à l'art antérieur, ce procédé présentait des
imperfections voire des inconvénients auxquels la
présente invention porte remède.
Dans le brevet antérieur, on est amené à
ajouter de L'eau. Or, non seulement cette addition
d'eau est souvent g~nante pour la qualité des produits
finaux mais, qui plus est, de nombreuses législations
. .~ , ,~.
73~
2a
en interdisent l'emploi.
Par ailleurs, les limites de températures et
de pH prescrites peuvent être en ~ait assez nettement
dépassées en pratique dans la mesure où l'on fait des-
cendre la température du pH mesuré, c'est-à-dire où
l'on a tendance ~ réduire la température lorsque le pH
augmente et réciproquement.
Par ailleurs, comme on le verra plus loin,
on a définl de faOcon assez précise les niveaux de coupu--
res des membranes d'ultrafiltration donnant lesmeilleurs résultats.
~ . .
~3'7'i~3~
En plus des améliorations apportées par rapport à ce brevet fran-
çais antérieur, le procédé confDrme à la préssnte inven-tion présente de
grands avantages par rapport aux autres techn-~ques antérieures et no-
tarnment permet du fa-lt de la réduction considérable de la durée des
opérations de travailler en continu ou non.
Oe plus, dans da nombreux cas, on cherche à sauvegarder la pigmen-
tation originelle du végétal. Or, celle-ci est généralement en grande
partie diminuée par les traitements thermiques tels que les pasteurisa-
tions chacune d'entre elles réduisant la pigmentatlon de 15 à 20 % dans
la plupart des cas, par le vieillissement et les traitements d'agitation
qui entraînent des oxydations et des changements de couleurs. On souli-
gnera que dans de nomoreux cas classiques des réactions de Maillard dues
à la température et au vieillissement produisent des dénaturations de
produits et de couleurs.
La présente invention comme on le verra dans la description qui
va suivre perrnet d'éviter ces graves inconvénients des procédés
antérieurs.
Le préssnt procédé présente également d'autres avantages que
l'on notera dans la description qui va suivre.
Il consiste essentiellement en un traitement à au moins deux
étages par ultrafiltra-tion. A ce sujet. il convient de noter que dans
l'art an-térieur, on a utilisé l'osmose inverse et il est important de
souligner les différences entre l'ultrafiltration et l'osmose inverse.
L9ultra-filtration assure une coupure sélective des constituants
au niveau moléculaire correspondant au but recherché. Pour fixer les
idées, sslon le présent procédé, on utilisera de préférence des mem-
branes dont le point de coupure est situé aux alentours d'une masse
moléculaire d8 15.000 à 25.000.
Par contre, en osmose inverse, on sépare essentiellement l'eau
3û d'un produit, du concentrat contenant pratiquement tous les éléments
ds masse moléculaire é:Levée dans une masse liquide. Les membranes
d'osmose inverse sont beaucoup plus fines que celles d'ultra-filtration
et la coupure est approximativement aux alentours d'une masse rnolécu-
laire de l'ordre de 100 par exemple. Par ailleurs, l'ultra--Filtration
ne nécessite que des pressions nettement inférieures à celles de l'os-
mose inverse. Par exemple, on travaille r-)n ultra-filtration aux alen-
tours de 4 kg/cm2 alors qu'en osmose inverse on travaille aux alen-
~~3 7t7~
tours de 12 kg~cm2.
Selon le proc~d~ à la suite d'un pressaee classlquE, on sÉpare les
pulpes d'un premier Jus dit jus brut. On mesure alors le pH e-t on règle
la température, puis on passe à un premisr étage d'ultra--Filtration qui
sépare le premier jus clair d'un concentrat pectique brut. On peut diluer
ce dernier si besoin est, par exemple à l'eau ou au jus clair, selon les
possibilités que laisse la législation locale. On le passe à au moins un
deuxième étage d'ultra-filtration séparant au moins un second jus clair
riche en sucre et en arôme que l'on aJoute éventuellement au premier,
1û et le concentrat pectique car c'est à ces étages ultérieurs d'ultra-
filtration que l'on va séparer et concentrer tout ce qui est d'une
masse moléculaire supérieure à 15.000 à 25.000 par exemple 20.000
c'est-à-dire essentiellement les protéines, les pec-tines. les ami-
dons et une partie des tannins.
