Fabrication de laits fermentés de type yogourt à base de
babeurre
Mémoire
Nicoletta Foti
Maîtrise en sciences et technologie des aliments - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Fabrication de laits fermentés de type yogourt à
base de babeurre
Mémoire
Nicoletta Foti
Résumé
Le babeurre, coproduit de la fabrication du beurre, est utilisé dans les produits alimentaires pour ses propriétés fonctionnelles émulsifiantes ainsi que son impact positif sur la saveur et la texture. De plus, de nombreuses études ont suggéré les bienfaits du babeurre pour la santé, associées à un large éventail d’activités biologiques, notamment anti-cancéreuse, anti-stress et anticholestérolémique.
La forte demande des consommateurs pour des aliments enrichis en nutriments bénéfiques pour la santé, associée au désir d’obtenir des produits comportant de nouvelles caractéristiques, a poussé les chercheurs et l’industrie alimentaire à développer constamment de nouvelles formulations. L’objectif principal de ce projet était de développer des laits fermentés de type yogourt à base de babeurre. Des yogourts ont été fabriqués à partir de deux poudres de babeurre, de babeurre frais et de poudre de lait écrémé (témoin) en utilisant cinq ferments industriels pour un total de vingt traitements. Les différents facteurs qui affectent la qualité des laits fermentés tels que la vitesse d'acidification, le pH, la survie bactérienne, la synérèse, la texture, les composés aromatiques ainsi que les propriétés organoleptiques ont été analysés. Les résultats ont montré que les laits fermentés à base de babeurre sont qualitativement comparables aux laits fermentés témoins et respectent les normes microbiologiques et physico-chimiques. L’analyse sensorielle de ces nouveaux produits a montré une appréciation globale positive et largement équivalente aux laits fermentés de lait écrémé témoins. Tel que décrit par la littérature, nos résultats confirment la présence d’une variabilité de la qualité physico-chimique des babeurres. Par conséquent, les produits finis reflètent aussi cette hétérogénéité. Les produits développés sont très prometteurs, toutefois des recherches complémentaires ou des améliorations des conditions d’entreposage et de traitement des babeurres liquides sont nécessaires pour garantir une qualité constante du babeurre avant son séchage.
Abstract
Buttermilk has a similar composition to skim milk, but it is distinguished by its content in phospholipids, which gives it some demonstrated technical and health properties. Unfortunately, no food product exclusively made from buttermilk is available on the market. The objective of this project was to develop and characterize the properties of fermented buttermilk of firm yoghurt type. Yoghurts have been made from fresh buttermilk, buttermilk powder and skim milk powder, using five industrial starter cultures. The acidification rates and the various factors that affect the quality of fermented milks such as pH, cell survival, syneresis, texture, aromatic compounds and sensory properties were analyzed. The results showed that the acidification kinetics and the composition of the buttermilk-based fermented milks are comparable to the fermented skim milk yoghurt. Moreover, all the products were compliant with the microbiological and compositional standards/regulation. In addition, buttermilk-based yoghurts exhibited a significantly lower syneresis level than skim milk yoghurts. Sensory analysis of these new products showed a positive overall assessment, at least equivalent to the control yoghurts. The products developed are very promising. However, from the sensory point of view, a great variability in the quality of buttermilk powder was observed. Thus, to ensure the final product quality, special attention should be paid to buttermilk processing and storage conditions prior to its drying.
