La pasteurisation détruit les micro-organismes pathogènes végétatifs d’un aliment et réduit fortement sa flore d’altération, au moyen d’un traitement thermique modéré qui laisse survivre les spores bactériennes. Le produit obtenu n’est pas stable : il exige presque toujours le froid, ou une barrière supplémentaire — acidité, activité de l’eau, atmosphère modifiée — pour tenir sa durée de vie. C’est la contrepartie assumée d’un traitement assez doux pour ne pas transformer le lait en lait cuit, le jus d’orange en compote et la bière en soupe.
Un barème de pasteurisation n’est pas un réglage que l’on choisit dans un catalogue : c’est le résultat d’un calcul. Deux nombres suffisent à le poser — la réduction décimale D, temps qu’il faut à une température donnée pour diviser la population par dix, et le coefficient thermique z, élévation de température qui divise ce temps par dix. Tout le reste en découle, y compris l’affirmation célèbre selon laquelle 72 °C pendant 15 secondes valent 63 °C pendant 30 minutes. Cette page la démontre au lieu de la citer, parce qu’elle n’est vraie que pour une certaine valeur de z.
La deuxième idée qui structure l’opération est que le micro-organisme cible dépend du produit, et que le pH décide de tout. Sous pH 4,5, aucune bactérie sporulée pathogène ne germe : la pasteurisation suffit à rendre l’aliment sûr, et le combat se déplace vers les levures, les moisissures thermorésistantes et quelques bactéries acidophiles. Au-dessus de pH 4,5, la pasteurisation ne rend jamais l’aliment stable à température ambiante ; elle ne fait que le rendre sûr pour une durée courte et sous froid. Un cours de pasteurisation qui ne commencerait pas par le pH du produit parlerait dans le vide.
Enfin, la pasteurisation est l’opération thermique où l’optimisation temps-température a le plus de sens, parce que la destruction microbienne et la dégradation nutritionnelle n’ont pas le même z. Monter en température et raccourcir le temps ne change pas la sécurité mais change la qualité : c’est le fondement du procédé HTST, et ce qui fait qu’une pasteurisation mal conduite se paie deux fois, en risque sanitaire si elle est trop faible, en goût de cuit si elle est trop forte.
Pasteurisation ou stérilisation ? La pasteurisation est un traitement thermique inférieur à 100 °C dans son principe (jusqu’à 95-100 °C en pratique pour les produits acides) qui détruit les formes végétatives des micro-organismes pathogènes et une large part de la flore d’altération, mais laisse survivre les spores bactériennes. Le produit reste périssable et doit être réfrigéré, sauf si une autre barrière — pH inférieur à 4,5, activité de l’eau basse, conservateur — bloque la germination des survivants. La stérilisation vise au contraire la destruction des spores, exige des températures de 110 à 145 °C, et donne un produit stable plusieurs mois à température ambiante. Entre les deux, la stérilisation ne se distingue pas par une température seuil arbitraire mais par le micro-organisme cible : Coxiella burnetii ou Listeria monocytogenes pour l’une, Clostridium botulinum ou Geobacillus stearothermophilus pour l’autre. Un traitement à 95 °C reste une pasteurisation ; un traitement à 121 °C pendant 3 minutes est une stérilisation.
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À quoi sert l’opération
La pasteurisation remplit trois fonctions distinctes, qu’on a intérêt à ne pas confondre parce qu’elles ne conduisent pas au même barème.
La sécurité sanitaire. C’est la fonction historique et la seule qui soit réglementée. Le barème est dimensionné sur le pathogène végétatif le plus thermorésistant susceptible d’être présent, et sur un nombre de réductions décimales fixé par la profession ou par le texte. Pour le lait de vache, la cible retenue depuis les années 1950 est Coxiella burnetii, l’agent de la fièvre Q, qui a remplacé Mycobacterium tuberculosis parce qu’elle résiste davantage ; pour les produits laitiers réfrigérés à longue durée de vie, c’est Listeria monocytogenes ; pour les ovoproduits, Salmonella Enteritidis. Pour les soupes réfrigérées peu acides, la question du Bacillus cereus sporulé se pose et la pasteurisation n’y répond pas : seul le froid y répond.
La durée de vie. Détruire la flore d’altération banale — bactéries lactiques, Pseudomonas, levures, moisissures — allonge la conservation d’un facteur 3 à 10 : 2 à 3 jours pour un lait cru à 4 °C, 7 à 10 jours pour un lait pasteurisé, 21 à 45 jours pour un lait ESL ; 3 à 5 jours pour un jus pressé, 4 à 8 semaines pour le même jus pasteurisé et réfrigéré. Cette fonction se dimensionne sur la flore réellement présente, et elle exige souvent un barème plus sévère que la sécurité.
L’inactivation enzymatique. Une enzyme endogène qui survit ruine un produit sans le rendre dangereux. La pectine méthylestérase du jus d’orange déméthyle les pectines, qui précipitent avec le calcium : le jus se clarifie et se sépare en deux phases dans la bouteille. Sa fraction thermostable impose 90 à 95 °C pendant 15 à 60 secondes, bien au-delà de ce qu’exigerait la microbiologie d’un jus à pH 3,8. La lipase du lait cru produit une rancidité hydrolytique en quelques jours et se détruit vers 75-80 °C ; les polyphénoloxydases des purées demandent 85-90 °C. Dans plusieurs filières, c’est l’enzyme et non la bactérie qui fixe le barème.
Les filières et leurs barèmes
La diversité des applications est instructive parce qu’elle montre que la pasteurisation n’est pas une opération mais une famille d’opérations.
