Επίδραση θερμικά ξηρανθεισών αρχικών καλλιεργειών στην ωρίμανση σκληρών τυριών

Abstract

In the introductory part of this Dissertation, the microbiology and starter culture production of lactobacilli, yeasts, other probiotic microorganisms and kefir are reviewed. Cell immobilization and drying of microorganisms for food production are also reported. Moreover, cheese varieties, microbiological and biochemical changes during ripening of cheeses, starter cultures and their contribution to aroma development are discussed. The aim of the current thesis is the production of new thermally dried starter cultures with free or immobilized cells and their application for the ripening of hard-type cheese.Specifically, the production of cheeses with free and immobilized cells of kefir on casein after freeze-drying or thermal drying were studied. It was found that thermal drying of kefir posseses an economical advantage over freeze-drying and contributes significantly to the extension of shelf life, degree of gas holes and to the improvement of sensory characteristics. Microbial populations, acidity, residual sugars and the ethanol concentration were also determined in the cheese samples ripened at 5, 18 and 22 °C. High viability of lactobacilli shows the probiotic character of these hard-type cheeses. Furthermore, the same parameters were studied in hard-type cheese ripened with L. casei as starter culture. L. casei concentration had a significant effect on the microbiological, chemical and sensory characteristics of cheeses. Water soluble nitrogen and ripening time measurements indicated an acceleration of ripening. Safety and hygiene were determined by measurement of coliforms, enterobacteria and presumptive staphylococci. The increase of starter culture concentration improved chemical and sensory characteristics but pathogens were not inhibited. However, in the case of hard-type cheese using a mixed starter culture of L. bulgaricus or L. helveticus with K. marxianus, pathogens as coliforms, enterobacteria and presumptive staphylococci were significantly reduced.A chapter of this thesis concerns the use of thermally dried starter cultures for the production of unsalted hard-type cheeses. In this case shelf-life and sensory characteristics of the samples were improved by the addition of starter culture. Cell immobilization on casein did not have a significant effect on cheese quality characteristics. The best results were obtained by the use of free cells of kefir starter culture.Scale-up of hard-type cheese production at pilot scale was the final step of this dissertation. In the frame of this chapter, thermally dried kefir at a concentration of 1.0 g/L was used as starter culture and products were ripened at 12 and 18 °C. The results indicate that thermal drying of starter culture is feasible under pilot scale conditions and can be used for products of high quality. Thermal drying of kefir was performed by supplying air of 38 °C on a thin layer of biomass. Pathogen populations were significantly reduced in these products. Cheese samples had improved sensory characteristics and number of eyes in a relatively short ripening time.The last part of the thesis revealed the effect of starter cultures on the major volatiles of cheeses. Sample analysis with SPME-GC/MS technique showed that the addition of starter culture increased the number and the concentration of volatile compounds positively contributing to the aroma of cheeses. Thermal drying of culture gave better results than freeze-drying. The increase of flavor compounds in unsalted hard-type cheeses is important and is confirmed by the high scores that these samples achieved in sensory evaluation.A general conclusion of the thesis is that the mixed starter cultures studied can be successfully used after thermal drying in the ripening of hard-type cheeses. Moreover, the exploitation of whey for starter culture production and the application of the economical and feasible method of thermal drying constitute the main advantages of hard-type cheese production at pilot scale.