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... viii
Liste des abréviations ... ix
Remerciements ... x
Avant-propos ... xi
Introduction ... 1
Chapitre 1-Revue de littérature ... 3
1.1 Le babeurre traditionnel ... 3
1.2 Les différents types de babeurre ... 3
1.3 Procédé de fabrication du beurre ... 5
1.4 Composition du babeurre ... 7
1.5 La membrane du globule de gras du lait (MGGL) ... 8
Structure de la MGGL ... 8
Constituants principaux de la MGGL ... 9
Teneur en phospholipides des produits laitiers ... 10
Propriétés techno-fonctionnelles de la MGGL ... 11
Propriétés nutritionnelles et bienfaits sur la santé de la MGGL ... 11
1.6 Les utilisations du babeurre dans les produits alimentaires ... 12
1.7 Le babeurre dans les produits laitiers fermentés ... 14
Les produits laitiers fermentés enrichis de babeurre ... 14
Les produits à base de babeurre ... 16
Hypothèse et objectifs ... 18
Chapitre 2- Physiochemical, microbiological and sensorial evaluation of sweet buttermilk set-style yogurt ... 19
2.1 Résumé ... 19
2.2 Abstract ... 20
2.3 Introduction ... 21
2.4 Materials and Methods ... 23
Starter cultures ... 23
Manufacture of set yogurt-type milks ... 24
Physiochemical analysis ... 25
Fermentation time and acidification rates ... 25
Textural and syneresis analysis ... 26
Microbiological analysis ... 27
Aromatic compounds analysis ... 27
Sensory analysis ... 28
Statistical analysis ... 30
2.5 Results and Discussion ... 31
Physiochemical characterization ... 31
Fermentation time and acidification rates ... 32
pH and titratable acidity during storage ... 35
Syneresis ... 37
Textural properties ... 40
Microbial viability during storage ... 43
Aromatic compounds analysis ... 45
Sensory analysis ... 49
2.6 Conclusion and prospects ... 52
Liste des tableaux
Tableau 1. Composition des différents types de babeurre. ... 7
Tableau 2. Teneur en lipides et phospholipides de produits laitiers. ... 10
Table 3. Sensory attributes and their definition used for the sensory evaluation of the fermented milks. ... 29 Table 4. Composition of liquid buttermilk (9% total solids), rehydrated buttermilk powder and rehydrated skim milk powder (12% total solids). ... 32 Table 5. Fermentation time (Ft) and acidification kinetics parameters for the dairy
ingredient (DI) (BP1, BP2, LB and SMP) fermented with S1, S2, S3, S4, and S5 starter cultures (S). ... 34 Table 6. pH and titratable acidity (TA) changes in fermented milks during storage at 4°C. ... 37 Table 7. Significance (F-values) effects of milk base (M), starter culture (S) and their interaction (MxS) on fermented milks sensory attributes. ... 51
Liste des figures
Figure 1. Schéma de fabrication de différents types de babeurre ... 5
Figure 2. Structure de la membrane du globule gras de lait (MGGL). Source (Dewettinck et
al., 2008) ... 9
Figure 3. Effect of starter on acidification profile of fermented BP2 buttermilk ... 35
Figure 4. Syneresis changes during storage at 4°C of fermented buttermilk and skim milk according to milk source (A) and culture (B). Different letters within the same day (A) or milk source (B) indicate a significant syneresis level difference (P<0.05). Bars represent the standard errors of the least square mean values. ... 39 Figure 5. Effect of the starter (A) and the milk source (B) on firmness. Different letters within the same milk source (A) or starter (B) indicate a significant firmness difference (P<0.05). ... 41 Figure 6. Effect of the starter on yoghurt adhesiveness. Different letters within the same milk source indicate a significant firmness difference (P<0.05) among the starter cultures. Bars represent the standard errors of the least square mean values of the least square mean values. ... 42 Figure 7. Changes in viable counts (cfu/mL) of Lb. delbrueckii ssp. bulgaricus (A) and St.
thermophilus (B) in fermented milks prepared with BP2 during refrigerated storage. Different
letters within the same day indicate a significant concentration difference (P<0.05) among the starters. Bars represent the standard errors of the least square mean values. ... 44 Figure 8. Effect of starter on the viability (cfu/ml) of Lb. delbrueckii ssp. bulgaricus after manufacture (day1). Different letters within the same starter indicate a significant concentration difference (P<0.05) among milk sources. Bars represent the standard errors of the least square mean values. ... 45 Figure 9. Effect of starter on acetaldehyde (A), diacetyl (B) and acetoin (C) concentrations. Different letters within the same milk source indicate a significant concentration difference (P<0.05) among the starters. Bars represent the standard errors of the least square mean values. ... 48
Liste des abréviations
ADPH: adipophiline
BP: buttermilk powder (poudre de babeurre) BTN: butyrophiline
CD36: groupe de différentiation 36
ELS: evaporative light scattering detector (détecteur evaporatif à diffusion de lumière) EPS: exopolysaccharides
FABP: fatty acid binding-protein (protéines qui lient les acides gras) LB: liquid buttermilk (babeurre liquide)
HPCL: high-performance liquid chromatography (chromatographie en phase liquide à haute performance)
HS-GC: headspace gas chromatography (chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse)
MFGM: milk fat globule membrane MGGL: membrane du globule gras de lait MUC: mucine
N: Newton
NIST: National Institute of Standards and Technology (Institut National des normes et de la technologie)
PAS6/7 : lactadherine,
SMP: skim milk powder (poudre de lait écrémé) TA: titrable acidity (acidité titrable)
XO/XDH: xanthine oxydase/déshydrogénase Ws: separated serum weight (poids du sérum) Wy: yogurt weight (poids du yogourt)
Remerciements
Avant tout, je tiens à exprimer toute ma gratitude à mon directeur de recherche, le professeur Jean-Christophe Vuillemard. Je le remercie pour ses conseils précieux, pour la grande disponibilité qu’il m’a démontré pendant toute la durée de mon parcours de formation. Je lui suis reconnaissante de m’avoir permis d’élargir mon domaine d’expertise, mais surtout de m’avoir fait découvrir une nouvelle passion qui m’a donné une grande satisfaction intellectuelle.