En industrie laitière, le procédé haute température courte durée traite le lait de consommation à 72-75 °C pendant 15 à 20 secondes, la crème à 75-80 °C — la matière grasse protège les germes et impose de monter — et le mix de crème glacée à 83-85 °C pendant 15 secondes. Le lait destiné au fromage à pâte pressée cuite n’est souvent pas pasteurisé du tout : le traitement dénature les protéines sériques et dégrade l’aptitude à la coagulation.
En brasserie, deux voies coexistent. La pasteurisation flash traite la bière avant soutirage à 72 °C pendant 20 à 30 secondes ; la pasteurisation tunnel traite les bouteilles et les canettes déjà fermées, par arrosage, à 60-62 °C pendant 10 à 20 minutes. La seconde est plus lente et consomme davantage, mais elle supprime le risque de recontamination, ce qui en pratique est décisif.
En jus de fruits, un jus acide — orange, pomme, raisin, ananas, à pH 3,3 à 4,0 — se traite à 90-95 °C pendant 15 à 30 secondes, barème dicté par la pectine méthylestérase et par les levures osmophiles plus que par un pathogène ; un nectar sucré à 12-16 °Brix suit le même. Le jus de carotte, à pH 6,0, n’est pas un jus acide : il relève de la stérilisation ou de la surgélation. En ovoproduits, l’œuf entier liquide se pasteurise entre 64 et 65 °C pendant 2 à 4 minutes selon les pays, le jaune entre 61 et 63 °C, le blanc entre 55 et 57 °C seulement, parce que l’ovalbumine coagule vers 58-60 °C : la marge entre le barème sanitaire et la coagulation se compte en un ou deux degrés.
En fruits et légumes transformés, purées, compotes et préparations pour yaourt se pasteurisent à 85-95 °C, souvent en échangeur à surface raclée puis conditionnement à chaud. En viande et charcuterie, la cuisson-pasteurisation des jambons en moule vise une valeur pasteurisatrice à cœur, mesurée par sonde, autour de 70 °C pendant 2 minutes — le barème qui donne 6 réductions décimales de Listeria.
Le phénomène physique
La chaleur tue les micro-organismes par dénaturation des protéines, des ribosomes et des acides nucléiques, et par désorganisation des membranes. Aucune de ces lésions n’est instantanée, et le nombre de survivants décroît avec le temps de contact : toute la modélisation consiste à décrire cette décroissance.
La cinétique de premier ordre et la réduction décimale
À température constante, la population survivante décroît en première approximation de manière exponentielle, la vitesse de destruction étant proportionnelle au nombre de cellules vivantes. Tracée en logarithme décimal, la courbe de survie est une droite dont la pente définit la réduction décimale D : le temps nécessaire, à cette température, pour diviser la population par dix.
Deux conséquences pratiques en découlent. Il n’existe pas de temps au bout duquel la population est nulle : chaque intervalle D divise par dix, jamais par l’infini, si bien que la sécurité se formule en probabilité de survie et non en absence. Et le temps nécessaire dépend de la contamination initiale : partir de 106 germes par millilitre pour arriver à 1 germe par litre demande 9 réductions décimales, contre 6 en partant de 103. La qualité microbiologique du lait cru entrant est un paramètre du barème, pas un détail d’amont.
Le coefficient thermique z
La réduction décimale dépend fortement de la température : sur la plage utile, le logarithme de D décroît linéairement avec elle, et la pente de cette seconde droite définit z, l’élévation de température qui divise D par dix. Il vaut 4 à 8 °C pour les bactéries végétatives en milieu aqueux, 8 à 12 °C pour les spores, 5 à 12 °C pour les enzymes, et 20 à 45 °C pour les dégradations chimiques — vitamines, brunissement, arômes.
Ce dernier chiffre est le levier de toute l’industrie. Un z faible signifie une forte sensibilité à la température ; un z élevé, une réaction qui dépend surtout de la durée. Comme les micro-organismes ont un z trois à six fois plus faible que les dégradations de qualité, traiter plus chaud et moins longtemps détruit autant de germes en dégradant beaucoup moins le produit.
Pourquoi 72 °C pendant 15 secondes. Pour Coxiella burnetii dans le lait, z est de l’ordre de 4 à 5 °C. Passer de 63 à 72 °C représente 9 °C, soit 9/4,5 = 2 unités de z : la réduction décimale est donc divisée par 102, c’est-à-dire par 100. Quinze secondes à 72 °C valent donc 15 × 100 = 1 500 secondes à 63 °C, soit 25 minutes — du même ordre que les 30 minutes du barème basse température. L’équivalence tient, avec une marge. Elle ne tient que grâce à ce z faible : si l’on refaisait le calcul avec z = 10 °C, valeur usuelle pour les dégradations de qualité, 15 secondes à 72 °C ne vaudraient plus que 15 × 100,9 ≈ 120 secondes à 63 °C, soit quinze fois moins que 30 minutes. C’est précisément pour cela que le lait traité en basse température a un goût plus cuit à sécurité microbiologique égale.
Les écarts au modèle log-linéaire
La droite de survie est une commodité, pas une loi de la nature. Les courbes réelles s’en écartent de deux manières, dans les deux sens.
L’épaulement est une phase initiale pendant laquelle la population ne diminue presque pas. Il tient à la nécessité d’accumuler plusieurs lésions avant que la cellule ne meure, aux amas cellulaires dont il faut tuer toutes les cellules pour supprimer une unité formant colonie, et au temps de montée en température du milieu. Un épaulement de quelques dizaines de secondes sur un barème de 15 secondes signifie que le calcul sous-estime le temps nécessaire.
