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May 30, 2023

Analyse comparative de la qualité et faisabilité économique d'une unité de transformation de yaourt à énergie solaire pour une chaîne de valeur laitière décentralisée

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6878 (2023) Citer cet article

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En raison du manque d'installations de transformation du lait à la ferme, les producteurs laitiers doivent vendre du lait cru, ce qui entraîne des compromis économiques et qualitatifs. L'étude a comparé la qualité du yaourt transformé dans une unité de transformation de yaourt à énergie solaire avec la chaîne de valeur du lait existante et sa faisabilité technico-économique. Pour cela, une enquête sur l'expérience a été réalisée où quatre approches différentes de traitement du lait ont été comparées. Les attributs de qualité pour le lait transformé comme le gras (5,283 %), les solides non gras (9,0833 %), les sels (0,6833 %), les protéines (3,8 %), le lactose (4,1 %), les solides totaux (14,383 %), le pH (6,87), la densité (1,031 kg/L) et le point de congélation (− 0,532 °C) se situent dans les plages normalisées. De même, pour le cas du yogourt, ces attributs ont été trouvés comme gras (5,5 %), solide non gras (8,683 %), acidité (0,93 %), lactose (4,73 %), solides totaux (14,183 %), pH (4,3433), densité (1,039 kg/L) synérèse (9,87 mL/100 g), plage de numération de S. thermophilus (10,18–10,30 log ufc/mL) et L plage de numération de .bulgaricus (10,26–10,34 log ufc/mL). De plus, l'absence de détection du nombre de coliformes dans le yaourt traité à l'énergie solaire a confirmé l'idée actuelle d'effectuer trois processus de chauffage, de fermentation et de refroidissement dans une seule unité. Sur la base des sources d'énergie utilisées, la période de récupération a été calculée comme étant de 1,3 à 9 ans avec une durée de vie prévue de 15 ans, tandis qu'en termes de profit du produit, la période de récupération a été estimée à 1,78 ans. Le coût de transformation par litre de lait pour la production de yaourt a été calculé à 0,0189 USD. Compte tenu des économies d'émissions de CO2, il est prévu qu'une unité de transformation de yaourt à énergie solaire puisse générer 107,73 MWh d'énergie utile pendant sa durée de vie sans émission de CO2.

Le yaourt est l'un des plus anciens produits laitiers fermentés et il est largement consommé dans le monde. Il contient beaucoup de protéines, de calcium et de vitamines. Les bactéries productrices d'acide lactique, telles que S. thermophilus et L. bulgaricus, ou d'autres bactéries au métabolisme mutuellement complémentaire, fermentent le yaourt1. Le yogourt nature a une délicate saveur de noix et une texture onctueuse et visqueuse semblable à un gel2. Les bactéries lactiques fermentent le lactose, produisant de l'acide lactique, du dioxyde de carbone, de l'acide acétique, du diacétyle, de l'acétaldéhyde et une variété d'autres composés qui donnent au yogourt sa saveur distincte3. Hamdan et al.4 ont découvert qu'un mélange 1:1 de L. bulgaricus et de S. Thermophilus produisait une forte teneur en acétaldéhyde dans le lait. Cependant, la production de yogourt sûr et de haute qualité nécessite un traitement méticuleux. En réalité, même une petite quantité de contamination peut dégrader la qualité du yaourt et avoir de graves conséquences sur la santé des consommateurs.

Le Pakistan produit plus de 59,666 millions de tonnes de lait par an, se classant au troisième rang mondial après l'Inde et les États-Unis5, la majorité des producteurs étant de petits agriculteurs (> 80%). Malheureusement, seulement 5 % de ce lait est transformé, le reste étant manipulé par des laitiers qui sont souvent insalubres et posent d'importants problèmes de santé. En raison du manque d'installations de transformation, 15 à 19 % du lait total produit dans le pays est gaspillé, tandis que le reste est mal manipulé6. Non seulement dans le sous-continent Indo-Pakistanais, le yaourt est un produit laitier populaire mais également dans le monde entier, c'est-à-dire que la production de yaourt a augmenté de 8,3 × 106 tonnes au cours de la période de 1990 à 2015 aux États-Unis7. Au Pakistan, le yaourt représente plus de 70 % de tous les produits laitiers fermentés8, bien que la fermentation du lait reçoive moins d'attention afin d'améliorer la durée de conservation, l'arôme et le contenu nutritionnel. Le tableau 1 répertorie les principaux pays producteurs de lait5 et de yaourt9.

Malheureusement, plusieurs adultérants chimiques et microbiologiques dégradent la qualité du lait tout au long de la transformation et tout au long de la chaîne d'approvisionnement10,11,12,13,14. Dans les pays en développement, les systèmes de production et de distribution du lait sont encore très traditionnels et dominés principalement par le secteur privé informel, qui se compose de divers agents tels que les producteurs, les collecteurs, les intermédiaires, les transformateurs, les commerçants et les laiteries, chacun d'entre eux jouant un rôle spécialisé à un point spécifique de la chaîne d'approvisionnement15. Pratiquement, à chaque étape du processus de commercialisation, il n'y a presque pas de tests16. La majorité des entreprises laitières dans les zones urbaines sont exposées à la poussière et aux insectes, et seule une poignée d'entre elles sont équipées de réfrigération. Les conteneurs de transport sont insalubres et la falsification du lait est une préoccupation majeure dans la chaîne d'approvisionnement en lait périurbaine. Cependant, en raison des clients soucieux des prix dans le pays, la demande de lait cru et de ses produits, tels que le yaourt, est plus élevée que pour le lait transformé et ses produits17. En raison de la consommation généralisée de lait et de produits laitiers, ces produits sont des cibles potentielles de falsification, avec un gain financier pour les producteurs peu scrupuleux18.