J'adresse une très grande part de mes remerciements à Noémie Lemay, qui a été à mes côtés pendant la durée de la réalisation des travaux expérimentaux. Ensemble, nous avons formé une très belle équipe. Professionnelle, souriante et de bonne humeur; cette collaboration avec Noémie a été une vraie découverte humaine.
Je suis également reconnaissante envers Diane Gagnon et Ronan Corcuff pour leur soutien technique, leur professionnalisme associé à une grande humanité. Je tiens aussi à remercier Céline Paquin, Mélanie Martineau et Pascal Lavoie pour le soutien technique. Merci également à Jean Collin, du département de phytologie, pour m’avoir permis de démasquer les subtils secrets de l’analyse statistique. Je remercie aussi chaleureusement Gaétan Daigle du Service de Consultation Statistique.
J’aimerais exprimer ma gratitude envers les panellistes qui ont eu la gentillesse de donner de leur temps pour participer aux innombrables dégustations de yogourts: Attara Hell, Stéphanie Vignola, Andréanne Lamarche, Charlyne Sénéchal, Joseph Makhlouf, Diane Gagnon, Valentin Leroy et Gabriela Bayarres Ponce.
Je remercie, bien sûr, ma famille pour m’avoir soutenue, des mois durant, dans l’élaboration et la concrétisation de ce grand projet. Plus précisément, mes pensées vont à ma mère Paola, à mon père Antonello, ma belle-mère Brigitte et mon époux Jean-Pierre, qui ont toujours cru en moi.
Avant-propos
Ce mémoire comporte deux chapitres dont un rédigé sous forme d’article scientifique en anglais. L’ensemble de ce projet de recherche, incluant la réalisation des manipulations en laboratoire, l’analyse des résultats et la rédaction du mémoire, a été supervisé par Dr. Jean-Christophe Vuillemard.
Nicoletta Foti a planifié et réalisé les expériences en laboratoire, présenté les résultats et rédigé l’article. Par conséquent, elle en est l’auteur principal. Noémie Lemay, deuxième auteur, a contribué de manière significative aux travaux de laboratoire et à la collecte des résultats.
Le premier chapitre comprend une introduction suivie par la revue de littérature qui décrit les plus récentes connaissances scientifiques en lien avec le babeurre, sa composition, ainsi que ses propriétés techno-fonctionnelles et nutritionnelles démontrées. Les différentes utilisations du babeurre en industrie alimentaire et surtout son utilisation dans les produits laitiers sont abordées de manière approfondie. Finalement, l’hypothèse et les objectifs du travail de recherche sont présentés.
Le deuxième chapitre intitulé « Physiochemical, microbiological and sensorial evaluation of sweet buttermilk set yogurt-type milks » est présenté sous forme d’article scientifique. Ce chapitre présente dans le développement de yogourts et boissons fermentées fabriqués entièrement à partir de babeurre doux.
Finalement, ce mémoire se termine par une conclusion générale qui répond à l’hypothèse initiale et confirme l’atteinte des objectifs de recherche. Les principaux résultats ont été présentés sous la forme d’une affiche scientifique au Colloque 2017 du centre de recherche STELA, portant le titre « Fabrication et évaluation des propriétés physico-chimiques, microbiologiques et organoleptiques de yogourts fermes de babeurre ».
