Χρήση ελεύθερων και ακινητοποιημένων βιοκαταλυτών σε υγρή και ξηρή μορφή ως προβιοτικές καλλιέργειες στην παραγωγή παραδοσιακών ελληνικών τυριών

Abstract

Nowadays, an upsurge of interest in providing suitable starter cultures for dairyproduction has been observed. Many researchers have proposed a variety of cultures suitableas starters. However, research has also focused on the selection of a suitable drying methodfor starter cultures. The observed worldwide preference of drying methods such as freezedryingand spray-drying is owed to the long preservation times; however their industrialapplication usually suffers from the high installation cost of the production unit accompaniedby the need to use cryoprotectants in the case of freeze-drying. Therefore, in the presentthesis the production of new biocatalysts, the development of a new drying method and theapplication of these biocatalysts to cheese production were studied.The present thesis is divided in two parts. In the first part the production of newbiocatalysts and the development of drying method for their preservation were investigated.Different methods of kefir immobilization on casein were tested. More specifically, pieces ofcasein were immersed in synthetic lactose medium or whey containing kefir and theincorporation of kefir during the production of casein were studied. The efficiency of eachimmobilization method was examined through the enumeration of immobilized cells and thefermentation activity of the new biocatalysts. The incorporation method presented highernumbers of immobilized cells (8.38 log cfu/g for lactobacilli, 7.50 log cfu/g for lactococciand 6.95 log cfu/g for yeasts versus of 7.51 log cfu/g, 7.00 log cfu/g and 6.83 log cfu/grespectively) and shorter fermentation times. Subsequently, using the incorporation method,the new biocatalyst was used for the evaluation of a new drying method. Drying in chambersat 28-38oC with and without air circulation was evaluated. This drying method was applied toboth free and immobilized cells of kefir on casein. The effect of drying temperature, thepresence of air circulation and storage (5oC) on viability and fermentation activity ofbiocatalysts were studied. In both free and immobilized cells, drying at 38oC with aircirculation showed a shorter drying time and a higher viability and fermentation activity. Theviability and the fermentation activity of dried biocatalysts remained high even after a year ofstorage (84% for lactobacilli, 80% for lactococci and 72% for yeasts in the case ofimmobilized cells and 77%, 77% και 74% respectively in the case of free cells). Furthermore,the comparison of fermentation activity of dried biocatalysts with freeze-dried cells did notshow great differences.In the second part of the thesis the use of these new biocatalysts was examined for theproduction of traditional greek cheeses, Feta and dried Myzithra. In the production of driedMyzithra, the effect of ripening temperature (10-20oC) using free and immobilized kefir oncasein was tested. Subsequently, the use of different dried free and immobilizedmicroorganisms (kefir, L. casei and L. bulgaricus) as starter cultures was evaluated for theproduction of dried Myzithra. In the case of Feta cheese, the same microorganisms were usedas starter cultures, but apart from the dried form, wet cultures were also used. Pieces ofmyzithra were also used as immobilization support for the cultures. The effect of all theabove parameters on the ripening of cheeses was studied through the calculation ofphysicochemical parameters, proteolysis and the major volatile compounds formed.Furthermore, during ripening of cheeses their microbial flora was determined. Cheeses weresensorily tested by a group of panelists.For the production of dried Myzithra the best temperature was 20oC since at thistemperature the highest number of volatile compounds and better sensory scores wererecorded. In both cheeses, Feta and dried Myzithra, the use of dried biocatalysts showedfaster consumption rates of sugars, higher acidity values and lower pH values. These cheeseshad lower numbers of Staphylococci, Enterobacteria and Coliforms and faster proteolysis.Nitrogen fractions and specifically TCA-SN and PTA-SN, containing small peptides and freeaminoacids, showed higher values. These compounds are precursors of volatile compoundsand therefore these cheeses presented a better aromatic profile, as GC/MS analysis showed.Finally, cheeses with immobilized cells were well accepted by panelists during sensoryevaluation receiving higher scores.

