Ενσωμάτωση του συμπροϊόντος της αναστροφής των φάσεων του πρόβειου γάλακτος στη διαδικασία της τυροκόμησης ενός καινοτόμου πρόβειου ημίσκληρου τυριού με ιδιαίτερα διατροφικά χαρακτηριστικά: συμβολή στην ανάπτυξη αειφόρων κυκλικών παραγωγικών διαδικασιών στον γαλακτοκομικό τομέα

Abstract

The objective of this PhD thesis was to develop a circular sustainable process for the production of a reduced-fat and reduced-sodium sheep milk cheese. Key-element of the process was the exploitation of sweet buttermilk that is, the coproduct resulting from the phase inversion of sheep milk cream. The theoretical part of the thesis is a detailed review of the international scientific literature on low- and reduced-fat and sodium cheese manufacturing technology and on buttermilk. The experimental part presents the experimental procedures. A lab-scale/semi-pilot buttermilk production process was developed based on churning of non-acidified sheep or goat milk cream subjected to different heat treatment. The properties and technological behavior of four buttermilk types and of their mixtures with sheep or goat milk of three different fat contents, were studied. The buttermilk incorporation affected particularly the syneresis of rennet gels. It was concluded that rennet gels can be successfully produced from reduced- and low-fat sheep or goat milk substituted up to 15% by the respective sweet buttermilk produced from pasteurized cream without fractionation or condensation. The experimental part consists mainly of four series of experimental reduced-fat sheep milk cheeses. Different technological treatments were employed for the manufacture of experimental cheeses, i.e., modifications and treatments of cheesemilk, incorporation of buttermilk, salting method and ripening conditions. Moreover, the water-soluble extract of cheeses was analyzed by Fourier transform mid-infrared spectroscopy (FT-MIR) and the development of cheese discrimination methods was investigated. In the first experimental cheesemaking series, reduced-fat cheeses with a protein-to-fat ratio of ≈2.1 were produced. Cheesemilk was supplemented with sweet sheep buttermilk powder, manufactured for the purposes of the experiments, at a level of 1%. The supplementation with buttermilk increased %moisture and %moisture in non-fat substances (MNFS). Buttermilk fortification retarded secondary proteolysis, increased hardness and phospholipid content, reduced meltability and improved sensory properties of cheese. The cheese water-soluble extract was suitable for FT-MIR analysis. Two robust models for the differentiation of cheeses according to ripening time or phospholipid amount were developed. FT-MIR analysis showed that during cheese extraction a significant migration of phospholipids to the aqueous phase takes place. In the second cheesemaking series, reduced-fat cheeses with a protein-to-fat ratio of ≈2.3 were manufactured. Two-stage homogenization of the cream or of the mixture of cream and skim milk was performed. Homogenization increased moisture retention, %MNFS, %salt, %salt in moisture ratio and lightness of cheese. It decreased cheese pH, fat loss, hardness, meltability and organoleptic scores. The homogenization of the cream before its incorporation in cheesemilk was advantageous compared to the homogenization of the milk-cream reduced-fat mixture. In the third series, reduced-fat cheeses with a protein-to-fat ratio of ≈2,9 were produced. Brine salting or dry surface salting and different ripening temperature sequences were utilized. Brine salting was more suitable for the control of salt absorption and improved cheese texture and organoleptic attributes, comparing with dry salting. Reduced-salt cheeses were microbiologically stable and they exhibited higher %moisture, %MNFS, meltability and lightness and improved texture, compared to cheeses with no salt reduction. Moreover, reduced-salt cheeses were advantageous from a nutritional