Introduction
Le babeurre représente la phase aqueuse résultant du barattage de la crème lors de la fabrication du beurre. En 2017, la quantité de babeurre produite au Canada était estimée à environ 23x103 t (Statistique Canada, 2017). Le babeurre contient les mêmes composés solubles que le lait écrémé tels que les protéines du lait, le lactose et les minéraux. Par contre, le babeurre se différencie du lait écrémé par sa richesse en phospholipides et en protéines qui dérivent de la membrane du globule gras du lait (MGGL). En effet, la force de cisaillement élevée du barattage crée une déstabilisation des globules de gras suivie par un fractionnement de sa membrane. Ces fractions, solubilisées dans la phase aqueuse pendant le barattage, contiennent des protéines spécifiques et des lipides polaires uniques qui confèrent au babeurre des propriétés technologiques et nutritionnelles avantageuses (Conway et al., 2014b).
Le babeurre trouve de nombreuses applications dans l’industrie alimentaire grâce à ses propriétés fonctionnelles émulsifiantes ainsi qu’à son impact positif sur la saveur et la texture. Le babeurre est utilisé principalement en industrie boulangère, mais aussi dans l’industrie de transformation des produits laitiers (Zanabria Eyzaguirre et al., 2011). De plus, de nombreuses études (Conway et al., 2014b) et revues (Contarini et al., 2013; Dewettinck et
al., 2008) ont suggéré les bienfaits des phospholipides de la MGGL pour la santé, associés à
un large éventail d’activités biologiques, notamment anti-cancéreuse, anti-stress et anticholestérolémique (Dewettinck et al., 2008).
Durant les deux dernières décennies, la forte demande des consommateurs pour des aliments enrichis en nutriments bénéfiques pour la santé, associée au désir d’obtenir des produits comportant de nouvelles caractéristiques, a conduit les chercheurs et l’industrie alimentaire à développer constamment de nouvelles formulations à partir d’ingrédients souvent peu ou pas valorisés.
Ce concept est encore plus vrai pour le secteur des produits laitiers et plus spécifiquement pour les produits laitiers fermentés qui ont connu un développement technologique important à partir des années 80 (Salampessy et al., 2011). Ainsi, l’utilisation de différents ingrédients laitiers (poudre de lait écrémé, de lactosérum, de concentrés protéiques du lactosérum etc.)
fabriqués à partir des différentes fractions du lait a permis de développer une vaste gamme de produits très diversifiés (Chandan, 2011).
Les applications du babeurre dans les boissons fermentées rapportées dans la littérature sont surtout orientées vers l’exploitation de ses propriétés fonctionnelles. La poudre de babeurre ou les fractions de MGGL ont été incorporées dans différentes formulations de yogourt afin d’augmenter la viscosité, la résistance à la synérèse et la texture (Guilherme de Bassi et al., 2012; Le et al., 2011; Trachoo et al., 1998). L’utilisation du babeurre en tant que véhicule de probiotiques dans la fabrication de boissons fonctionnelles a aussi été étudiée (Burns et al., 2010).
Le babeurre, grâce à sa riche composition nutritionnelle et aux propriétés technologiques importantes des résidus de la MGGL, offre donc un grand potentiel en tant qu’ingrédient dans le développement d’aliments fonctionnels innovants. En effet, le babeurre peut très bien être utilisé pour remplacer partiellement ou intégralement l’ingrédient principal tel que le lait ou le lactosérum dans la formulation de boissons fermentées. Cependant, malgré le potentiel de ce produit, aucun lait fermenté à base de babeurre n’est disponible sur le marché. De plus, peu d’études scientifiques rapportent l’utilisation du babeurre comme ingrédient principal dans la formulation d’une boisson fermentée telle que le yogourt (Builova et al., 1983; Guler
et al., 1996).
En outre, du point de vue économique, étant un sous-produit de l’industrie laitière, le babeurre a un coût inférieur à celui du lait écrémé. L’élaboration d’un produit à base de babeurre pourrait donc avoir un impact économique très favorable (Corredig et al., 2004). Par sa composition originale ainsi que par ses propriétés fonctionnelles et nutritionnelles importantes, le babeurre représente donc un ingrédient ayant un fort potentiel d’application pour l’industrie laitière.
L’objectif de ce projet était l’évaluation de l’influence de différentes sources de babeurre doux et de différents ferments sur les qualités microbiologiques, physicochimiques, rhéologiques et organoleptiques d’un nouveau produit laitier de type yogourt à base de babeurre.