Au Pakistan, une quantité très inférieure de yaourt transformé (de marque) est accessible, et le yaourt est principalement produit à petite échelle (sans marque) par la population locale (Gawalas) et est connu localement sous le nom de dahi. Le yaourt sans marque (dahi) est fabriqué dans des conditions moins contrôlées que le yaourt de marque (standardisation du lait, concentration de la culture, viabilité, température et temps d'incubation, etc.). De plus, il n'y a pas de lignes directrices claires pour les produits laitiers fermentés. En conséquence, la qualité du yaourt/dahi sur le marché local varie considérablement d'un magasin à l'autre. Cependant, les gens sont de plus en plus conscients de l'importance de la qualité des aliments19. De nombreux facteurs influencent la qualité du yaourt transformé. L'une des variables les plus essentielles est de maintenir le bon profil de température, c'est-à-dire chauffer le lait à 80 °C, maintenir la température du lait inoculé entre 40 et 45 °C pendant la fermentation, puis refroidir rapidement le yaourt en dessous de 8 °C20. Grigorov21 a également recommandé la pasteurisation du lait à 85 °C pendant 20 à 30 min pour minimiser la synérèse dans le yaourt au lieu de 90–95 °C qui provoque une détérioration du produit avec des temps de maintien similaires. Rowland22 a examiné la quantité d'albumine et de globuline dénaturée lorsque le lait était chauffé à des températures allant de 63 à 80 °C pendant des durées variables, et a constaté que 83,4 % de l'albumine et de la globuline totales étaient dénaturées après 30 minutes à 80 °C.

Une contamination microbienne (agents pathogènes) peut survenir à la suite de conditions de fonctionnement insalubres, ce qui pose un risque majeur pour la santé des consommateurs. La demande des clients pour le goût, la qualité, la stabilité et la durée de conservation du lait et du yaourt, en revanche, augmente. Par conséquent, la recherche fondamentale dans le domaine de l'évaluation de la qualité du lait/yaourt commercialisé est nécessaire pour sensibiliser le public. À cette fin, divers échantillons de lait/yaourt de marque (industriel) et sans marque (produit localement) ont été obtenus et leur qualité a été analysée à Faisalabad, la troisième plus grande ville du Pakistan.

Deuxièmement, faute d'installations de transformation à la ferme, les producteurs laitiers sont obligés de vendre du lait cru périssable de haute qualité aux laitiers locaux et aux grands collecteurs de lait à des prix inférieurs23. Au Pakistan, près de 95 % du lait est vendu sous forme brute par le biais de circuits de commercialisation informels, offrant un potentiel de falsification à chaque étape de la chaîne d'approvisionnement24. Les critères de qualité traditionnels, tels que sentir ou faire bouillir le lait pour identifier tout caillage ou falsification, sont fréquemment utilisés par les transformateurs. Le traitement est fréquemment effectué dans des conditions insalubres. La main-d'œuvre, la location des locaux et le combustible, qui peuvent aller de la combustion du bois à l'électricité, sont tous inclus dans les coûts de production. Par exemple, un réservoir de refroidissement d'une ferme d'une capacité de 200 L coûte 3 313 USD et un autre d'une capacité de 1 000 L coûte 6 812 USD. En conséquence, le lait est traditionnellement stocké dans des récipients de qualité non alimentaire avec de la glace (qui peut être contaminée) comme réfrigérant pour éviter la détérioration, en particulier pendant la saison estivale16. Ainsi, la capacité des producteurs laitiers à installer des unités de refroidissement et des pasteurisateurs pour la transformation laitière à la ferme est entravée par des dépenses d'approvisionnement et d'exploitation élevées.

L'utilisation d'intrants énergétiques fossiles pour un fonctionnement continu représente une part considérable des coûts des exploitations laitières disposant d'installations de transformation du lait. L'industrie laitière produit environ 4 % de tous les gaz à effet de serre (GES) anthropiques, soit environ 1,2 milliard de tonnes de CO2 chaque année25. L'utilisation généralisée des combustibles fossiles comme source d'énergie primaire dans la transformation des produits laitiers contribue à la pollution, ce qui nécessite une action immédiate pour faire passer la transformation des produits laitiers à des sources d'énergie renouvelables26. Le Pakistan reçoit beaucoup d'énergie solaire, 19 MJm−2 pour 7,6 ha jour, avec un DNI de 5 à 7 kWh m−2 j−1 en moyenne27. Plus d'un milliard de personnes (56 %) au Pakistan vivent dans des zones rurales et reculées, dépendant du bois, du charbon de bois, des tourteaux de fumier, des résidus agricoles ou des combustibles à base de carbone pour répondre à leurs besoins énergétiques. Alors que plus de 0,51 milliard (27%) ne sont toujours pas reliés au réseau électrique national, ceux qui sont connectés ont des lignes de transmission limitées aux régions habitées à usage résidentiel exclusivement, la majorité des exploitations laitières se déroulant en dehors des villages28. En un mot, développer des solutions énergétiques autosuffisantes, viables et hors réseau pour les zones rurales est le besoin du moment. Par conséquent, une unité de transformation de yaourt à assistance solaire a été développée pour la transformation décentralisée du lait cru20,29. Bien que le produit final soit le yaourt, le système développé traite le yaourt à partir de lait cru, c'est-à-dire capable de chauffer le lait cru qui est la condition préalable à la fermentation du yaourt. Parce que la qualité du lait cru affecte la qualité du yogourt et une falsification du lait cru est attendue pendant son transport (pratique conventionnelle). Par conséquent, dans l'étude actuelle, une analyse de la qualité du yogourt ainsi que du lait cru a été effectuée à des fins de comparaison avec le lait disponible localement utilisé pour la fabrication de yogourt à la maison et dans les magasins locaux. Par ailleurs, la faisabilité économique du système a également été réalisée pour l'adaptation en milieu rural. On s'attend à ce que la technologie capable de transformer un produit de qualité avec des dépenses opérationnelles minimales aide non seulement à réduire les pertes après la traite, mais génère également des revenus pour les utilisateurs finaux.

En collaboration avec le Centre international pour le développement et le travail décent (ICDD, Université de Kassel, Allemagne et Industries laitières, Okara-Pakistan, le Département d'ingénierie des systèmes énergétiques, Université d'agriculture de Faisalabad (UAF) Pakistan a développé et fabriqué une unité complète de traitement du yaourt.