point of view, containing lower levels of fat and salt, in comparison to previously studied commercial reduced-fat cheeses. Finally, reduced-fat and reduced-salt cheeses with a protein-to-fat ratio of ≈3 were manufactured. Cheesemilk was substituted with liquid sweet sheep buttermilk at levels of 5% or 10%. Buttermilk was produced by churning of cream separated from raw milk. Cheeses with buttermilk substitution retained more moisture, had lower fat content and were softer compared to non-fortified cheeses. Buttermilk had no significant effect on cheese microstructure, acidification, meltability and sensory properties. Buttermilk substitution at a level of 5% was more successful comparing with 10%. In conclusion, the manufacture and incorporation of powdered or liquid sweet sheep buttermilk in the cheesemaking procedure of sheep semi-hard cheeses with 10-13% fat and 0.6% sodium, as performed in the experiments of the present thesis, were successful. The conditions of cream processing and churning, the moderate curd handling in cheese vat, the partial substitution of whey with water and the brine-salting method were appropriate means for the control of the critical biochemical phenomena of the first days after cheesemaking, despite the substantial moisture retention in cheese curds. Using vacuum packaging and a specific ripening protocol, cheeses obtained their final properties between four and six weeks of age and remained essentially stable during storage.Based on the results, a feasible circular sustainable protocol for the manufacture of sheep cheese with ≈10% fat, ≈31% protein, ≈56% MNFS, ≈0.6% sodium and ≈5.1 pH, is proposed. It can be performed at dairy industries of all sizes and it contributes to modern utilization of sheep milk, which is an important product in Greece.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η εφαρμογή μίας κυκλικής αειφόρου παραγωγικής διαδικασίας για την ανάπτυξη ενός πρόβειου τυριού με μειωμένα λιπαρά και νάτριο, αξιοποιώντας τη σύσταση του βουτυρογάλακτος που είναι το συμπροϊόν που προκύπτει κατά την αναστροφή των φάσεων της πρόβειας κρέμας. Στο θεωρητικό μέρος της διατριβής παρουσιάζεται εκτεταμένη ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας σχετικά με τεχνολογικές παρεμβάσεις στην παραγωγή τυριών μειωμένων/χαμηλών λιπαρών και νατρίου, καθώς και για το βουτυρόγαλα. Στο πειραματικό μέρος παρουσιάζονται οι συνθήκες και τα αποτελέσματα των επιμέρους τμημάτων της παρούσας έρευνας. Αναπτύχθηκε μέθοδος παραγωγής σε εργαστηριακή/ημι-πιλοτική κλίμακα βουτυρογάλακτος από την απόδαρση μη-οξινισμένης πρόβειας ή αίγειας κρέμας γάλακτος με διαφορετική θερμική επεξεργασία. Μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά και η τεχνολογική συμπεριφορά τεσσάρων τύπων βουτυρογάλακτος που προέκυψαν καθώς και των μιγμάτων τους με πρόβειο ή αίγειο γάλα με τρεις διαφορετικές λιποπεριεκτικότητες. Η επίδραση του βουτυρογάλακτος αφορούσε κατά κανόνα τη συναίρεση των ενζυμικών πηγμάτων. Προέκυψε πως πρόβεια ή αίγεια ενζυμικά τυροπήγματα μειωμένων και χαμηλών λιπαρών μπορούν να παραχθούν με αντικατάσταση έως 15% του μη-αγελαδινού γάλακτος με το αντίστοιχο γλυκό βουτυρόγαλα από παστεριωμένη κρέμα, χωρίς προηγούμενη κλασμάτωση ή συμπύκνωσή του. Το μεγαλύτερο τμήμα του πειραματικού μέρους της διατριβής αναφέρεται σε τέσσερις σειρές τυροκομήσεων πρόβειων τυριών μειωμένων λιπαρών με διαφορετικές πειραματικές επεμβάσεις, που αφορούσαν στη σύσταση και επεξεργασία του γάλακτος της τυροκόμησης και την ενσωμάτωση βουτυρογάλακτος, τη μέθοδο αλατίσματος και τις συνθήκες ωρίμασης. Επιπλέον, μελετήθηκε το υδατοδιαλυτό κλάσμα των τυριών με φασματοσκοπία μέσου υπερύθρου με μετασχηματισμό κατά Fourier (Fourier Transform Mid-Infrared Spectroscopy, FT-MIR) και διερευνήθηκε η ανάπτυξη μεθόδων διαχωρισμού. Στην πρώτη σειρά τυροκομήσεων, ενσωματώθηκε σκόνη γλυκού πρόβειου βουτυρογάλακτος, που παρασκευάστηκε στο πλαίσιο των πειραμάτων, σε ποσοστό 1% στο γάλα