L'expérience montre que les jus de fruits et de légumes brunissent
avec le temps notamment lors du transport et du stockage. Ceci est dû à
des réactions du type réaction de MAILLARD et à des oxydations. Or,
selon le présent procédé, on obtient des jus très clairs ne brunissant
plus que faiblement du fait de l'élimination des protéines indispensa-
bles aux réactions de MAILLARD et que les contacts avec l'air sont
très limités.
Par ailleurs, selon le présent procédé. on ne recourt pas, pour
la clarification, à l'addition traditionnelle de gélatine dont la
teneur importante en protéines solubles renforca la tendance au bru-
nissement en présence des sucres.
De plus, selon le présent procédé, on obtient des jus stérilesqui n'ont pas tendance à la fermentation.
C'est C8 qui permet notamment d'éviter les pasteurisations suc-
cessives indispensables dans les procédés classiques car, selon le
3û présent procédé, les bactéries restent dans le rétentat.
Cette différence est encore plus nette avec certains produits
comme la betterave rouge qui, chargée de terre, introduit une grande
quantité de bactéries sporulées difficiles à détruire par traitements
thsrmiques .
Oe plus, toujours pour les betteraves, on est obllgé d'ef~ectuer
trois pasteurisations à plus de 90 C qui détruisent chaque fois 10 %
de la puissance colorante.
'7'î ~
s
Ce probl~me se retrouve avsc cl'autres -frults 3 color~tlon lntense.
Le préssnt procédé y appnrts une remarquable solution.
Un autre avantage du préssnt procédé est tout à Fait rsmarquable
lors du traitement de certains frults : par exemple, les fraises con-
tiennent des gélifiants naturels du type polypeptides qui sont éliminés
à l'ultra--filtration. Dans le procédé c:Lassique, on est gêné par des
gélifications intempestives du concentré. Le présent procédé présente
des avantages analogues pour certains produits s'oxydant très vite
notamment lorsque le traitement centrifuge augmente la surface de con-
tact entre produits et oxygène de l'air. En éliminant la centrifuga-
tion, le présent procédé diminue les apports d'air dans le produit et
donc les risques d'oxydation.
Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques et les
avantages de la présente invention, on va en décrire des exemples de
réalisation étant entendu que ceux-ci ne sont pas limitatifs quant à
leur mode de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire.
Exemple 1. En prenant comme exemple le traitement des jus de pom-
mes, selon un procédé conforme à la présente invention, on commence par
une opération de pressage de tous types classiquesJ permettant de sépa-
2û rsr lss jus bruts des pulpes. On va ainsi soumettre les jus à un chauf-
fage à des t,empératures de l'ordre de 50 à 60C mais plus précisément,
et préférentiellement, à une température de l'ordre de 57 à 59CJ le
pH étant contrôlé entre 3J5 et 4. Bien que cela ne soit généralement
pas nécessaire, on pourrait faire appel pour corriger le pH à tout
additif classique adéquat autorisé mais selon un mode de réalisation
préféré de l'inventionJ on évite cette correction en faisant varier la
température en fonction du pH. On passe le jus en ultrafiltrationJ de
préFérence sur des membranes tubulaires dont le point de coupure cor-
respondra à une masse moléculaire de 15.000 à 25~000, par exemple,
de l'ordre de 20.000.
On remarquera au sujet de cette ultrafil-tration queJ pour obtenir
lss meilleurs résultatsJ si le pH est inférieur à 3J5 tpar exemple 3J3)
il est nécessaire d'augmenter la température par exemple à 62C. SiJ au
contralre, le pH est trop haut, il faut se placer à une température
plus basse : pour un pH supérieur tpar exemple de l'ordre de ~,2~, on
r~duit la température par exemple à 56C ; on n'a donc pas 3 rectifier
le pH pour l'amener dans les limites ds 3J5 à 4 tout en restant dans la
_ _ .__ . .
~'7'73'~
gammo 50 à 65C. Si le pH est ds 3,0 on est alors dans la ~ône souhai-
tés st on reste à 5~C.
On peut appliqusr uns loi qui tisnt compte sensiblement des chif-
fres obtenus expérimentalement.
5 TC = - 6 p H ~ 60 C tA ~ 3C près3. ce qui donne lss résultats
suivants:
P H 3 3.5 ~ 4.5
. . _ . . .