La conception de l'unité de transformation du yaourt et la sélection de sa source d'énergie dépendent principalement de certains facteurs fondamentaux tels que la maintenance, l'efficacité énergétique et, en particulier, le cycle de vie du produit et l'impact environnemental. La figure 1 montre une unité de transformation de yaourt solaire conçue pour transformer le lait cru et le fermenter en yaourt sur le site de production de manière opportune et contrôlée. Il se compose d'une chambre de fermentation cylindrique (560 mm de diamètre et 230 mm de profondeur) d'une capacité de 50 L en acier inoxydable (qualité alimentaire SS 304) et est entouré d'un serpentin de chauffage (3,5 m de long, 40 mm de large et 12,5 mm de haut). Une plaque d'oreiller est placée à la surface inférieure de la chambre qui fonctionne comme un évaporateur pour des raisons de refroidissement. D'autres détails techniques peuvent être trouvés dans Husnain et al.20.

Unité de transformation de yaourt à assistance solaire20.

Brièvement, pour expliquer la procédure de fonctionnement, la Fig. 2 montre le schéma de l'unité développée pour élaborer sur la connectivité des composants. L'unité de transformation du yaourt était couplée à un réservoir de stockage d'eau chaude d'une capacité de 100 L qui reçoit la chaleur d'un capteur solaire à tubes sous vide (2,46 m2). Une pompe centrifuge (Wilo-SP106) a été installée pour la circulation d'une solution de propylène glycol (50 % en volume) entre le ballon de stockage d'eau chaude et le collecteur à tubes sous vide. La pompe peut fonctionner à trois vitesses variables (600 L/h, 900 L/h et 1100 L/h) et nécessite 80 W de puissance à vitesse maximale. Une autre pompe de circulation d'eau centrifuge en acier inoxydable (WB50/025D, 50 L/min.) a été installée entre la sortie du réservoir de stockage d'eau chaude et l'entrée de l'unité de transformation du yogourt pour faire circuler l'eau chaude à travers l'échangeur de chaleur à serpentin carré en spirale pour augmenter la température du lait jusqu'à 80 °C. Parce que le système est fermé, un vase d'expansion (12 L) a été inclus pour empêcher l'accumulation de haute pression. Lorsque le différentiel de température entre la solution eau-glycol quittant le collecteur à tubes sous vide et l'eau dans la partie inférieure du ballon de stockage d'eau chaude dépasse 5 °C, le régulateur active la pompe de circulation (Wilo-SP106) et l'arrête lorsque le différentiel est inférieur à 5 °C ou lorsque la température de l'eau dans le ballon de stockage dépasse 90 °C.

Disposition de configuration expérimentale d'une unité de transformation de yaourt à assistance solaire20.

L'étude a été menée dans la région de Faisalabad, au Pakistan, pour évaluer la qualité du yogourt du magasin local, du yogourt fait maison, du yogourt de marque/transformé par l'entreprise et du yogourt traité à l'énergie solaire afin de faire une comparaison approfondie de la qualité. Les protocoles expérimentaux comprenaient le chauffage des trois quantités différentes de lait cru (50, 40 et 30 L) jusqu'à 80 ° C à la vitesse continue de l'agitateur de 36 tr/min, ce qui prenait environ 140 à 80 min selon la quantité à traiter. Après cela, l'eau du robinet a été passée à travers le serpentin de chauffage en boucle ouverte sous la supervision de vannes à commande manuelle pour abaisser la température du lait chauffé à 43 ° C, ce qui est recommandé pour la fermentation du lait. La culture de démarrage a été inoculée (2 à 3 % du volume de lait) à cette température, et la température a été maintenue par une électrovanne contrôlant la circulation de l'eau chaude pendant 5 à 6 h jusqu'à ce que le pH requis (4,85 à 4,5) soit atteint. Après ce processus, le système de réfrigération a été activé pour abaisser la température du yaourt en dessous de 8 ° C, ce qui est essentiel pour augmenter la durée de conservation en réduisant les activités bactériennes qui prenaient normalement 48 à 103 minutes selon la quantité de lait transformé et les vitesses de l'agitateur (36, 18 et 6 tr/min). Les températures à l'entrée et à la sortie du collecteur à tubes sous vide, en haut et en bas du réservoir de stockage d'eau chaude et à l'intérieur de la chambre de fermentation ont été mesurées à l'aide d'un contrôleur avec des capteurs de température basés sur un détecteur de température à résistance (RTD). Pendant la fermentation du lait, le pH a été mesuré à l'aide d'un pH-mètre portable (ML1010). Une pince ampèremétrique (Fluke 345PQ) et un pyranomètre (METEON) ont été utilisés pour accéder aux performances du système PV installé. De plus, un CIP a été effectué après chaque expérience. Une description détaillée de ce processus est rapportée par Husnain et al.20.

L'étude a utilisé un analyseur de lait à ultrasons (Master Pro P1, Milkotester Ltd.) pour déterminer les attributs physiques tels que l'eau ajoutée (W, %), le point de congélation (Fp, °C), la température (T, °C), la densité (ρ, kg/L) et le pH, et les attributs chimiques : matières grasses (Ft. %), protéines (Prot., %), sels (Sal., %), solides non gras (SNF%) et lactose (Lac., %) avec une capacité de test de 50 échantillons par heure. . Un analyseur de lait a été utilisé pour examiner la qualité du lait de magasins de vente de lait/yaourt ouverts sélectionnés au hasard (20), du lait pour yaourt fait maison (20) et du lait de marque/transformé par l'entreprise (10). Dans des conditions stérilisées, trois échantillons de lait et de yogourt déjà fermenté ont été prélevés en même temps dans chaque magasin local et laitier sélectionnés à Faisalabad. Chaque échantillon de lait et de yogourt de marque a produit trois échantillons aléatoires. Les échantillons sans marque ont été rassemblés dans des flacons désinfectés, tandis que les échantillons de marque ont été conservés dans leur emballage d'origine. Les échantillons ont été testés dès que possible après leur collecte. La qualité du yogourt traité avec une nouvelle unité de traitement solaire du yogourt a ensuite été comparée aux données recueillies. Toutes les données ont été recueillies en double. La figure 3 représente un organigramme de la technique de recherche. La viabilité économique de l'unité de transformation solaire du yaourt a été étudiée en utilisant l'approche linéaire et le coût de transformation du lait par litre après analyse de la qualité. De plus, la réduction des émissions de carbone sur la durée de vie de la machine nouvellement développée a été calculée.