La traînée est l’inverse : après une décroissance franche, la population résiduelle forme un palier. Les causes sont la variabilité de résistance dans la population, la protection de certaines cellules par des agrégats de matière grasse ou de protéines, et l’adaptation induite par un stress thermique préalable — les protéines de choc thermique synthétisées lors d’un préchauffage lent augmentent la thermorésistance d’un facteur 2 à 10. La traînée est le vrai danger : elle rend illusoire l’extrapolation à 12 réductions décimales d’un barème mesuré sur 4.
Le modèle de Weibull décrit ces courbes en écrivant log(N/N0) = −(t/δ)p, où δ est le temps de première réduction décimale et p un paramètre de forme : p = 1 redonne la droite, p > 1 décrit un épaulement, p < 1 une traînée. Il sert en validation de procédé ; le dimensionnement industriel courant reste fondé sur le modèle log-linéaire, avec des coefficients de sécurité qui absorbent l’écart.
Les cibles microbiologiques et leur thermorésistance
Les valeurs qui suivent sont des ordres de grandeur : la thermorésistance d’une même espèce varie d’un facteur 5 à 50 selon la souche, le milieu, le pH, l’activité de l’eau et la teneur en matière grasse. Elles servent à raisonner un barème, pas à le valider — une validation se fait par inoculation sur le produit réel.
| Micro-organisme | Milieu | Ordre de grandeur de D | z (°C) | Ce qu’il impose |
|---|---|---|---|---|
| Coxiella burnetii | Lait entier | 0,4 à 0,6 min à 63 °C | 4 à 5 | Cible historique du barème laitier ; fonde 63 °C/30 min et 72 °C/15 s |
| Listeria monocytogenes | Lait, produits laitiers | 0,2 à 0,3 min à 60 °C | 6 à 7 | Largement détruite par le barème laitier ; le risque est en aval |
| Salmonella spp. | Œuf entier liquide | 0,2 à 0,5 min à 60 °C | 5 à 6 | Cible des ovoproduits ; barème coincé sous la coagulation |
| Salmonella spp. | Milieu très sucré, aw < 0,9 | 10 à 100 fois plus élevé | 15 à 25 | Explique la difficulté des produits sucrés et du chocolat |
| Byssochlamys fulva (ascospores) | Purées et jus de fruits | 1 à 12 min à 85-90 °C | 6 à 10 | Survit aux barèmes doux ; impose 90-95 °C sur les fruits à pépins |
| Alicyclobacillus acidoterrestris (spores) | Jus acides | 2 à 5 min à 95 °C | 7 à 10 | Non détruite par la pasteurisation ; se maîtrise en amont |
| Phosphatase alcaline | Lait | Voisine de la cible microbienne | 5 à 6 | Traceur légal de la pasteurisation, choisi pour cette coïncidence |
| Pectine méthylestérase (fraction stable) | Jus d’orange | 0,3 à 1 min à 90 °C | 6 à 12 | Fixe le barème des jus d’agrumes, au-dessus du besoin microbien |
Deux lignes méritent qu’on s’y arrête. La phosphatase alcaline du lait a été retenue comme traceur réglementaire non parce qu’elle serait dangereuse, mais parce que sa thermorésistance est très légèrement supérieure à celle de Coxiella burnetii : un lait dont la phosphatase est inactivée a nécessairement reçu un traitement suffisant. Le règlement (CE) n° 853/2004 impose au lait pasteurisé une réaction négative à ce test, dont le seuil analytique usuel se situe autour de 350 mU par litre. C’est un indicateur choisi pour son z.
Alicyclobacillus acidoterrestris illustre le cas inverse : un germe qu’aucun barème de pasteurisation ne détruit. Cette bactérie sporulée, acidophile et thermophile, germe entre pH 2,5 et 6,0 et produit du guaïacol, responsable d’un goût phéniqué détectable à quelques microgrammes par litre ; ses spores traversent 95 °C pendant plusieurs minutes. La maîtrise se fait en amont — lavage des fruits, contrôle des concentrés importés, tri des lots — jamais par un barème.
Le pH, qui décide de tout
Le pH intervient deux fois, et il faut distinguer les deux mécanismes.
Il modifie d’abord la thermorésistance : une cellule est d’autant plus fragile à la chaleur que le pH s’éloigne de son optimum, voisin de la neutralité, et abaisser le pH d’une unité peut diviser D par 2 à 10. L’acidification d’une préparation de fruits ou d’une sauce est donc une opération de sécurité autant que de goût.
Il détermine ensuite, et c’est bien plus important, ce que les survivants peuvent faire. Clostridium botulinum ne germe ni ne produit de toxine en dessous de pH 4,6 ; le seuil retenu par les codes de pratique est 4,5. En dessous, les spores qui survivent restent inertes et le produit peut être stable à température ambiante s’il est conditionné de manière étanche : jus de fruits, conserves de tomates, cornichons, confitures. Au-dessus, elles peuvent germer : le produit n’est stable qu’à froid, ou doit être stérilisé.
La première question à poser sur un produit nouveau. Avant de parler d’échangeur, de débit ou de barème, mesurer le pH de la formule finie, à l’équilibre, sur trois lots. Sous 4,0, une pasteurisation modérée suffit. Entre 4,0 et 4,5, la marge est mince : un lot de fruits moins acide ou une erreur de dosage d’acide citrique font basculer le produit dans la catégorie supérieure sans que rien ne se voie. Au-dessus de 4,5, la pasteurisation seule ne rendra jamais le produit stable ; il faut arbitrer entre chaîne du froid, stérilisation et abaissement de l’activité de l’eau.
Les grandeurs et les équations
Cinq relations suffisent à conduire une pasteurisation : la courbe de survie, la loi de z, l’intégrale de la valeur pasteurisatrice, le dimensionnement du tube de maintien et le taux de régénération thermique.