T C
1D moyenne 62C 5goc~ 56C 53C
TC ~ 3C 59 à 56 à 53 à 50 à
65C 62C 59C 56C
Cette loi sst à la fois limitée pour les pH imposés par la nature
st par ce fait en tsmpératurs mais également par la température maximals
éventuellement imposée par les membranes utilisées.
On est obligé de rester à une température maximale de 65C et meme
62C avec nombre de membranes existant actuellement sur le rnarché. Cette
contrainte de température tend actuellement à dispara;tre avec l'utilisa-
tion pour l'ultrafiltration sur matériaux métalliques ou autres matériauxporeux à porosité déterminée.
L'Homme de l'Art pourra utiliser tout dispositif classique de régu-
lation automatique ou non, pour ajuster ainsi la température en fonction
du pH mesuré selon la formule ci-dessus définie. Lorsqu'on traite des
produits chargés en matières en suspension. dans l'état actuel de la
technique. les membranes planes présentent de graves inconvénients
notamment du point de vue du colmatage entre surfaces parallèles par
rapport aux membranes tubulaires. L'u-tilisation de membranes tubulaires
3û présentant un espace plus grand et une vitesse de circulation linéaire
des fluides plus grande, on réduit les risques de colmatags et par
suite la fréquence des nettoyages.
Comms on 1B précisait dans le brevet franc,ais et pour flxer les
idées, si l'on vsut traiter environ 20.0CO litres par heure de jus brut
de pressage de pornmes il faut environ 150 rn2 de membrane à ce premier
étage d'ultra-filtration répartis par exempls en trois modules. nn re-
cueille a la sortis d'uns part un prernisr jus clair et d'autre part un
'7~'~
concentrat pectique brut. Ce premier concentrat éventuellement rsdilué
passe dans un deuxième éta~e d'ultra---Filtration toujours de préférence
sur membranes tubulaires, mais sur une surface réduite 3 environ un
tiers de celle du premier étage ce qui permet à la sortie d'ob-
tenir le désucrage au moins par~iel de ce concentrat. ce qui donne d'unepart un second jus clair et un second rétentat plus concentré dont il
est aisé de tirer les pectines par -Filtre-presse et séchage ou tout au-
tre traitement nécessité par la séparation des pectines. On peut si cela
est autorisé par les règlementations cas par cas. rassembler l'ensemble
1û des deux jus clairs ce qui donne un jus clair total. Chacun des deux jus
ou le jus clair total n'ont pas besoin d'être pasteurisés et on peut les
concentrer par tout moyen adéquat. Selon les réglementations, le premier
jus et/ou le second jus et/ou le jus total peuvent etre stockés pour
utilisation tels quels ~embouteillage~ ou concentrés.
On constate que, par ce procédé et dans le cas de l'exemple
décrit, on réduit de moitié environ les boues inutiles extraites. envi-
ron 75 kg pour une tonne de fruits contre 150 kg habituellement, ce qui
tout en ne perdant rien des pectines et autres produits récupérables,
augmente le rendement de production des jus avec des économies impor-
2û tantes d'énergie,
Exemple 2. La clarification des jus de betterave rouge par ultra-
filtration conformément à l'invention est particulièrement intéressante
du fait que ces produits sont généralement très chargés en bactéries
sporulées anaérobies provenant du sol et qui sont particulièrement dif-
ficiles à détruire par la chaleur. Selon l'art antérieur. il faut troisou quatrs pasteurisations à plus de 120 C pour obtenir un liquide ne
contenant pas plus de 1ûO germes par millilitre.
Or, on sait que chaque choc thermique et donc chaque pasteurisa-
tion a des températures de 70C et plu9. cause la destruct~on de 15 à
20% de pigments rouges ce qui peut entraîner plus de 50% de destruc-
tions.
Si l'on se ré-fère aux condltions décrites ci-dessus, les pH des
jus de betterave rouge étant de l'ordre de 3.B à ~.2 les températures
optimales ~quant au débit) sont donc étagées entre 57.2 ~ 3C et 5~,B
~ 3C. L'expérience montre que l'on obtient de bons débits entre 55 et
59~ mais que l'on a intér&t, pour éviter des surchauffes et des des-
tructions de plgments à travailler entre 55 et 57C, 3
73~
Si l'on règle la presslon à l'entrée de l'ultraf`iltration à ~ kg/
cm2 et celle à la sortie à 1,5 kg/cm2, le débit en jus clair à la sortie
par mètre carré de membrane et par heure, est de l'ordrs de 100 à 120
litres / m2 / h, le débit le plus fort ~110 à 120 l / m2/h) étant atteint
vers 57 à 59C 3 l'entrée des jus bruts et le plus faible t100 à 110 1 /
m2 / h) vers 55 à 57C, la pigmentation étant alors mieux conservée.