Organigramme de la méthodologie de recherche.

Un analyseur de lait à ultrasons a été utilisé pour vérifier la qualité du lait utilisé pour la fermentation du yogourt (Master Pro P1, Milkotester Ltd.). L'analyseur de lait a été calibré pour le troupeau local selon les protocoles standard du National Institute of Food Science & Technology (NIFSAT), University of Agriculture Faisalabad (UAF), Pakistan, afin de garantir l'exactitude et la fiabilité des résultats30. Bien que de nombreux paramètres physico-chimiques tels que W, Fp, T, ρ, pH, Ft, Prot., Sal., SNF et Lac. ont été examinés avec un analyseur de lait à ultrasons, des tests en laboratoire ont également été effectués à des fins d'étalonnage. La teneur en matières grasses du lait/yaourt a été déterminée à l'aide de la méthode Gerber, telle que décrite par Pearson31, et la teneur en protéines a été déterminée à l'aide de la méthode Kjeldahl, telle que rapportée par l'AOAC32. Les solides totaux (TS, %) ont été déterminés à l'aide de l'AOAC32 et pour déterminer la teneur en SNF présent dans un échantillon de lait donné, la technique Harding33 a été utilisée. La teneur en lactose de l'échantillon de lait a été étudiée par la formule suivante24 :

Selon l'AOAC32, la teneur en cendres (%) a été déterminée à l'aide d'une méthode gravimétrique dans un four à moufle à 550 °C. Le test de réduction du bleu de méthylène a été utilisé pour déterminer l'état sanitaire du lait/yaourt. Des techniques standard ont été utilisées pour détecter divers adultérants du lait/yaourt tels que l'eau, l'amidon, l'urée, le formol, le peroxyde d'hydrogène, les détergents, l'huile et le sucre de canne34.

La procédure décrite par Hassan et al.35 a été utilisée pour séparer le lactosérum des échantillons de yogourt. À 5 °C, 25 ml de yogourt pris ont été progressivement transférés dans des tubes à centrifuger de 50 ml, provoquant une perturbation minimale du coagulum. Les tubes à centrifuger ont été pesés et centrifugés pendant 20 min à 3394 RPM dans une centrifugeuse Eppendorf (5804 R) (fabriquée en Allemagne). Dans les tubes à centrifuger, la quantité de lactosérum séparée au sommet du coagulum a été mesurée en millilitres. La synérèse du lactosérum a été mesurée en utilisant la fraction pondérale du liquide surnageant (mL/100 g de yaourt). La séparation du lactosérum était proportionnelle au volume du lactosérum séparé, et vice versa.

Le dénombrement total viable de S. thermophilus, L. bulgaricus et Coliform a été déterminé à l'aide de la méthode standard de comptage sur plaque de Coppuccino et Sherman36. Selon Harrigan et McCance37, les milieux sélectifs utilisés pour un comptage viable de S. thermophilus, L. bulgaricus et Coliform étaient respectivement la gélose au lactose à la craie rouge neutre, la gélose à l'acétate et la gélose à la bile rouge violée.

Toutes les données ont été prises en triple et l'analyse de variance de Fisher a été utilisée pour examiner statistiquement les données obtenues sur divers paramètres à l'aide du programme informatique MINITAB (2018). Les différences entre les moyennes des traitements ont été comparées à l'aide du test de différence la moins significative (LSD) avec des niveaux de probabilité de 0,05. (Steel et al. 1997)38.

La viabilité économique, en plus de la solidité technique, est un facteur important dans l'adoption réussie de la technologie développée par les producteurs et les transformateurs de lait. En conséquence, en utilisant la méthode linéaire, l'unité de transformation de yaourt20 a été économiquement évaluée en fonction de la période de récupération et des revenus générés pendant la durée de vie utile39. Les coûts fixes comprenaient l'investissement initial, l'amortissement (Eq. 2), les intérêts (Eq. 3), les assurances (2 %), les taxes (1,5 %) et les frais de logement, ainsi que les dépenses opérationnelles telles que la main-d'œuvre, le fonctionnement (10 %) et les frais de réparation et d'entretien (25 %). Les coûts de logement et de main-d'œuvre n'ont pas été inclus car on a supposé que les producteurs de lait transformeraient le lait en utilisant des technologies développées au niveau de la ferme.

La valeur de récupération a été fixée à 10 % de l'investissement initial et la durée de vie projetée a été fixée à 15 ans. L'équation suivante est utilisée pour calculer les intérêts en utilisant le taux d'intérêt annuel au Pakistan (7 %) comme facteur.

Les périodes de récupération ont été calculées selon une approche du seuil de rentabilité. Le seuil de rentabilité, selon Munir et al.40, est le temps qu'il faut pour égaliser le coût total (fixe et opérationnel) et les revenus (en termes d'économies de carburant cumulées et de profit du produit), après quoi la machine commence à générer des revenus en termes d'économies de carburant. Étant donné que les conditions météorologiques affectent les heures de travail utilisables quotidiennement, toutes les estimations économiques ont été effectuées sur une base horaire.

Étant donné que l'unité de transformation du yaourt développée20,29 est entièrement alimentée par l'énergie solaire, il n'y a eu aucune émission de carbone. Par rapport aux ressources génératrices d'énergie à base de combustibles fossiles, une étude d'économie de carbone a également été menée pour estimer les émissions de CO2. Pour cette raison, l'énergie totale utilisée par les technologies développées tout au long de leurs heures de fonctionnement tout au long de leur durée de vie a été calculée, et les émissions de CO2 pour les ressources énergétiques non renouvelables ont été calculées si elles étaient utilisées pour créer la même quantité d'énergie. Quaschning41 a publié les émissions de CO2 par kWh de production d'énergie à partir de divers combustibles fossiles, qui ont été utilisées pour calculer les émissions de CO2 générées par ces combustibles pour une production d'énergie équivalente.