La courbe de survie
Le premier membre est le nombre de réductions décimales obtenues. La lecture est directe : viser 12 réductions décimales avec un D de 0,5 minute demande 6 minutes à cette température. Si le produit entre à 105 germes par millilitre, ces 12 réductions amènent à 10−7 germe par millilitre, soit une probabilité d’un litre non conforme sur dix mille — c’est ainsi qu’on formule un objectif de sécurité.
La loi de z
C’est l’équation qui transporte une donnée de laboratoire vers la température de l’atelier. Elle est empirique et valable sur une plage de 15 à 25 °C autour de la référence ; l’extrapoler de 60 à 120 °C n’a pas de sens. Elle se relie à la loi d’Arrhenius par z ≈ 2,303 · R · T2 / Ea, ce qui montre que z varie lentement avec la température, assez lentement pour qu’on l’ignore sur une plage de pasteurisation.
La valeur pasteurisatrice
C’est l’équation centrale du cours. Elle exprime le traitement réellement reçu sous la forme du temps équivalent, à la température de référence, qui produirait la même destruction. L’intégrale porte sur tout l’historique thermique — montée, maintien, descente — et c’est cette totalisation qui rend deux barèmes comparables.
La convention doit être annoncée avec la valeur, sans quoi le nombre ne veut rien dire. En agroalimentaire général on écrit VP70,10 : référence 70 °C, z = 10 °C. En brasserie on compte en unités de pasteurisation, une UP valant une minute à 60 °C avec z = 7 °C. En sécurité listéria on utilise 70 °C et z = 7,5 °C. Le tableau ci-dessous applique l’intégrale aux barèmes usuels, en maintien isotherme et sans compter les rampes.
| Barème | Produit | VP70,10 (min) | Unités de pasteurisation (UP) | Lecture |
|---|---|---|---|---|
| 63 °C / 30 min | Lait, basse température | ≈ 6 | ≈ 60 | Cuisson importante au sens du z de qualité |
| 72 °C / 15 s | Lait, HTST | ≈ 0,4 | ≈ 4 | Même sécurité, quinze fois moins de cuisson |
| 85 °C / 15 s | Mix glacier | ≈ 8 | ≈ 190 | Barème dicté par le sucre et la matière grasse |
| 90 °C / 30 s | Jus d’orange | ≈ 50 | ≈ 1 300 | Barème dicté par la pectine méthylestérase |
| 60 °C / 15 min | Bière, tunnel | ≈ 0,15 | 15 | Le minimum brassicole usuel |
| 72 °C / 20 s | Bière, flash | ≈ 0,5 | ≈ 17 | Équivalent brassicole du tunnel, en continu |
| 64,5 °C / 2,5 min | Œuf entier liquide | ≈ 0,7 | ≈ 10 | Un degré de plus et le produit coagule |
Les colonnes VP et UP ne classent pas les barèmes dans le même ordre, puisqu’elles n’utilisent pas le même z : chaque convention répond à une question différente, et les confondre fait dire n’importe quoi à un enregistreur.
Le tube de maintien
Le temps de maintien affiché n’est pas le temps de séjour moyen mais celui de la particule la plus rapide, parce que c’est elle qui, si elle est contaminée, sortira insuffisamment traitée. Le facteur f traduit le profil de vitesse : en régime turbulent développé, au-delà d’un nombre de Reynolds de 10 000, la vitesse maximale au centre du tube vaut environ 1,2 fois la vitesse moyenne ; en régime laminaire, elle vaut exactement 2 fois. Un fluide visqueux — sirop concentré, purée, préparation de fruits — traité en laminaire exige donc un tube deux fois plus long qu’un calcul naïf.
Un exemple fixe les idées. Pour 10 000 litres par heure dans un tube de 48 mm intérieur, la section vaut 1,81 · 10−3 m2 et la vitesse moyenne 1,53 m·s−1 ; en turbulent, la vitesse maximale atteint 1,84 m·s−1 et 15 secondes de maintien demandent 27,6 mètres de tube. Ce tube est enroulé, isolé, monté avec une pente ascendante d’au moins 2 %, et il ne comporte ni pompe, ni vanne, ni dérivation — tout piquage y est un court-circuit potentiel. La sonde de contrôle est à sa sortie, jamais à son entrée.
Le taux de régénération
Le produit froid entrant est préchauffé par le produit chaud sortant. T1 est la température d’entrée du produit cru, T2 celle atteinte en sortie de récupération, Tp la température de pasteurisation. Un pasteurisateur laitier moderne atteint 90 à 95 % : à 92 %, du lait entrant à 4 °C et pasteurisé à 72 °C ressort de la récupération à 66,6 °C, et la vapeur n’a plus que 5,4 °C à fournir au lieu de 68.
Les symboles
| Symbole | Grandeur | Unité |
|---|---|---|
| N0, N | Populations initiale et survivante | UFC·mL−1 ou UFC·g−1 |
| t | Temps de traitement | s ou min |
| DT | Réduction décimale à la température T | s ou min |
| z | Écart de température divisant D par 10 | °C |
| T, Tref | Température du produit, température de référence | °C |
| VP | Valeur pasteurisatrice, temps équivalent à Tref | min |
| UP | Unité de pasteurisation, 1 min à 60 °C avec z = 7 °C | sans dimension |
| L | Longueur du tube de maintien | m |
| Q | Débit volumique | m3·s−1 |
| A | Section de passage du tube | m2 |
| vmax, f | Vitesse maximale ; facteur de profil (1,2 turbulent, 2 laminaire) | m·s−1 ; sans dimension |
| R (régénération) | Taux de récupération thermique | % ou sans dimension |
| U | Coefficient global d’échange | W·m−2·K−1 |
| aw | Activité de l’eau | sans dimension |
Les matériels
Le choix de l’appareil se fait sur trois critères : la viscosité et la charge en particules du produit, la nécessité ou non de traiter après conditionnement, et le niveau de récupération thermique visé.