Exemple 3. On peut également travailler dans les conditions définies
à l'exemple 1 et aux pressions indiquées ci-dessus, mais en réduisant
la température d'entrée des jus bruts à 35 à 40C. On constate alors
10 une remarquable qualité des produits filtrés notamment en ce qui con-
cerne la pigmentation mais le débit en jus clair tombe à 60 à 70 l /
m2 / h ce qui reste supérieur aux débits de l'art antérieur.
Exemple 4. L'art antérieur a démontré que la concentration des jus
de betterave est limitée par la teneur en sucre qui est de 4 à 6 Brix.
15 Il en va donc de même de la concentration en pigment dans les concentrés.
Par fermentation préalable par des levures, on réduit la ,,eneur en su-
cre de 50 à 80%. Il est alors possible par ultrafiltration selon la
présente invention d'obtenir une considérable amélioration de la pig-
mentation des jus clairs en agissant comme il est dit à l'exemple 1
20 ou à l'exemple 2 ci-dessus.
En ce qui concerne l'ensemble des exemples 2 à 4, il convient de
faire la remarque suivante : selon l'art antérieur, après fermenta-
tion, pour séparer les levures, il fallait utiliser des clarifica-
teurs / centrifuges qui entrainaient une perte de pigment par oxy-
25 dation due au brassage liquide-air, et une perte de jus dans les boues
de l'ordre de 6 à 8% des volumes traités. Après centrifugation, il
fallait filtrer et pasteuriser à haute température ~à 120C) pour
détruire un maximum de germes. Grâce à l'invention les jus qu'ils
soient ou non préalablement fermentés, sont bactériologiquement pro-
~ pres à l'issue de l'ultrafiltration. Les contrôles bactériologiques à
la sortie montrent qu'il reste en mnyenne moins de dix germes totaux
par millilitre au lieu de 50.000 après la première pasteurisation.
L'ultrafiltration du jus de betterave rouge permet donc dans les
exemples 2 à 4:
1/ d'obtenir un liquide clair bactériologiquement propre,
2~ de réduire. voire d'annuler, les pert~s dc pigments consécutives
aux traitements thermiques.
~:~8~7'73'~
_g
Exemple 5. En CB qui concerne les fraisss, on peut partir ds fruits
frais ou décongelés. On 1BS écrase en purée et on passe dans un nettoyeur
d~canteur pour éliminer akènes, queues et autres impuretés mais sans
qu'il soit besoin de passer au débourbeur.
Les jus bruts de fraise sont acides à pH de 3,3 3 3,6 et présenter,t
de 5,6 à 7 Brix selon les variétés et la maturit0 des fruits. La clari-
fication par ultrafiltration peut être effectuée de diverses façons sui-
vant les fruits à traiter et la couleur de concentré recherchée. Cer-
taines variétés ont un jus qui s'oxyde rapidement ce qui se traduit par
un virage au rouge vers un brun de plus en plus foncé avec le vieillis-
sement. Ce brunissement est d'autant plus rapide que le jus est chauffé
en présence d'oxygène ~et donc d'air~.
Selon le présent exemple, on traite de la fa~on suivante les ~rai-
ses dont la coloration est peu sensible à l'oxydation ou pourlesquell~3
on attache moins d'importance à la pigmentation finale du concentré.
On agit comme à l'exemple 1. La température d'entrée correspondantà p~ de 3,3 à 3,6 est donc de 60,2 + 3C à 58,4 + 3C soit en arron
dissant de 55 à 63C. Comme pour la betterave, ces températures donnent
de bons résultats, la plus élevée donnant un meilleur débit, la plus
faible une meilleure coloration et ceci à des pressions de 4 kg / cm2
à l'entrée et de 1,5 kg / cm2 à la sortie comme il a été utilisé ci-
dessus.