La valeur moyenne du pH des échantillons de lait prélevés à partir de sources autres que le lait traité à l'énergie solaire variait de 6,53 à 6,60 (tableau 2) et s'est avérée dans les limites normales. Plusieurs chercheurs ont rapporté des résultats similaires42,43. L'ajout de glace, d'eau ou de tout autre conservateur chimique pour prolonger la périssabilité du lait cru pur pourrait être la cause de valeurs de pH plus faibles dans les échantillons de lait du marché24. Le lait traité à l'énergie solaire (6,87 + 0,0404) avait le pH le plus élevé et était le plus proche du pH prescrit car il était pur et frais sans impuretés. Le pH de tous les échantillons de yogourt de marque et traités à l'énergie solaire, en revanche, était supérieur à 4, tandis que le pH des magasins locaux et des échantillons de yogourt fait à la main était encore inférieur à 4, ce qui entraînait une augmentation de l'acidité (tableau 3). En fait, une fermentation incontrôlée entraîne une baisse du pH et une augmentation de l'acidité. De plus, le yaourt sans marque ne dispose pas d'un mécanisme de dosage de culture approprié, ce qui a un impact significatif sur l'acidité du produit fini44. Le yogourt traité à l'énergie solaire (4,3433 + 0,0521) avait le pH le plus élevé et était le plus proche du pH prescrit car il était pur et frais, sans polluants.

Le lait commercialisé localement présentait la plage de points de congélation la plus large, allant de − 0,449 ± 0,00404 à − 0,463 ± 0,00115, comme indiqué dans le tableau 2, suivi du lait traité par l'entreprise pour la fermentation du yogourt (− 0,518 ± 0,00115) et du lait traité solaire (− 0,532 ± 0,000577). L'individualité, les différences de race, l'acidité acquise, le colostrum, la mammite, le stade de lactation, la nutrition et la saison peuvent tous avoir un impact sur le point de congélation du lait45. De plus, la présence d'eau mélangée dans le lait du marché local peut être liée au point de congélation plus élevé des échantillons, car l'enquête actuelle a révélé que le lait du marché local contenait un pourcentage plus élevé d'eau ajoutée.

La plage de densité la plus basse a été signalée dans le lait et le yogourt disponibles sur le marché local (1,028 ± 0,0052 à 1,029 ± 0,00231) et (1,034 ± 0,00173 à 1,036 ± 0,000577) respectivement, probablement en raison de la dilution de l'eau dans le lait cru24. Le lait et le yaourt transformés par l'entreprise (1,031 ± 0,000577) et (1,04 + 0,00115), ainsi que le lait et le yaourt traités à l'énergie solaire (1,031 ± 0,000577) et (1,039 ± 0,000577) respectivement, comme indiqué dans les tableaux 2 et 3, ont été déterminés comme étant plus conformes à la plage de densité de lait spécifiée par la Pakistan Pure Food Rule 19654 6. L'inclusion d'agents liants et de conservateurs pour une durée de conservation plus longue peut être la cause de la densité plus élevée du yogourt transformé par l'entreprise.

Les températures des échantillons lors des tests pour les magasins de lait locaux, les laitiers et le lait transformé par l'entreprise variaient de 28,9 à 30,3 °C, avec une température moyenne des échantillons de 29,2 °C, et ont été confirmées comme étant dans les conditions de test de l'analyseur de lait30.

Sur la base de différentes propriétés chimiques, les résultats du traitement solaire du lait et du yaourt transformés sont comparés aux échantillons de lait et de yaourt transformés disponibles sur le marché local et d'entreprise et sont illustrés dans les tableaux 2 et 3, respectivement.

Comme le montrent les tableaux 2 et 3, le pourcentage de matières grasses du lait et du yogourt disponibles localement variait de 1,783 à 2,683 % et de 1,8833 à 2,547 % respectivement et présentait les valeurs les plus basses de toutes les autres sources examinées, ce qui indique que le lait de vache et le yogourt avaient le pourcentage de matières grasses le plus faible. Ces résultats de diminution du pourcentage de matières grasses pourraient être dus à une suspicion d'adultération du lait de vache avec de l'eau. Dans des recherches antérieures, les mêmes causes d'adultération ont été décrites24,47. L'écrémage ou l'écrémage partiel du lait est une pratique fréquente dans les usines locales de transformation du lait, ce qui réduit la teneur en matières grasses du lait et de ses dérivés. Le pourcentage variable de matières grasses peut également être causé par des différences de race, de type et de qualité d'aliments, de facteurs environnementaux et de variabilité génétique33,47. Le lait et le yogourt transformés à l'énergie solaire, en revanche, avaient les pourcentages de matières grasses les plus élevés de 5,3 et 5,5 %, ce qui est similaire à la norme de l'industrie, et étaient suivis par le lait et le yogourt transformés en entreprise (3,5 %)46.

Le SNF (%) du lait/yaourt transformé et solaire de l'entreprise a été déterminé à 8,68 % et 9,0833 % pour le lait et à 8,783 % et 8,683 % pour le yaourt, respectivement, ce qui correspond à la norme recommandée par la Pakistan Pure Food Rule 196546. L'inclusion d'agents de conservation et de liants pour une durée de conservation plus longue et une production de yogourt plus épais peut expliquer la plus grande valeur de SNF dans le yogourt transformé par l'entreprise. Selon Awan46, les résultats pour le lait et le yaourt du marché local SNF (%) ne respectaient pas l'exigence minimale légale (tableaux 2, 3), mais étaient significativement inférieurs au lait de vache (8,50%). Ces résultats concordent avec les résultats d'une étude récente, qui indiquait que les échantillons de lait du marché local étaient constamment contaminés par de l'eau ou du lait de vache, car ils avaient des points de congélation plus élevés.

Les phospholipides, les chlorures, les carbonates et les bicarbonates de sodium, de potassium, de calcium et de magnésium, entre autres sels, se trouvent dans le lait. Un analyseur de lait a été utilisé pour déterminer la concentration globale de sels dans les échantillons de lait, et les résultats ont révélé que des sels ont été identifiés dans tous les échantillons examinés dans la plage de 0,3833 à 0,6833 %. Comme le montre le tableau 2, des pourcentages de sel plus faibles ont été trouvés dans les magasins locaux et le lait vendu par les laitiers, tandis que les pourcentages de sel les plus élevés ont été trouvés dans le lait commercial et le lait traité à l'énergie solaire. Les résultats se sont avérés comparables à ceux d'Abd El-Salam et d'El-Shibiny48.