L’échangeur à plaques
C’est la machine de référence pour tout liquide fluide sans particules : lait, crème, jus clarifiés, bière, sirops. Des plaques inoxydables embouties de 0,5 à 0,8 mm, serrées entre deux bâtis, ménagent des canaux de 2 à 5 mm parcourus à contre-courant. Le corrugage impose la turbulence dès un nombre de Reynolds de 200 à 400, d’où des coefficients globaux de 3 000 à 6 000 W·m−2·K−1, cinq à dix fois ceux d’un faisceau tubulaire. Un pasteurisateur laitier de 20 000 L·h−1 tient dans 40 à 80 m2 de surface.
Sa force est de permettre plusieurs sections indépendantes sur un même bâti — récupération, chauffage, refroidissement — ce qui rend possibles les taux de régénération de 90 à 95 %. Sa faiblesse est le joint : élastomère EPDM ou NBR, il limite la température à 140-150 °C et la pression à 10-16 bar, il vieillit, et sa défaillance met en communication le côté cru et le côté pasteurisé. D’où la règle universelle : maintenir le côté pasteurisé en surpression par rapport au côté cru dans la récupération, au moyen d’une pompe de gavage, de sorte qu’une fuite aille du propre vers le sale. La marge minimale imposée par les codes sanitaires est de l’ordre de 0,1 bar ; on règle en pratique 0,3 à 0,5 bar.
L’échangeur tubulaire
Faisceau de tubes, tube dans tube ou multitube annulaire, il accepte les produits visqueux, pulpeux ou chargés en particules jusqu’à 5-10 mm, monte à 20-30 bar et se passe de joints au contact du produit. Ses coefficients d’échange, de 500 à 2 000 W·m−2·K−1, sont plus faibles, sa surface et son volume interne plus grands — d’où des temps de montée plus longs et davantage de produit perdu au démarrage et au nettoyage. Il s’encrasse plus lentement que les plaques et autorise des campagnes plus longues. Nectars pulpeux, purées fluides et jus non clarifiés y vont naturellement.
L’échangeur à surface raclée
Un rotor porteur de lames racle la paroi d’un cylindre chauffé, renouvelant la couche limite et empêchant le dépôt. C’est la seule solution pour les produits très visqueux ou collants : préparations de fruits, purées épaisses, crèmes pâtissières, caramels, sirops très concentrés. Surfaces de 1 à 3 m2 par corps, coefficients de 300 à 1 500 W·m−2·K−1, 5 à 20 kW de consommation mécanique, et un coût par mètre carré cinq à dix fois celui d’une plaque : on ne l’installe que lorsque rien d’autre ne passe.
Le pasteurisateur tunnel
Le produit est traité après remplissage et fermeture, ce qui supprime le risque de recontamination. Bouteilles ou canettes défilent à travers des zones d’arrosage successives — préchauffage, chauffage, maintien, refroidissement — les zones chaudes et froides s’échangeant leur chaleur. La traversée dure 20 à 60 minutes pour une chauffe utile de 10 à 20 minutes, la montée en température d’une bouteille de 33 cL en verre prenant à elle seule 8 à 15 minutes. Le contrôle se fait par sonde embarquée dans une bouteille témoin, qui restitue la courbe temps-température complète et donc les unités de pasteurisation réellement délivrées. Les contraintes sont le choc thermique du verre, qui limite l’écart entre zones à 20-30 °C, et la consommation d’eau.
Le chauffage volumique
Le chauffage ohmique fait passer un courant alternatif à travers le produit, qui joue le rôle de résistance. La chaleur naît partout à la fois, sans surface d’échange, donc sans encrassement et sans gradient : c’est la seule technique qui traite correctement un liquide chargé de gros morceaux, la particule chauffant aussi vite que le liquide si leurs conductivités sont proches, à 1 à 20 °C par seconde. La condition est une conductivité électrique de 0,1 à 5 S·m−1, donc des ions : un produit salé ou acide convient, une solution de sucre ou de polyol pure ne conduit pratiquement pas. Le chauffage par micro-ondes, à 915 ou 2 450 MHz, ne pénètre que de quelques centimètres dans un produit aqueux : l’hétérogénéité interdit d’y garantir un barème dans une masse épaisse, et il reste cantonné aux produits minces en emballage.
| Matériel | Produits | U indicatif (W·m−2·K−1) | Régénération possible | Ce qui le fait choisir |
|---|---|---|---|---|
| Plaques | Liquides fluides sans particules | 3 000 à 6 000 | 90 à 95 % | Compacité, économie d’énergie, modularité |
| Tubulaire | Visqueux, pulpeux, particules < 10 mm | 500 à 2 000 | 60 à 85 % | Absence de joints, haute pression, campagnes longues |
| Surface raclée | Très visqueux, collants, cristallisants | 300 à 1 500 | Faible ou nulle | Seule solution quand le produit ne s’écoule pas |
| Tunnel d’arrosage | Produits déjà conditionnés | — | 50 à 70 % (eau) | Suppression de la recontamination |
| Ohmique | Liquides ioniques à particules | — | Nulle | Chauffe volumique, aucun encrassement |
| Micro-ondes | Produits minces, emballés | — | Nulle | Traitement dans l’emballage final, petites séries |
produit cru à 4 °C, niveau constant, exutoire du recyclage
préchauffage à 60-67 °C par le produit pasteurisé
eau chaude ou vapeur, écart 2 à 5 °C avec le produit
longueur calculée sur la vitesse maximale, pente 2 %
point critique : sous consigne, retour au bac
le produit cède sa chaleur au produit entrant
eau glacée, sortie à 4 °C
zone en surpression d’air filtré, remplisseuse désinfectée
Les paramètres de conduite
Sur une ligne de pasteurisation, on règle une dizaine de grandeurs. Trois sont critiques au sens réglementaire — la température en sortie de tube de maintien, le débit, la surpression de la boucle pasteurisée — et les autres commandent la qualité et la durée de campagne.