τυροκόμησης τυριών μειωμένων λιπαρών. Τα τυριά που προέκυψαν είχαν μέση αναλογία πρωτεΐνη/λίπος ≈2,1 και υψηλότερη %υγρασία και %υγρασία επί των μη λιπαρών συστατικών (Moisture in Non-Fat Substances, MNFS), συγκριτικά με τον αντίστοιχο μάρτυρα χωρίς προσθήκη σκόνης βουτυρογάλακτος. Η ενσωμάτωση του βουτυρογάλακτος επιβράδυνε τη δευτερογενή πρωτεόλυση, αύξησε τη σκληρότητα και την περιεκτικότητα σε φωσφολιπίδια, μείωσε την ικανότητα τήξης και βελτίωσε τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Το υδατοδιαλυτό εκχύλισμα των τυριών ήταν κατάλληλο για ανάλυση με FT-MIR και αναπτύχθηκαν δύο εύρωστα μοντέλα διαχωρισμού των τυριών ανάλογα με την ηλικία ωρίμασης ή την περιεκτικότητα σε φωσφολιπίδια. Η ανάλυση έδειξε ότι ένα σημαντικό μέρος των φωσφολιπιδίων μεταφέρεται στην υδατική φάση κατά την εκχύλιση. Στη δεύτερη σειρά τυροκομήσεων, παρασκευάστηκαν τυριά μειωμένων λιπαρών με πρωτεΐνη/λίπος ≈2,3, εφαρμόζοντας ομογενοποίηση δύο σταδίων της κρέμας ή ολόκληρου του μίγματος κρέμας και άπαχου γάλακτος τυροκόμησης. Με την ομογενοποίηση αυξήθηκαν η συγκράτηση υγρασίας, η %MNFS, το %αλάτι, η συγκέντρωση αλατιού στην υγρή φάση και η φωτεινότητα των τυριών. Μειώθηκαν το pH και οι απώλειες λίπους, η σκληρότητα, η ικανότητα τήξης και η οργανοληπτική βαθμολογία των τυριών. Η ομογενοποίηση της κρέμας πριν την ενσωμάτωσή της στο μίγμα είχε καλύτερα αποτελέσματα. Στην τρίτη σειρά, παρασκευάστηκαν τυριά μειωμένων λιπαρών με πρωτεΐνη/λίπος ≈2,9, εφαρμόζοντας ξηρό ή υγρό αλάτισμα και διαφορετικές θερμοκρασιακές ακολουθίες ωρίμασης. Το αλάτισμα σε άλμη ήταν πιο κατάλληλη μέθοδος για τον έλεγχο της πρόσληψης αλατιού και, συγκριτικά με το ξηρό αλάτισμα, βελτίωσε τη δομή και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Τα τυριά μειωμένης περιεκτικότητας σε αλάτι ήταν μικροβιολογικά σταθερά και είχαν υψηλότερη %υγρασία, %MNFS, ικανότητα τήξης, φωτεινότητα και βελτιωμένη δομή σε σχέση με τα τυριά κανονικής περιεκτικότητας. Επιπλέον, πλεονεκτούσαν από διατροφική άποψη συγκριτικά με τα τυριά μειωμένων λιπαρών του εμπορίου, που είχαν μελετηθεί σε προηγούμενο στάδιο, καθώς περιείχαν χαμηλότερο %λίπος και %αλάτι. Τέλος, παρασκευάστηκαν τυριά μειωμένων λιπαρών και αλατιού με πρωτεΐνη/λίπος ≈3, αντικαθιστώντας κατά 5% ή 10% το γάλα με υγρό γλυκό πρόβειο βουτυρόγαλα που παρασκευαζόταν με απόδαρση της κρέμας από την αποκορύφωση του αρχικού γάλακτος. Συγκράτησαν περισσότερη υγρασία, είχαν χαμηλότερη λιποπεριεκτικότητα και μειωμένη σκληρότητα. Δεν παρατηρήθηκαν επιδράσεις στη μικροδομή τους, την οξίνιση, την ικανότητα τήξης και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Η αντικατάσταση σε αναλογία 5% ήταν πιο επιτυχημένη παρέμβαση. Συνοψίζοντας, η παραγωγή και η ενσωμάτωση σκόνης ή υγρού γλυκού πρόβειου βουτυρογάλακτος στη διαδικασία της τυροκόμησης πρόβειων ημίσκληρων τυριών με λίπος 10-13% και νάτριο ≈0,6%, όπως αναπτύχθηκε στα πειράματα της διατριβής, αποδείχθηκε επιτυχημένη. Οι συνθήκες παραλαβής, επεξεργασίας και απόδαρσης της κρέμας, οι μέτριας έντασης χειρισμοί στον τυρολέβητα, η μερική αντικατάσταση του τυρογάλακτος με νερό και η τεχνική αλατίσματος επέτρεψαν –παρά την αξιόλογη συγκράτηση υγρασίας από τα τυροπήγματα– τον έλεγχο των κρίσιμων βιοχημικών φαινομένων των πρώτων ημερών. Επιπλέον, παρά τη χαμηλή λιποπεριεκτικότητα, τα τυριά ήταν εμπλουτισμένα σε φωσφολιπίδια εξαιτίας του βουτυρογάλακτος. Εφαρμόζοντας συσκευασία και συγκεκριμένο πρωτόκολλο ωρίμασης, τα τυριά αποκτούσαν τα τελικά τους χαρακτηριστικά μεταξύ τεσσάρων και έξι εβδομάδων και παρέμεναν γενικά σταθερά κατά τη συντήρηση. Με βάση τα αποτελέσματα, προτείνεται μία ρεαλιστική, αειφόρος κυκλική παραγωγική διαδικασία παραγωγής πρόβειου τυριού με λίπος ≈10%, πρωτεΐνη ≈31%, MNFS ≈56%, νάτριο ≈0,6% και pH ≈5,1. Η πρόταση αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε γαλακτοκομικές μονάδες όλων των μεγεθών και συμβάλλει στην αξιοποίηση –με σύγχρονους όρους– του πρόβειου γάλακτος που είναι ένα σημαντικό εθνικό προϊόν.