Le lait transformé à l'énergie solaire (3,8 %) avait la teneur en protéines la plus élevée (%), suivi du lait transformé par l'entreprise (3,2 %) et du lait transformé sur le marché local (2,1 à 2,2 %), comme indiqué dans le tableau 2. La teneur en protéines du lait transformé à l'énergie solaire et du marché s'est avérée conforme aux critères de qualité46. Cependant, les différences de teneur en protéines (%) peuvent être attribuées à la qualité de la transformation et aux approches de gestion.

Comme le montre le tableau 2, les niveaux de lactose étaient les plus élevés (4,1 %) dans le lait utilisé dans les unités de transformation solaire du yaourt pour la production de yaourt et les plus bas (2,4 à 2,6 %) dans le lait du marché local. La teneur en lactose a été déterminée à 4,0 % dans le lait transformé par l'entreprise. Sharif et al.49 ont lié la gravité de la mammite subclinique à une baisse du lactose (%) dans le lait de bufflonne pakistanais, mais la justification la plus pertinente pour la présente étude pourrait être la falsification du lait, entraînant une baisse des niveaux de lactose dans le lait du marché local.

Les magasins locaux et les laitiers fournissaient du lait et du yogourt avaient une teneur totale en solides de 7,483 ± 0,188 % et 8,2867 ± 0,0924 % pour le lait, et de 7,483 ± 0,193 % et 8,183 ± 0,130 % pour le yogourt, respectivement, ce qui était bien inférieur à la valeur moyenne du lait et du yogourt transformés par l'entreprise (12,2 ± 0,24 % et 12,3 ± 0,24 %). %) et du lait et des yaourts traités à l'énergie solaire (14,383 ± 0,0606 % et 14,183 ± 0,0722 %) et ne répondaient pas aux normes de qualité46. Comme le montrent les tableaux 2 et 3, le lait et le yogourt traités à l'énergie solaire avaient le TS standardisé le plus élevé (%), suivis du lait et du yogourt transformés par l'entreprise.

L'évaluation de la qualité microbiologique du yaourt porte principalement sur deux aspects : (1) la protection du consommateur contre les risques pour la santé et (2) la garantie que le matériau ne subit pas de détérioration microbienne tout au long de sa durée de conservation prévue50. En réalité, il aide à déterminer dans quelle mesure les précautions d'hygiène ont été prises lors de la transformation, permettant de prévoir la durée de conservation du produit et de détecter les risques potentiels pour la santé (agents pathogènes).

La présence de coliformes (6 à 15 ufc/mL) dans des échantillons de yogourt de marque a été découverte par un examen microbiologique, indiquant un certain type de mauvais traitement (devrait être ≤ 10 ufc/mL ou 1 log ufc/mL) même au sein de l'industrie. Dans les échantillons de yogourt du magasin local, cependant, un plus grand nombre (1,93–2 log ufc/mL) et (1,34–1,43 log ufc/mL) de coliformes ont été trouvés, indiquant un niveau élevé de mauvaise manipulation. Le niveau plus élevé de coliformes peut être dû aux conditions sales qui existaient pendant le processus de production. De plus, ce chiffre peut inclure la contamination de l'étape de post-traitement. D'autre part, le yogourt produit par une unité de traitement de yogourt à énergie solaire ne présentait aucune trace de coliformes, indiquant un niveau élevé de conditions de traitement hygiéniques. Cela soutient l'idée de l'étude actuelle d'effectuer tous les processus (chauffage, fermentation et refroidissement) dans un seul récipient pour réduire le risque de contamination. Le système est compact nommé 3 en 1 capable d'effectuer tous les processus requis (chauffage, fermentation et refroidissement) dans un seul conteneur. Ainsi, il y a moins de risque de contamination lors du transfert du lait chauffé dans le récipient de fermentation, ce qui est une pratique conventionnelle. De plus, la chambre est complètement fermée pour éviter toute contamination étrangère. La deuxième raison pourrait être que les échantillons de yaourt de transformation industrielle ont été prélevés sur le produit emballé présentant un risque de contamination lors de l'emballage. D'autre part, dans l'étude actuelle, les échantillons frais ont été prélevés dans la chambre de fermentation. Alors que dans le cas du marché local, les risques élevés de contamination sont inévitables en raison d'installations de stockage et de manutention inappropriées et de qualité inférieure.

Le rapport entre S. thermophilus et L. bulgaricus doit être de 1:1 pour des qualités de yogourt optimales. En vérité, le premier concerne principalement la génération d'acidité, tandis que le second concerne principalement la production de composants producteurs d'arôme en plus de l'acidité (acides gras volatils, acide acétique, acétaldéhyde, éthanol, etc.). De plus, pour atteindre le bénéfice médical garanti pour l'être humain, dans le lait fermenté, la disponibilité minimale de microbes probiotiques devrait être d'environ 9 à 10 log ufc/mL51. L'évaluation de la culture du yogourt (tableau 4) a révélé que les échantillons sans marque (magasins locaux et yogourt fait maison) contenaient les deux espèces courantes de yogourt (S. thermophilus et L. bulgaricus) de bactéries génératrices d'acide lactique, mais leur nombre était inférieur à la plage acceptable. Cependant, nous voyons parfois des excroissances de S. thermophilus et L. bulgaricus, indiquant des conditions incontrôlées de développement de la culture. De plus, le nombre total de cultures de yaourt dans les échantillons de marque était plus élevé que dans les échantillons sans marque et se situait dans la plage acceptable rapportée par Ouwehand51. En revanche, des conditions incontrôlées et une faible viabilité pourraient être une raison pour des comptages plus faibles dans les échantillons de yogourt sans marque. Le rapport de S. thermophilus et L. bulgaricus dans le yogourt produit par une unité de traitement de yogourt solaire s'est avéré être proche de 1: 1, et le nombre total de cultures de yogourt était plus élevé que dans les échantillons sans marque en raison d'un contrôle approprié de la température pendant la fermentation, mais moins que dans les échantillons transformés de marque/entreprise, comme indiqué dans le tableau 4. Ces résultats confirment la conception actuelle.