Chapitre 1-Revue de littérature
1.1 Le babeurre traditionnel
Traditionnellement, le babeurre était le sérum frais qui se séparait suite au barattage de la crème crue, fermentée par les bactéries lactiques naturellement présentes dans le lait. Quelquefois, ce sérum pouvait aussi contenir de petits flocons de beurre (Libudzisz et al., 2002). Au niveau industriel, le babeurre est le terme qui réfère à la phase liquide relâchée durant le barattage lors de la fabrication du beurre. Selon la nature de la crème utilisée, le babeurre qui en résulte est doux quand la crème n’est pas fermentée ou acide quand elle est préalablement inoculée avec des ferments lactiques. Au Canada, la quantité de babeurre produite sous forme liquide, considérée similaire à celle du beurre (Morin et al., 2007), a été estimée à 23x103 t en 2017 (Statistique Canada, 2017). Par contre, la majorité du babeurre est valorisée sous forme de poudre et la quantité produite en 2017 a été de 1x103 t.
1.2 Les différents types de babeurre
La définition de babeurre est très flexible. Selon le pays, le babeurre peut être associé ou confondu avec d’autres produits laitiers tels que le lait acidifié ou d’autres types de boissons fermentées, tels que les laits fermentés Scandinaves et Bulgares (Libudzisz et al., 2002). En effet, le terme babeurre est une définition globale qui inclut un large éventail de produits laitiers avec différentes compositions selon la matière première, les conditions de prétraitement et le type de procédé de fabrication du beurre qui sont utilisés.
Toutefois, le nom babeurre se retrouve principalement associé à deux variantes (CODEX, 1995). La première correspond au babeurre traditionnel, c’est-à-dire la phase aqueuse, presque exempte de matière grasse laitière, qui reste après la fabrication du beurre à partir de crème fermentée (babeurre acide), ou non fermentée (babeurre doux). La deuxième variante de babeurre correspond au babeurre de culture qui résulte de la fermentation du lait écrémé ou allégé, soit par acidification spontanée grâce à l’action de bactéries acidifiantes ou
aromatisantes, ou bien par inoculation du lait par des cultures lactiques mésophiles. Quelques fois, des flocons de beurre y sont ajoutés pour que les caractéristiques organoleptiques du babeurre de culture se rapprochent de celles du babeurre traditionnel (Libudzisz et al., 2002). Puisque la durée de conservation du babeurre traditionnel est courte, ce dernier a été substitué par le babeurre de culture qui a une durée de conservation plus longue, à savoir de deux à trois semaines (Walstra, 2006). D’ailleurs, même selon le code national canadien (Code National sur le produits laitiers, 1997), la définition de babeurre correspond précisément à celle du babeurre de culture qui, selon cette norme, fait partie de la catégorie des produits laitiers fermentés. En outre, le babeurre de culture est le seul présent sur le marché canadien. Deux autres produits laitiers, moins répandus, portent aussi le nom de babeurre, à savoir le babeurre de lactosérum et le sérum de babeurre. Le premier est issu indirectement de la fabrication du fromage. Le lactosérum, obtenu après la coagulation du lait est dégraissé et sa crème (crème de lactosérum) est par la suite utilisée pour la production de beurre. La phase aqueuse obtenue après le barattage de cette crème de lactosérum est appelée babeurre de lactosérum (Vanderghem et al., 2010). Enfin, le sérum de babeurre qui est le coproduit de fabrication de l’huile de beurre (99,6% de matière grasse). Le beurre produit par le barattage de la crème subit un traitement entraînant l’élimination quasi-totale de l’eau et des solides non gras. Ces deux fractions (eau et l’extrait sec non gras) constituent le sérum de babeurre (Britten et al., 2008).
La figure 1 présente la fabrication des cinq différents types de babeurre. Par contre, l’objet de cette recherche portera uniquement sur le babeurre traditionnel doux.
1.3 Procédé de fabrication du beurre
Le beurre est une émulsion de type eau dans l’huile dans laquelle les globules de gras, leurs cristaux, les gouttelettes d’eau et les bulles d’air sont dispersés. Le principal procédé utilisé pour la fabrication du beurre est le barattage de la crème qui permet la cristallisation de la matière grasse concentrée dans la crème. Cette étape est suivie par une inversion de phase où l’émulsion initiale huile dans l’eau de la crème devient ensuite de type eau dans l’huile et par l’expulsion du babeurre (Mortensen, 2011).