Σήμερα παρατηρείται έντονο ενδιαφέρον για την παραγωγή κατάλληλωνκαλλιεργειών για χρήση στη βιομηχανία γαλακτοκομικών προϊόντων και τροφίμωνγενικότερα. Έχουν γίνει πολλές έρευνες στον τομέα αυτό και έχουν προταθεί πολλέςδιαφορετικές καλλιέργειες. Σε μια προσπάθεια όμως για την παραγωγή της κατάλληληςκαλλιέργειας και από οικονομική και τεχνολογική πλευρά, ιδιαίτερη σημασία έχει δοθεί καιστην επιλογή της ιδανικής μεθόδου ξήρανσης. Η παρατηρούμενη προτίμηση παγκοσμίως σεμεθόδους ξήρανσης όπως η λυοφιλίωση (freeze-drying) και η ξήρανση με ψεκασμό (spraydrying)οφείλεται στους μεγάλους χρόνους συντήρησης αλλά η εφαρμογή τους σεβιομηχανική επίπεδο υστερεί κυρίως λόγω του υψηλού κόστους εγκατάστασης καιλειτουργίας και την ανάγκη χρήσης προστατευτικών ουσιών στην περίπτωση τηςλυoφιλίωσης. Ακολουθώντας αυτήν την κατεύθυνση στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε ηπαραγωγή νέων βιοκαταλυτών, η ανάπτυξη νέας μεθόδου ξήρανσης και η εφαρμογή αυτώντων βιοκαταλυτών στην παραγωγή τυριών.Η παρούσα διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος έγινε η παρασκευήτων νέων βιοκαταλυτών και η μελέτη για την ανάπτυξη κατάλληλης μεθόδου για τησυντήρησή τους. Για την παρασκευή των νέων βιοκαταλυτών μελετήθηκαν διάφοροι τρόποιακινητοποίησης του kefir σε καζεΐνη. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η εμβάπτιση τωνκομματιών της καζεΐνης σε θρεπτικό λακτόζης ή τυρόγαλα με kefir και η ενσωμάτωση τουkefir στην καζεΐνη κατά την παρασκευή της. Η αποτελεσματικότητα της κάθε μεθόδουακινητοποίησης μελετήθηκε τόσο με υπολογισμό των ακινητοποιημένων κυττάρων όσο καιμε μελέτη της ζυμωτικής ικανότητας των νέων βιοκαταλυτών. Η ενσωμάτωση παρουσίασεμεγαλύτερους αριθμούς ακινητοποιημένων κυττάρων (8.38 log cfu/g για τουςλακτοβάκιλλους, 7.50 log cfu/g για τους λακτόκοκκους και 6.95 log cfu/g για τις ζύμεςέναντι 7.51 log cfu/g, 7.00 log cfu/g και 6.83 log cfu/g αντίστοιχα) και καλύτερους χρόνουςζύμωσης σε σχέση με την ακινητοποίηση με ζύμωση. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας τηνενσωμάτωση ως την καλύτερη μέθοδο ακινητοποίησης, ο νέος βιοκαταλύτηςχρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση μιας μεθόδου ξήρανσης. Μελετήθηκε η ξήρανσηχρησιμοποιώντας θερμοθαλάμους σε χαμηλές θερμοκρασίες (28-38οC) με και χωρίς ρεύμααέρα. Η ξήρανση αυτή εφαρμόστηκε και σε ελεύθερα και σε ακινητοποιημένα κύτταρα kefirσε καζεΐνη. Μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας ξήρανσης, της ύπαρξης ρεύματοςαέρα και της αποθήκευσης (5οC) στη βιωσιμότητα και ζυμωτική ικανότητα τωνβιοκαταλυτών. Τόσο στην περίπτωση των ελεύθερων όσο και των ακινητοποιημένωνκυττάρων η ξήρανση στους 38οC με ρεύμα αέρα έδωσε μικρότερους χρόνους ξήρανσης,υψηλότερες