Στο εισαγωγικό μέρος της διατριβής περιγράφονται επιστημονικά δεδομένα για τους λακτοβάκιλλους, τις ζύμες και άλλους προβιοτικούς μικροοργανισμούς, τη χρήση του κεφίρ, τις μεθόδους και τις εφαρμογές της ακινητοποίησης αλλά και της ξήρανσής των μικροοργανισμών στα τρόφιμα. Επίσης, γίνεται αναφορά στις κατηγορίες των τυριών, τις μικροβιολογικές και βιοχημικές μεταβολές κατά την ωρίμανσή τους, τις αρχικές καλλιέργειες που χρησιμοποιούνται καθώς και τη συμβολή τους στην ανάπτυξη του αρώματος. Οι κύριοι στόχοι της διατριβής αυτής είναι η παραγωγή νέων θερμικά ξηρανθεισών αρχικών καλλιεργειών σε ελεύθερη ή/και ακινητοποιημένη μορφή καθώς και η έρευνα για την καταλληλότητα αυτών στην ωρίμανση σκληρών τυριών. Στη συνέχεια της διατριβής μελετήθηκε η παρασκευή σκληρών τυριών με τη χρήση ελεύθερων και ακινητοποιημένων σε καζεΐνη κυττάρων κεφίρ μετά από λυοφιλίωση ή θερμική ξήρανση. Η θερμική ξήρανση του κεφίρ παρουσιάζει οικονομικό πλεονέκτημα έναντι της λυοφιλίωσης και συνέβαλε σημαντικά στην αύξηση της βιωσιμότητας των κυττάρων, στη δημιουργία οπών, στη βελτίωση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών, στη μείωση των παθογόνων και στην αύξηση του χρόνου συντήρησης των τυριών. Παράλληλα, μελετήθηκαν οι μικροβιακοί πληθυσμοί, η οξύτητα καθώς και η συγκέντρωση των σακχάρων και της αιθανόλης στα δείγματα που ωρίμασαν στους 5, 18 και 22 °C. Τα υψηλά ποσοστά βιωσιμότητας των λακτοβακίλλων αποτελούν ένδειξη για τον προβιοτικό χαρακτήρα των τυριών αυτών.Οι παράμετροι αυτές εξετάστηκαν επίσης σε σκληρά τυριά στα οποία προστέθηκε αρχική καλλιέργεια L. casei. Η συγκέντρωση του L. casei επηρέασε τα μικροβιολογικά, χημικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των τυριών. Επιπλέον, μελετήθηκαν το υδατοδιαλυτό άζωτο και ο συντελεστής ωρίμανσης ώστε να διαπιστωθεί πιθανή επιτάχυνση της ωρίμανσης στα τελικά προϊόντα. Ο βαθμός υγιεινής των τυριών εξετάστηκε με τον προσδιορισμό των κολοβακτηρίων, των εντεροβακτηρίων και των πιθανών σταφυλόκοκκων. Η αύξηση στη συγκέντρωση της αρχικής καλλιέργειας L. casei βελτίωσε τα χημικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των τυριών αλλά δεν κατάφερε να αποτρέψει την ανάπτυξη των παθογόνων μικροοργανισμών. Αντίθετα, στα σκληρά τυριά με μεικτή αρχική καλλιέργεια L. bulgaricus ή L. helveticus και K. marxianus τα παθογόνα κολοβακτήρια, εντεροβακτήρια και οι πιθανοί σταφυλόκοκκοι μειώθηκαν σημαντικά.Η προσθήκη των αρχικών καλλιεργειών μετά από θερμική ξήρανση εφαρμόστηκε με επιτυχία σε ανάλατα σκληρά τυριά. Ο χρόνος ζωής και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των τυριών βελτιώθηκαν με τη χρήση της αρχικής καλλιέργειας. Η ακινητοποίηση των κυττάρων σε καζεΐνη δεν επηρέασε σημαντικά τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των τυριών. Μεταξύ των αρχικών καλλιεργειών, τα ελεύθερα κύτταρα κεφίρ έδωσαν τα καλύτερα αποτελέσματα.Η παρασκευή των σκληρών τυριών σε πιλοτική κλίμακα ήταν επίσης ένα από τα αντικείμενα της διατριβής. Η αρχική καλλιέργεια που χρησιμοποιήθηκε ήταν κεφίρ μετά από θερμική ξήρανση σε συγκέντρωση 1,0 g/L γάλακτος. Η ωρίμανση των τυριών πραγματοποιήθηκε στους 12 και 18 °C. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ανάπτυξη και η ξήρανση της αρχικής καλλιέργειας είναι εφικτή σε βιομηχανική κλίμακα και η χρήση της για την παραγωγή σκληρών τυριών δίνει προϊόντα υψηλής ποιότητας. Σε αυτό συνέβαλε η σημαντική μείωση των παθογόνων μικροοργανισμών που εξετάστηκαν. Τα τυριά εμφάνισαν βελτιωμένα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά και αύξηση του βαθμού δημιουργίας οπών σε ικανοποιητικούς χρόνους ωρίμανσης.Το τελευταίο κεφάλαιο των αποτελεσμάτων της διατριβής ασχολείται με την επίδραση των αρχικών καλλιεργειών στα πτητικά παραπροϊόντα των τυριών. Η ανάλυση των δειγμάτων με την τεχνική SPME-GC/MS έδειξε ότι η χρήση αρχικής καλλιέργειας αύξησε τον αριθμό και τη συγκέντρωση των κύριων συστατικών που συνεισφέρουν στη δημιουργία του αρώματος και δευτερευόντως της γεύσης των τυριών. Η θερμική ξήρανση της καλλιέργειας έδωσε καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με τη λυοφιλίωση. Σημαντική είναι η αύξηση των πτητικών ενώσεων στα ανάλατα σκληρά τυριά με αρχική καλλιέργεια που εξηγεί και τη μεγαλύτερη βαθμολογία που έλαβαν κατά την οργανοληπτική δοκιμασία. Οι μεικτές λοιπόν αρχικές καλλιέργειες που μελετήθηκαν μπορούν να χρησιμοποιηθούν μετά από θερμική ξήρανση για την παραγωγή σκληρών τυριών υψηλής ποιότητας και υγιεινής. Επιπλέον, η εκμετάλλευση του ρυπογόνου τυρογάλακτος για την ανάπτυξη των καλλιεργειών και η εφαρμογή μιας οικονομικά προσιτής μεθόδου ξήρανσης αποτελούν βασικά πλεονεκτήματα της παραγωγικής διαδικασίας σε πιλοτική κλίμακα. Η διατριβή αυτή αποτελεί μια ολοκληρωμένη έρευνα των μικροβιολογικών, χημικών και οργανοληπτικών χαρακτηριστικών στα σκληρά τυριά με τη χρήση θερμικά ξηρανθεισών αρχικών καλλιεργειών.