La matière grasse du lait est tout d’abord concentrée par centrifugation à une teneur de 40% ou plus, selon les paramètres de séparation utilisés. La crème est ensuite pasteurisée et immédiatement refroidie afin de solidifier une partie des triglycérides. Cela permet de contrôler la cristallisation du gras et d’obtenir le rapport désiré de gras solide et de gras liquide. Cette phase est suivie par la maturation physique de la crème où l’application d’un
programme de cycles thermiques permet de contrôler le degré et le mode de cristallisation des triglycérides à l’intérieur du globule de gras. Lors de cette étape, la crème est refroidie à différentes températures pendant un temps précis. Ces cycles thermiques permettent donc d’assurer une proportion optimale entre la matière grasse liquide et solide (Vuillemard, 2014) et par conséquent, une bonne inversion de phase lors du barattage ainsi que l’obtention d’un beurre de consistance uniforme. Par ailleurs, ces programmes de traitements thermiques appliqués sont différents selon la saison afin de s’adapter aux variations saisonnières de la composition en matière grasse du lait. Au printemps et en été, où la proportion d’acides gras à faible point de fusion est plus grande et la température ambiante plus élevée, les températures de refroidissement et de barattage sont plus basses par apport aux températures appliquées en hiver. En revanche, à l’automne et en hiver où la proportion des acides gras à faible point de fusion est moins importante et la température ambiante est moins élevée, les températures appliquées sont plus hautes (Vuillemard, 2014).
Le crème ainsi traité est ensuite transférée dans une baratte où elle est agitée mécaniquement dans des conditions qui favorisent la déstabilisation de la membrane du globule de gras, l’inversion de phase de l’émulsion et enfin, l’expulsion du babeurre. Au tout début du barattage, l’agitation de la crème favorise l’incorporation d’air et la formation d’une écume. Ces deux processus font augmenter la viscosité de la crème et par conséquent, favorisent le rapprochement des globules de gras. Ensuite, le refroidissement et les chocs répétés facilitent la libération de la matière grasse liquide et permettent la coalescence entre plusieurs globules de gras en grains de beurre. C’est à ce moment-là que l’émulsion est inversée, que la masse butyrique se forme et que la phase aqueuse, le babeurre, est expulsée. Finalement, le beurre subit un traitement de malaxage qui permet de disperser uniformément les gouttelettes d’eau, le sel et les composés aromatiques, mais aussi de souder les grains de beurre de façon homogène (Vuillemard, 2014).
1.4 Composition du babeurre
La composition du babeurre est très similaire à celle du lait écrémé (Tab. 1). En effet, le babeurre contient le lactose, les minéraux et les protéines du lait (caséines et protéines sériques) dans les mêmes proportions que celles du lait écrémé (Corredig et al., 2004). Cependant, le babeurre diffère substantiellement du lait écrémé en raison de la présence de lipides polaires qui proviennent de la membrane du globule gras du lait (MGGL) (Conway
et al., 2014b). La concentration de lipides polaires dans le babeurre peut être quatre fois plus
importante que celle du lait écrémé (Rombaut et al., 2005).
La proportion des protéines dans le babeurre doux diffère aussi de celle du lait écrémé. Selon Britten et al. (2008), dans ce coproduit, la concentration en caséines est approximativement de 59%, de 23% en protéines sériques et d’environ 19% en protéines qui proviennent des résidus de la MGGL libérés lors du barattage. Parmi les différentes catégories de babeurre, le babeurre de lactosérum est celui qui contient la quantité la moins importante de protéines en raison de la coagulation des caséines pendant la fabrication fromagère. Les protéines du lactosérum et celles originaires de la MGGL sont les principales protéines de ce babeurre (Sodini et al., 2006).
Au contraire, le babeurre de culture qui est fabriqué uniquement à partir de lait écrémé, ne contient ni les protéines, ni les phospholipides de la MGGL.
Tableau 1. Composition des différents types de babeurre.