| Paramètre | Plage usuelle | Effet d’une augmentation | Limite haute |
|---|---|---|---|
| Température de pasteurisation | 63 à 95 °C selon produit | Destruction microbienne multipliée par 10 tous les z ; cuisson accrue | Goût de cuit, dénaturation, encrassement |
| Temps de maintien | 1 s à 30 min | Effet proportionnel sur le nombre de réductions décimales | Volume de tube, coût, cuisson |
| Débit | Nominal ± 5 % | Réduit le temps de maintien en proportion inverse | Toute hausse au-delà du nominal invalide le barème |
| Taux de régénération | 85 à 95 % | Économie de vapeur et de froid | Surface d’échange, coût, montée lente favorisant la thermorésistance |
| Écart de température côté chaud | 2 à 6 °C | Réduit l’encrassement, allonge la campagne | Surface d’échange à installer |
| Surpression boucle pasteurisée | 0,3 à 0,5 bar | Sécurise le sens des fuites de plaques | Tenue des joints, pression de service |
| Durée de campagne entre nettoyages | 6 à 20 h | Améliore le rendement matière | Encrassement, biofilms, dérive thermique |
| Consigne de recyclage | 0,5 à 1 °C sous la consigne | Sécurise ; trop serrée, elle fait battre la vanne | Stabilité de la régulation vapeur |
Le point de contrôle critique de toute ligne est la sonde placée en sortie de tube de maintien, associée à la vanne de recyclage. Cette vanne doit être à sécurité positive — position de recyclage en cas de coupure d’air ou d’électricité — se manœuvrer en moins d’une seconde, et son basculement doit être enregistré ; tout le produit passé sous la consigne repart au bac et sera repasteurisé. Deux enregistreurs indépendants et un étalonnage périodique contre un thermomètre de référence sont la pratique courante : une dérive de 0,5 °C sur une sonde représente déjà, avec un z de 5 °C, un écart de 25 % sur la valeur pasteurisatrice.
Ce qui se dérègle
Les défauts d’une ligne de pasteurisation se répartissent en trois familles : ceux qui compromettent la sécurité, ceux qui usent la ligne, et ceux qui abîment le produit. La plupart se signalent d’abord par une dérive lente, pas par un arrêt.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Phosphatase alcaline positive sur produit fini | Fuite d’une plaque du régénérateur, surpression inversée, ou court-circuit du tube de maintien | Test de pression du régénérateur, contrôle de la pompe de gavage, recherche de joint percé, blocage du lot |
| Température de sortie qui baisse de 1 à 3 °C en quelques heures | Encrassement protéique ou minéral des plaques côté chaud | Nettoyage en place anticipé ; à terme, réduire l’écart de température côté utilité |
| Vanne de recyclage qui bat en permanence | Consigne trop proche de la température atteinte, régulation vapeur instable, débit oscillant | Relever la consigne de 1 à 2 °C, stabiliser le niveau du bac, régler la boucle de régulation |
| Flore élevée en fin de durée de vie alors que le barème est conforme | Recontamination après pasteurisation : remplisseuse, condensats, air non filtré, biofilm | Audit de la zone propre, contrôle de surfaces, révision du nettoyage de la remplisseuse |
| Goût de cuit sur le lait ou la crème | Température excessive, temps de séjour allongé par un débit bas, encrassement retenant du produit | Vérifier le débit réel, revenir au barème nominal, raccourcir la campagne |
| Séparation de phase et clarification du jus d’orange en bouteille | Pectine méthylestérase résiduelle, barème insuffisant | Monter à 90-95 °C pendant 15 à 30 s, contrôler l’activité résiduelle |
| Goût pharmaceutique ou phéniqué dans un jus, sans trouble | Alicyclobacillus et production de guaïacol | Aucun barème ne le règle : contrôle des matières premières, lavage des fruits, dépistage sur concentrés |
| Viscosité anormale ou grains dans l’œuf liquide pasteurisé | Dépassement de 1 à 2 °C, ou point chaud sur la paroi | Réduire l’écart de température côté utilité, contrôler le profil de l’échangeur |
| Goût de carton dans la bière après quelques semaines | Unités de pasteurisation excessives au tunnel, oxydation induite | Recartographier le tunnel avec une bouteille sonde, viser 15 à 25 UP |
La recontamination, et ce que le barème coûte au produit
Une pasteurisation parfaite ne protège rien en aval d’elle-même. Un germe par litre réintroduit après le tube de maintien annule douze réductions décimales, puisqu’il retrouve un milieu débarrassé de sa flore concurrente. Les entrées sont toujours les mêmes : joints usés de la remplisseuse, condensats, air comprimé non filtré, biofilm dans un bras mort, opérateur. C’est la recontamination, et non le barème, qui fixe la durée de vie du lait pasteurisé à 7-10 jours ; les procédés à durée de vie allongée n’obtiennent leurs 21 à 45 jours qu’en associant un barème renforcé à un remplissage sous air filtré en surpression, avec désinfection de l’emballage. Le gain vient de l’aval, pas du pasteurisateur.