Par rapport au lait et au yogourt traités à l'énergie solaire, seuls les échantillons de lait et de yogourt du marché local ont été évalués pour la falsification. La figure 4 montre les résultats de la détection de l'adultérant dans le lait et le yaourt du marché local, ainsi que dans des échantillons de lait et de yaourt traités à l'énergie solaire. Les résultats ont montré que les échantillons de lait et de yaourt du marché local (lait/yaourt des magasins locaux et lait/yaourt des laitiers) étaient fortement contaminés par de l'eau (70 et 95%), de l'urée (50 et 70%), du formol (10 et 40%) et du sucre de canne (60 et 80%). Seule une infime fraction d'amidon (2 %) dans le lait et 6 % dans les échantillons de yogourt des magasins locaux, ainsi que la falsification de H2O2 (2 %), d'huile (1 %) et de détergents (1 %), ont été identifiées dans les échantillons de lait et de yogourt vendus sur le marché local. Étant donné que le yogourt a été fermenté à partir du même échantillon de lait, les niveaux de falsification du lait et du yogourt provenant du lait fourni par les laitiers sont les mêmes. Tous les échantillons de lait et de yogourt traités à l'énergie solaire ont été confirmés comme étant exempts de falsification.

Falsification du lait dans le lait du marché local et le lait traité à l'énergie solaire.

La falsification par des individus peu scrupuleux dans la chaîne d'approvisionnement en lait conventionnelle est très répandue et a été enregistrée par de nombreux auteurs, par conséquent, les résultats de l'étude s'avèrent cohérents avec eux11,12,16,23,52.

La faisabilité économique d'une unité de transformation de yaourt à énergie solaire a été déterminée en effectuant une analyse économique complète en termes de production d'énergie renouvelable à partir des deux sources, à savoir le solaire thermique utilisant des capteurs solaires à tubes sous vide pour le chauffage du lait et un système photovoltaïque pour le refroidissement du yaourt/lait. Le coût total de l'unité de transformation du yaourt à l'aide de l'énergie solaire, y compris tous les accessoires requis et les frais d'installation, était de 2 412 USD. Le tableau 5 énumère les données qui peuvent être utilisées pour la recherche économique.

Après l'investissement initial, l'estimation individuelle et globale des coûts par heure de tous les composants économiques et les calculs ont révélé que 0,105 USD par heure étaient nécessaires pour faire fonctionner l'unité de transformation du yaourt. L'analyse du seuil de rentabilité a été effectuée sur la base des données économiques disponibles pour évaluer la durée de récupération par rapport aux autres ressources traditionnelles. Le seuil de rentabilité pour chaque scénario est calculé en traçant les heures de travail utiles par rapport aux dépenses, comme le montre la Fig. 5.

Analyse du seuil de rentabilité de l'unité de transformation du yaourt dans un contexte d'économie de carburant.

La période de récupération de l'unité de transformation du yaourt a été estimée à 3 499 (~ 1,3 ans), 5 619 (~ 2,08 ans) et 24 292 (~ 9 ans) heures de travail utiles si l'essence, le diesel et l'électricité étaient utilisés pour une production d'énergie égale, respectivement, comme illustré à la Fig. et 2 350 USD, respectivement, sur la base des sources de carburant essence, diesel et électricité. Le coût de transformation par litre de lait pour la production de yaourt a été calculé à 0,0189 USD en utilisant des technologies à énergie solaire, sur la base d'un lot de 50 L transformé en 9 heures20,29, ce qui est nettement inférieur aux coûts de transformation estimés des transformateurs de lait, qui sont de 0,2 USD par litre53.

Ne disposant pas des installations de transformation et de stockage nécessaires, un laitier d'une campagne pakistanaise vend du lait à 0,42 USD le litre. Le laitier peut convertir le lait en un produit à valeur ajoutée, le yogourt brassé, à l'aide d'une usine de transformation de yogourt à énergie solaire. Au Pakistan, le yaourt brassé emballé de marque coûte 1,7 USD par kilogramme. Si le prix du yaourt fabriqué avec une machine de transformation de yaourt solaire est de 0,7 USD par kilogramme (1 USD par kg de yaourt de marque bon marché). Il s'agit d'un prix favorable au consommateur, et il est simple pour les laitiers de vendre du yaourt brassé à ce prix. Le coût total d'un kilogramme de yaourt emballé traité à l'énergie solaire est estimé en ajoutant le prix du lait cru de 0,42 USD par kilogramme, le coût de transformation de 0,0189 et le coût d'emballage de 0,1 USD par kilogramme, pour un coût total de 0,54 USD par kilogramme. Ainsi, un éleveur laitier rural peut économiser 0,16 USD par kg ou 8 USD par jour pour 50 L de yaourt transformé, et la période de récupération a été calculée à 533 jours (1,78 an) en divisant le coût total du système par les économies par jour54 comme le montre la Fig. 6.

Analyse du seuil de rentabilité de l'unité de transformation du yaourt dans le contexte de la rentabilité du produit.

Fondamentalement, le système a été conçu pour s'adresser aux petits et moyens producteurs de lait sur des sites de production utilisant l'énergie solaire, ce qui n'est pas un cas de production à l'échelle industrielle. L'étude actuelle justifie la taille du réservoir de stockage d'une capacité de 100 L d'eau pour traiter 50 L de yaourt ou de lait avec 15 tubes de collecteur à tube sous vide (ETC), ce qui est une taille appropriée pour une application décentralisée. Cependant, la conception peut être mise à l'échelle en recalculant la taille du réservoir de stockage et du collecteur à tubes sous vide en conséquence.

L'unité de transformation du yaourt a également été analysée pour les économies d'émissions de CO2 tout au long de son cycle de vie estimé à 40 500 h (15 ans) dans le contexte du réchauffement climatique et du changement climatique. En toutes saisons, l'unité de transformation solaire du yaourt peut produire environ 2,66 kW d'énergie solaire par heure pour la transformation du lait/yaourt à la ferme. Sur la base de ces résultats, il est prévu qu'une machine de transformation de yaourt à énergie solaire puisse générer environ 107,73 MWh d'énergie de traitement utile tout au long de sa durée de vie. Dans la Fig. 7, les résultats des émissions de carbone par rapport à la production d'énergie avec diverses ressources énergétiques non renouvelables sont représentés graphiquement. Comme le montre la Fig. 7, l'utilisation du bois comme source de combustible (@ 0,39 kg CO2/kWh) émettra 42,015 tonnes de CO2, suivi du charbon (@ 0,34 kg CO2/kWh) 36,63 tonnes, du diesel (@ 0,27 kg CO2/kWh) 29,01 tonnes, du kérosène (@ 0,26 kg CO2/kWh) 28,01 tonnes et du gaz naturel (@ 0 0,20 kg CO2/kWh) 21,55 tonnes pour la production d'énergie équivalente pour la transformation du lait/yaourt (107,73 MWh). Cette étude a révélé qu'une unité de transformation de yaourt à énergie solaire est une solution verte potentielle pour la transformation du lait/yaourt qui peut résoudre avec succès les problèmes de réchauffement climatique, notamment en termes de réduction des émissions de carbone.