Source : a) Libudzisz et al., 2002; b) Britten et al., 2008; Vanderghem et al., 2010).
n.d. : not determined Composant Babeurre douxa Babeurre de culturea Babeurre de lactosérumb Sérum de babeurreb Solides totaux 7-10 8-10 7.6 10.9 Matière grasse 0.3-1.0 0-2.5 2.2 2.6-3.7 Lactose 3.5-4.9 4.8-5.8 4 n.d Protéines totales 2.66-3.75 3.4-3.8 1 3.6 Phospholipides 0.075-0.25 n.d. 0.1 0.9-1.2 Cendres 0.6-0.75 0.6-0.9 0.4 n.d
Le sérum de babeurre est le produit qui contient la quantité la plus importante de phospholipides par rapport aux autres types de babeurre. Cela s’explique par le fait que pendant le barattage, une partie significative des fractions de MGGL reste attachée aux gouttelettes de matière grasse qui sont donc retenues dans le beurre. Par conséquence, lors de l’extraction de l’eau du beurre dans le procédé de fabrication de l’huile de beurre, l’interface huile/eau disparait et les résidus de la MGGL sont libérés dans la phase aqueuse (sérum). (Britten et al., 2008)
1.5 La membrane du globule de gras du lait (MGGL)
Structure de la MGGL
La matière grasse du lait se présente sous forme d’une émulsion de globules de gras stabilisés dans la phase aqueuse. Ces globules, formés dans les cellules de l’épithélium sécrétoire de la glande mammaire, ont une taille comprise entre 0.1 et 10 µm et sont entourés par une fine membrane appelée membrane du globule gras de lait (MGGL) (Vanderghem et al., 2010). L’épaisseur de cette membrane varie entre 10 et 50 nm et représente de 2% à 6% de la masse du globule de gras.
La MGGL est principalement constituée d’une structure à trois couches. La plus interne couvre les gouttelettes lipidiques intracellulaires qui proviennent du réticulum endoplasmique. Dans cette couche, les chaînes hydrophobes des lipides polaires sont en contact avec les triglycérides du noyau central. Une deuxième couche qui provient de la membrane apicale des cellules sécrétoires, contient les têtes hydrophiles des phospholipides en contact avec la phase aqueuse du lait et une couche protéique. Enfin, la couche la plus externe est composée d’une double couche de phospholipides qui inclut des glycoprotéines, des enzymes et des phosphoprotéines (Dewettinck et al., 2008) (Fig. 2).
À cause de son origine biologique, la MGGL est principalement composée de protéines, de phospholipides, de glycoprotéines, de lipides neutres, d’enzymes et d’autres composants mineurs (Dewettinck et al., 2008). En effet, grâce à cette composition unique et à la capacité émulsifiante de ses composants, la MGGL assure la stabilité physico-chimique du lait et
prévient la coalescence entre les globules de gras (Conway et al., 2014b). La somme des protéines et des lipides dépasse 90% du poids sec de la membrane. Par contre, les proportions relatives de ces deux composantes ne sont pas constantes (Danthine et al., 2000). En effet, la composition de la MGGL peut varier en fonction du contenu en matière grasse, de la taille du globule de gras, du régime et de la race de la vache, de son état de santé, du stade de lactation et des variations saisonnières. Les techniques de séparation et de purification ainsi que la méthode d’analyse utilisées sont aussi à l’origine de cette variabilité (Danthine et al., 2000).
Constituants principaux de la MGGL
Les protéines de la MGGL représentent seulement 1-4% des protéines totales du lait et leur teneur varie, selon les auteurs, de 25 à 60% du poids sec (Danthine et al., 2000). Plus de 130 protéines spécifiques ont été identifiées, mais seulement huit d’entre elles sont plus abondantes : la butyrophiline (BTN), la xanthine oxydase/déshydrogénase (XO/XDH), la mucine 1 (MUC) et 15 (MUC15), le groupe de différentiation 36 (CD36), la lactadherine (PAS6/7), l’adipophiline (ADPH) et les protéines qui lient les acides gras (FABP) (Conway
et al., 2014b).
Figure 2. Structure de la membrane du globule gras de lait (MGGL). Source (Dewettinck et
Les lipides neutres de la MGGL comprennent les mono-, di- et triglycérides, les esters et le cholestérol, alors que les lipides polaires sont représentés par les glycolipides et les phospholipides (Danthine et al., 2000). Ces lipides polaires représentent environ 30% des lipides de la membrane et, grâce à leurs propriétés émulsifiantes, ils stabilisent l’émulsion (Conway et al., 2014b).