Le barème se paie aussi en qualité. Les pertes vitaminiques d’un traitement HTST restent modestes — de l’ordre de 5 à 15 % pour la vitamine C et de 3 à 10 % pour la thiamine dans le lait, contre 15 à 30 % en basse température longue durée — parce que ces dégradations ont un z de 20 à 30 °C et dépendent surtout de la durée. Le goût de cuit du lait vient du sulfure d’hydrogène libéré par les groupes thiols de la β-lactoglobuline dénaturée et devient perceptible au-delà de 76-78 °C ; la mesure des protéines sériques non dénaturées sert à distinguer pasteurisation et haute pasteurisation. Dans les jus, ce sont les esters volatils qui partent ; dans la bière, les carbonyles d’oxydation qui apparaissent au-delà de 25 à 30 UP.
Vapeur et eau surchauffée. Les boucles de chauffage d’un pasteurisateur travaillent couramment à 4-10 bar de vapeur et à des températures d’eau surchauffée de 80 à 130 °C. Une plaque ou un joint qui cède projette un fluide bouillant ; une purge ouverte sur un circuit sous pression provoque un jet de vapeur invisible sur son premier décimètre. Consignation, dépressurisation et refroidissement avant toute ouverture de bâti, sans exception, y compris pour un simple resserrage. Le desserrage d’un échangeur à plaques sous pression résiduelle est l’un des accidents les plus fréquents des ateliers liquides.
Énergie, coût et environnement
Chauffer un litre de lait de 4 à 72 °C demande, avec une chaleur massique de 3,9 kJ·kg−1·K−1, environ 265 kJ soit 74 Wh ; le refroidir ensuite demande d’évacuer autant, soit 25 Wh d’électricité avec un coefficient de performance de 3. Sans récupération, une pasteurisation coûterait près de 100 Wh par litre.
Avec une régénération à 92 %, il ne reste que 5,4 °C à fournir côté chaud et 5,4 °C à retirer côté froid : 21 kJ par litre, soit 5,9 Wh de chaleur — environ 10 grammes de vapeur à 3 bar — et 2 Wh d’électricité frigorifique. S’ajoutent le pompage et l’homogénéisation, de 1 à 3 Wh par litre pour le premier, de 8 à 15 Wh par litre pour la seconde à 180-200 bar. Le bilan réel d’une ligne laitière moderne se situe entre 15 et 30 Wh par litre pasteurisé, homogénéisation comprise, soit un ordre de grandeur de moins que la valeur sans récupération. Aucune autre opération unitaire ne tire un bénéfice aussi net de l’intégration thermique, et c’est pourquoi la section de régénération occupe souvent plus de la moitié de la surface d’échange installée.
Les autres postes sont l’eau et le nettoyage. Un tunnel consomme 0,2 à 1 litre d’eau et 20 à 60 Wh par litre de produit : il est trois à cinq fois plus coûteux qu’une pasteurisation flash, prix payé pour l’absence de recontamination. Un cycle de nettoyage en place consomme 1 à 3 m3 d’eau et 30 à 80 kWh thermiques pour une ligne moyenne, et rejette une soude et un acide à neutraliser. Allonger les campagnes de 8 à 16 heures divise ce poste par deux, ce qui justifie de dimensionner l’échangeur avec un faible écart de température côté utilité, quitte à installer 20 à 30 % de surface en plus.
La récupération a une contrepartie microbiologique : plus la régénération est poussée, plus la montée est lente, et un préchauffage lent traverse la zone de 30 à 50 °C où les thermophiles se multiplient dans le film pariétal. Les biofilms de Streptococcus thermophilus et de Bacillus qui s’y développent limitent les campagnes à 8-12 heures en laiterie, bien avant l’encrassement thermique lui-même.
L’opération dans la fabrication des sucrants
La pasteurisation n’est pas une étape de la fabrication des sucrants purifiés : ni le xylitol, ni l’érythritol, ni les glycosides de stéviol ne sortent d’un pasteurisateur. Leurs procédés comportent des étapes thermiques bien plus sévères — l’hydrogénation catalytique du xylose se conduit vers 100-140 °C sous 40 à 70 bar, la fabrication du xylitol décrit cet enchaînement — et s’achèvent par une cristallisation qui laisse un solide microbiologiquement inerte. La pasteurisation devient en revanche centrale dès que le sucrant est mis en solution : sirops, nectars, boissons, confitures, mixes glaciers. C’est là que le sucre devient un paramètre de procédé.
Le sucre protège les germes de la chaleur
L’effet va à contresens de l’intuition. En abaissant l’activité de l’eau, un milieu sucré déshydrate partiellement la cellule, stabilise ses protéines et augmente sa thermorésistance : la réduction décimale de Salmonella ou de Listeria est multipliée par 5 à 50 entre un milieu aqueux et un milieu à 60-70 % de saccharose, et z lui-même passe de 5-6 °C à 15-25 °C. D’où la difficulté d’assainir par la chaleur un sirop ou un chocolat contaminés, et la sévérité des barèmes des mixes glaciers — 83-85 °C au lieu de 72 °C.
Le paradoxe se referme aussitôt : un produit assez sucré pour protéger ses germes est assez sucré pour les empêcher de croître. Une confiture traditionnelle à 65-68 °Brix a une activité de l’eau de 0,80 à 0,85, où aucune bactérie ne se développe et où seules quelques levures osmophiles et moisissures xérophiles subsistent. Son traitement thermique n’est pas un barème de sécurité mais un remplissage à chaud à 85-92 °C suivi du retournement du pot 2 à 3 minutes, pour traiter le couvercle et l’espace de tête. La stabilité vient de l’activité de l’eau et du pH.