Économies d'émissions de CO2 grâce à l'unité de traitement solaire du yaourt.

Les résultats montrent que l'unité de transformation du yaourt à assistance solaire a donné un produit axé sur la qualité par rapport aux méthodes de traitement du lait et de transformation du yaourt adoptées localement. De plus, l'énergie nécessaire à ces processus est également réduite grâce à la technologie solaire qui contribue non seulement à réduire les coûts d'exploitation, mais également à avoir un impact positif sur le climat. La promotion de ces nouvelles technologies solaires de transformation laitière peut contribuer à réduire les pertes de lait cru dans sa chaîne d'approvisionnement et à accroître les moyens de subsistance de la communauté rurale.

Le lait et le yogourt sont des régimes alimentaires nutritifs naturels pour les personnes de tous âges et de tous sexes, cependant, les résultats de l'étude actuelle sont étonnants et contredisent cette affirmation. Selon les conclusions de l'étude, les entreprises laitières locales et les laitiers livrant le lait à domicile donnent aux consommateurs un liquide aqueux blanc. Un nombre considérable d'échantillons testés avaient une odeur nauséabonde, une teinte étrange, une texture fine, une valeur nutritive qui s'était considérablement dépréciée et une falsification importante, en particulier par l'eau. Il est raisonnable de supposer que tout le monde dans la chaîne de valeur du lait a pollué le lait d'une manière ou d'une autre, directement ou indirectement, mais très délibérément. De même, la société a emballé des échantillons de lait transformé et de yaourt qui, bien qu'ils aient été jugés exempts de falsification, avaient des valeurs nutritives qui tendaient vers le bas des fourchettes standard, car presque toutes les entreprises de transformation du lait et du yaourt ont partiellement écrémé le lait pour les sous-produits avant de le vendre aux consommateurs à un prix élevé.

Par rapport au marché local et au lait transformé par l'entreprise, le lait cru peut être traité immédiatement à l'aide d'une unité de traitement de yaourt à énergie solaire installée sur place qui a montré de meilleurs résultats dans tous les paramètres de qualité et d'acceptation par les consommateurs. Parce que le lait pur et frais a été immédiatement acheté à la ferme laitière UAF, il n'y avait pas de falsification et 100 % de conditions d'hygiène dans le lait et le yaourt traités à l'énergie solaire. En termes d'énergie, la recherche sur le seuil de rentabilité a révélé qu'une unité de traitement solaire du yaourt peut être amortie en 1,3 à 9 ans, selon le type de source non renouvelable utilisée pour une production d'énergie similaire. Sur la base du bénéfice produit, la période de récupération était estimée à 1,78 an. Le coût de transformation d'un litre de lait pour la fabrication de yaourt a été calculé à 0,0189 USD. L'unité de traitement solaire du yaourt générera environ 107,73 MWh d'électricité sans émissions de carbone, ce qui en fait une technologie bénéfique pour l'environnement. En bref, l'unité solaire de transformation du yaourt développée apporte une solution réaliste aux problèmes de la chaîne de valeur du lait local. Cette nouvelle technologie solaire décentralisée de transformation du lait et du yaourt permet une transformation du lait de qualité à la ferme dans des conditions de fonctionnement contrôlées, ce qui peut aider à atténuer les limites technologiques actuelles pour les producteurs laitiers ainsi que les contraintes de qualité pour les clients.

Les données brutes soutenant la conclusion de cet article seront mises à disposition par l'auteur premier et correspondant, sans réserve indue.

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L'auteur remercie la Commission de l'enseignement supérieur (HEC) du Pakistan et le Service allemand d'échanges universitaires (DAAD) d'avoir pris en charge les frais de subsistance et de recherche pour l'étude en cours. L'auteur tient également à remercier l'Université de Kassel, en Allemagne, pour avoir fourni des fonds (APC) pour la publication de l'ouvrage.

Financement Open Access activé et organisé par Projekt DEAL. Le développement et le coût expérimental de la recherche ont été fournis par le Centre international pour le développement et le travail décent (ICDD) Allemagne.

Département de génie agricole et des biosystèmes, Université de Kassel, 37213, Witzenhausen, Allemagne

Syed Nabeel Husnain, Faizan Majeed et Oliver Hensel

Département d'ingénierie des systèmes énergétiques, Université d'agriculture, Faisalabad, 38000, Pakistan

Syed Nabeel Husnain, Anjum Munir et Waseem Amjad

Département de génie agricole, Université Bahauddin Zakariya, Multan, 60800, Pakistan

Faizan Majeed

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Conceptualisation, SNH et OH ; méthodologie, SNH, FM et WA ; logiciels, SNH, FM et WA ; validation, SNH, WA et OH ; analyse formelle, SNH et WA ; enquête, SNH, WA, AM ; ressources, OH et AM ; conservation des données, SNH et WA ; rédaction—préparation du brouillon original, SNH ; rédaction—révision et édition, SNH, WA, AM, FM et OH ; visualisation, SNH et WA ; supervision, OH et AM ; administration de projet, AM et OH ; acquisition de financement, AM et OH Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance avec Syed Nabeel Husnain ou Anjum Munir.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Husnain, SN, Munir, A., Amjad, W. et al. Analyse comparative de la qualité et faisabilité économique d'une unité de transformation de yaourt à énergie solaire pour une chaîne de valeur laitière décentralisée. Sci Rep 13, 6878 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34032-y

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Reçu : 15 juillet 2022

Accepté : 22 avril 2023

Publié: 27 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34032-y

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