βιωσιμότητες και καλύτερη ζυμωτική ικανότητα. Μάλιστα η βιωσιμότητα και ηζυμωτική ικανότητα των ξηραμένων βιοκαταλυτών παρέμεινε σε υψηλά επίπεδα ακόμα καιμετά από ένα χρόνο αποθήκευσης (84% για τους λακτοβάκιλλους, 80% για τουςλακτοκόκκους και 72% για τις ζύμες στην περίπτωση των ακινητοποιημένων κυττάρων και77%, 77% και 74% αντίστοιχα στην περίπτωση των ελεύθερων κυττάρων). Επιπλέον ησύγκριση της ζυμωτικής ικανότητας των ξηραμένων βιοκαταλυτών με λυοφιλιωμένακύτταρα δεν έδειξε σημαντικές διαφορές.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η χρήση των νέων ξηραμένωνβιοκαταλυτών στην παραγωγή των παραδοσιακών ελληνικών τυριών Φέτα και ξηρήΜυζήθρα. Στην παραγωγή της ξηρής Μυζήθρας μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίαςωρίμανσης (10-20οC) με τη χρήση ξηραμένου ελεύθερου και ακινητοποιημένου kefir σεκαζεΐνη. Στη συνέχεια αξιολογήθηκε και η χρήση διαφορετικών ξηραμένων ελεύθερων καιακινητοποιημένων μικροοργανισμών (kefir, L. casei και L. bulgaricus) ως καλλιεργειώνεκκινητών στην παραγωγή ξηρής Μυζήθρας. Στην περίπτωση της Φέτας μελετήθηκε επίσηςη χρήση των ίδιων μικροοργανισμών ως καλλιέργειες εκκινητές αλλά εκτός από τη ξηρήμορφή χρησιμοποιήθηκαν και υγρές καλλιέργειες. Επιπλέον μελετήθηκε και η χρήση τωνκομματιών μυζήθρας ως φορέα ακινητοποίησης των καλλιεργειών. Η επίδραση όλων τωνπαραπάνω παραγόντων στην ωρίμανση των τυριών μελετήθηκε με μετρήσεις τωνφυσικοχημικών παραμέτρων, της πρωτεόλυσης και των κυριότερων αρωματικώνσυστατικών. Επίσης, κατά τη διάρκεια της ωρίμανσής τους μελετήθηκε και η μικροβιακήχλωρίδα των τυριών.Στην παραγωγή ξηρής Μυζήθρας βρέθηκε ότι οι 20οC είναι η καλύτερη θερμοκρασίαωρίμανσης αφού σε αυτή βρέθηκε μεγαλύτερος αριθμός αρωματικών ενώσεων και γενικά τατυριά αυτά αξιολογήθηκαν ως καλύτερα από τους δοκιμαστές. Γενικά και στη Φέτα και στηξηρή Μυζήθρα η χρήση των ξηραμένων βιοκαταλυτών οδήγησε σε ταχύτερους ρυθμούςκατανάλωσης των σακχάρων, υψηλότερες τιμές οξύτητας και χαμηλότερες τιμές pH.Επιπλέον στα τυριά αυτά παρατηρήθηκαν μικρότερες τιμές των σταφυλόκοκκων,εντεροβακτηριδίων και κολοβακτηριδίων καθώς και γρηγορότερη πρωτεόλυση. Τακλάσματα του αζώτου και μάλιστα το TCA-SN και το PTA-SN που είναι αυτά πουπεριέχουν τα μικρού μοριακού βάρους πεπτίδια και ελεύθερα αμινοξέα παρουσίασανμεγαλύτερες τιμές. Οι ενώσεις αυτές είναι πρόδρομα μόρια αρωματικών ενώσεων και γιααυτό και τα τυριά παρουσίασαν βελτιωμένο αρωματικό χαρακτήρα, όπως έδειξε η ανάλυσητων αρωματικών ενώσεων με GC/MS. Τέλος, τα τυριά αυτά έγιναν αποδεκτά από τουςδοκιμαστές κατά τη διάρκεια του οργανοληπτικού ελέγχου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι όλααυτά ήταν εντονότερα στην περίπτωση των ακινητοποιημένων κυττάρων.