Ce que changent le xylitol, l’érythritol et la stévia
Un polyol abaisse l’activité de l’eau comme un sucre, et même davantage à teneur massique égale, parce que sa masse molaire est plus faible : 152 g·mol−1 pour le xylitol, 122 pour l’érythritol, contre 342 pour le saccharose. À 60 % en masse, une solution de xylitol contient trois fois plus de molécules dissoutes qu’une solution de saccharose à la même concentration, et la loi de Raoult donne une activité de l’eau idéale d’environ 0,85 contre 0,93. Un sirop de polyol concentré est donc, sur ce plan, un milieu aussi hostile qu’un sirop de sucre.
Encore faut-il pouvoir le concentrer, et c’est ici que les trois familles divergent. Le xylitol est soluble à hauteur de 60 à 65 g pour 100 g de solution à 20 °C, valeur voisine de celle du saccharose : un sirop de xylitol atteint un Brix suffisant pour abaisser réellement l’activité de l’eau, au prix d’un risque de cristallisation au froid que l’on maîtrise par un mélange de solutés. L’érythritol ne dépasse guère 25 à 30 g pour 100 g de solution à température ambiante : une préparation à l’érythritol ne peut pas descendre sous une activité de l’eau de 0,95, et elle recristallise en surface dès qu’elle refroidit. La stévia, employée à quelques centaines de milligrammes par kilogramme, n’a strictement aucun effet sur l’activité de l’eau : une confiture édulcorée à la stévia est, du point de vue microbiologique, une purée de fruits.
La confiture sans sucre est un autre produit, pas la même recette allégée. À 65 °Brix de saccharose, l’activité de l’eau vaut 0,80 à 0,85 et le produit se conserve seul. À 30-40 °Brix, en confiture allégée, elle remonte à 0,90-0,94 et il faut un vrai barème plus un conservateur ou le froid. Édulcorée à la stévia sans charge, elle atteint 0,97-0,99 : le produit exige alors un traitement thermique complet — 90 à 95 °C pendant 5 à 10 minutes à cœur, ou un remplissage à chaud strict — un pH ramené sous 4,0, un système gélifiant qui ne dépend plus du sucre, et souvent une conservation réfrigérée après ouverture beaucoup plus courte. Le même raisonnement vaut pour les sirops de table, les coulis et les nappages : retirer le saccharose retire une barrière de conservation, et cette barrière doit être remplacée par une autre, explicitement.
Les sirops et les nectars
Un sirop de sucre pour boissons, à 60-67 °Brix, se pasteurise à 85-90 °C pendant 30 à 60 secondes en échangeur à plaques ; certaines lignes lui préfèrent une filtration stérilisante à froid suivie d’un traitement ultraviolet, moins consommatrice et sans effet sur la couleur. Le sirop de yacon pose une contrainte propre : ses fructo-oligosaccharides s’hydrolysent en milieu acide et à chaud, libérant du fructose et détruisant l’intérêt du produit. On y travaille à pH proche de 5, avec concentration sous vide à 55-65 °C et pasteurisation flash de 85-90 °C pendant 15 à 30 secondes, jamais un maintien long. Le sirop d’agave, très riche en fructose libre après hydrolyse des fructanes, se colore et forme de l’hydroxyméthylfurfural dès qu’on le maintient chaud : là encore, court et chaud plutôt que long et tiède.
Cette remarque est le point d’aboutissement du cours. La formation d’HMF, le brunissement non enzymatique et la dégradation des vitamines ont des z de 25 à 45 °C, contre 5 à 10 °C pour les micro-organismes : chaque fois qu’on peut monter la température et raccourcir le temps à valeur pasteurisatrice constante, on gagne sur la couleur, l’arôme et la valeur nutritionnelle. C’est vrai du lait, des jus, et surtout des sirops sucrés, où le sucre est le premier réactif de la dégradation thermique.
En sucrerie de betterave et de canne
La sucrerie ne comporte pas d’étape appelée pasteurisation, mais ses opérations thermiques en jouent le rôle. La diffusion du jus se conduit à 70-72 °C, température choisie autant pour l’extraction que pour contenir Leuconostoc mesenteroides, dont les dextranes bloquent la filtration, et pour freiner les thermophiles qui consomment le saccharose ; le chauffage des jus à 85-90 °C autour de l’épuration calco-carbonique achève l’assainissement. Le produit final, lui, est protégé par sa propre concentration : un sucre cristallisé à moins de 0,05 % d’humidité n’est pas un milieu vivant.
Pour aller plus loin
- Stérilisation — l’opération sœur, celle qui vise les spores et permet la conservation à température ambiante des produits peu acides.
- Échange de chaleur — le dimensionnement des échangeurs, le coefficient global, l’écart logarithmique moyen et l’encrassement, qui commandent tout ce qui précède.
- Blanchiment — l’autre traitement thermique doux, dédié à l’inactivation enzymatique des légumes avant congélation ou séchage.
- Conditionnement et remplissage — où se joue la recontamination qui ruine les meilleures pasteurisations.
- Réfrigération — la barrière obligatoire en aval de toute pasteurisation de produit peu acide.
- Filtration membranaire — la voie non thermique de réduction microbienne, par microfiltration à 1,4 µm.
- Le xylitol et la cuisson — le comportement thermique des polyols, en cuisine et par extension en préparation sucrée.
Sources
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Singh, R. P., Heldman, D. R., Introduction to Food Engineering, 5e éd., Academic Press, 2014.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2e éd., Springer, 2016.
- Règlement (CE) n° 852/2004 relatif à l’hygiène des denrées alimentaires.
- Règlement (CE) n° 853/2004 fixant les règles spécifiques d’hygiène applicables aux denrées animales, annexe III, section IX — traitements thermiques du lait et test de la phosphatase alcaline.
- Règlement (UE) n° 1333/2008 sur les additifs alimentaires (E967 xylitol, E968 érythritol).