Pour des témpératures d'entrée de 55 à 57C, on constate un débit
d0 80 à 90 l / m2 / h, ce qui est encore très supérieur à l'art anté-
rieur. A la sortie, le jus clair bien coloré et bactériologiquement
propre peut etre pasteurisé à 85C avant concentration.
Exemple 6. Toujours aux memes pressions d'entrée et de sortie, e-t
pour les pH considérés, on peut ultrafiltrer le jus brut tel que pré-
paré à l'exempls 5 et ceci à basse température comme à l'exemple 3 pOUI`
la betterave rouge. Le débit est ds l'ordre de 60 l / m2/h ce qui esttou~ours acceptable par rapport à l'art antérieur, mais la qualité de
clarté et de pigmentation est exceptionnelle. Le jus est bactériologi-
quement propre et on peut le pasteuriser à 85C avant concentration.
En ce qui concerne les exemples 5 ~ 6, on remarquera que la parée
ds fraise n'est pas débourbée avant ultrafiltration ce qui diminue les
pertes de jus.
Les jus concentrés sont toujours clairs et ne se troublent pas au
stockage comme c'est le cas dans l'art antérieur. Qul plus est, comme
'7'i'3'~
cela a été souligné dans la demande fran~aise noO
78 3~ 063, avec ceraines variétés de fraises et selon
leur maturité, le concentré peut se gélifier lorsqu'il
est préparé selon l'art antérieur et il est très dif-
ficile diempêcher cette gélification qui n'est pascausée par des pectines et contre laquelle ~n ne dispo-
se pas actuellement d'enzymes efficaces.
L'ultrafiltration selon la présen~e invention,
élimine complètement les substances gélifiantes et par
suite, de tels accidents à la conservation. Dans tous
les cas, on constate que la présente invention assure
une bien meilleure conservation de l'arôme que les
procédés classiques.
Tout ce qui vient d'être dit à propos de la
betterave rouge et de la fraise peut s'appliquer aux
autres fruits dont on recherche à sauvegarder la pig-
mentationD Par exemple, dans le cas du cassis, on peut
agir comme il est dit aux exemples 4 et 5 et obtenir
des résultats équivalents à ceux de la fraise.
Le procédé décrit ci-dessus s'applique à de
très nombreux végétaux et, en particulier, les fruits
et légumes et il est évident que l'homme de l'art pour-
ra en adapter les conditions de travail selon les
matières premières de départ, la présente invention
couvrant à la fois le procédé et les produits obtenus.
Il permet non seulement de récupérer les pectines
comme dans le cas de la pomme, mais aussi de très nom-
breux constituants susceptibles de valorisation et en
particulier des colorants.
~n remarquera également que selon la présente
invention, on peut ou non remélanger les ~us clairs is-
sus de deu~ étages d'ultrafiltration comme on l'a souli-
gné plus haut~ Le problème dépend de nombreux facteurs
législatifs.
Sur le plan réglementaire, et pour fixer les
idées, on donnera l'exemple de la France, La dilution
7'73~
10a
à l'eau est interdite sauf dans le cas de jus très
pulpeux comme ceux de poires ou d'abricots qui, à l'é-
tat naturel, ressemblent plus à de la purée qu'à des
boissons et que l'on peut allonger d'eau et de sucre
pour les commercialiser sous le nom de nectar.
Dans ce cas, le mélange des jus clairs est
possible~ On peut également diluer entre les deux
étages d'ultrafiltration avec des jus clairs ce qui
n'apporte aucun constituant extérieur.
Mais il est évident que l'homme de l'art
pourra choisir les conditions en fonctions des matières
premières de départ et de produits
3~
'1 'I
qu'll SB propose d'obtenlr ;
il est également évident pour l'Homme de l'Art qu'il pourra -faire
varisr les conditions d'ultraFiltratLon compte tenu notamment de la
texture des différents produits et qu'éventuellement, il sera amené à
augmenter le nombre d'étages d'ultra-filtration.
Ainsi, par exemple, dans le cas de 3 étages d'ultrafiltration, on
pourra prévoir une dilution du concentrat entre le 1er et le 2ème
étages, entre le 2ème et le 3ème ou dans les dsux intervalles, entre
les 3 étages.
De meme, dans ce cas, on peut ou non ajouter au moins l'un des
Jus clairs ultérieurs à au moins l'un des jus clairs précédents.