Les phospholipides de la MGGL sont divisés en deux classes majeures : les glycérophospholipides et les sphingolipides. Les premiers sont constitués d’une tête polaire (groupement phosphorique) et d’une chaîne principale de glycérol sur laquelle sont estérifiées des chaînes d’acides gras (C14-C24). De façon similaire, les sphingolipides présentent une chaîne principale de sphingosine à laquelle sont fixées des chaînes d’acides gras (Conway et al., 2014b). Les cinq principales fractions de phospholipides de la MGGL sont la phosphatidyléthanolamine, le phosphatidylinositol, la phosphatidylcholine, la phosphatidylsérine et la sphingomyéline qui est le seul sphingolipide phosphorylé. La phosphatidyléthanolamine, la phosphatidylcholine, et la sphingomyéline représentent environ 90% de tous les lipides polaires de la MGGL.
Teneur en phospholipides des produits laitiers
Le contenu en lipides polaires dans les différents produits laitiers dépend du degré et du type de traitement que le lait a subi. Le babeurre est particulièrement riche en phospholipides (Tab. 2).
Suite aux traitements qui altèrent la MGGL, les protéines associées aux phospholipides migrent dans la phase aqueuse. Par conséquent, les produits laitiers riches en phospholipides le sont aussi en protéines issues de la MGGL (Dewettinck et al., 2008).
Tableau 2. Teneur en lipides et phospholipides de produits laitiers.
Composition (%, wt/wt) Lait entier Lait écrémé C r è m e Babeurre Sérum de babeurre
Lipides 4 0.06 40 0.6 3.75
Phospholipides 0.035 0.015 0.21 0.13 1.25
Propriétés techno-fonctionnelles de la MGGL
Outre son rôle de barrière physique protégeant les triglycérides du lait contre la lipolyse enzymatique, la MGGL offre des propriétés tensioactives essentielles à la stabilisation des émulsions (Danthine et al., 2000). En effet, grâce à leur nature amphiphile, les protéines et les lipides polaires de la MGGL sont considérés comme des agents émulsifiants naturels. Plusieurs auteurs ont étudié les propriétés émulsifiantes, de type huile dans l’eau, de la MGGL du babeurre en comparaison avec celles du lait écrémé et du lactosérum. Wong et al. (2003) ont rapporté que le babeurre a une capacité émulsifiante inférieure à celle du lait écrémé. Par contre, Scott et al. (2003) ont trouvé que les émulsions de babeurre restent stables plus longtemps pendant l’entreposage, par rapport à celles formulées avec du lait écrémé. Leurs conclusions ont été confirmées par Sodini et al. (2006) qui ont démontré que le babeurre doux et le babeurre de lactosérum ont des propriétés émulsifiantes plus importantes, comparées à celles du lait écrémé et du lactosérum.
D’autres recherches ont démontré que le traitement thermique de la crème peut causer un haut degré d’agrégation et de changement des propriétés fonctionnelles des protéines et des phospholipides de la MGGL (Corredig et al., 1997). La qualité et la variabilité de la crème, le type de prétraitement de la crème durant la fabrication du beurre ainsi que la méthode utilisée pour isoler les fractions de MGGL, peuvent ainsi influencer les propriétés fonctionnelles finales des résidus de MGGL (Vanderghem et al., 2010).
En plus de leurs propriétés émulsifiantes, les fractions de MGGL augmentent la stabilité, la rétention d’eau, le rendement et la saveur (Vanderghem et al., 2010) et peuvent aussi avoir un impact sur le brunissement du produit alimentaire (milkingredients.ca).
Propriétés nutritionnelles et bienfaits sur la santé de la MGGL
Les effets bénéfiques des phospholipides du lait en lien avec les maladies cardiovasculaires, l’inflammation et le cancer sont connus depuis les années 90 (Contarini et al., 2013). De tous les constituants de la MGGL, la sphingomyéline et ses produits de digestion (céramide et sphingosine) sont considérés parmi les composants bioactifs les plus intéressants et les plus
étudiés (Conway et al., 2014b). En effet, la sphingomyéline joue un rôle structural très important dans toutes les membranes cellulaires, en particulier, dans les cellules du système nerveux central. Les produits de la sphingomyéline sont connus pour avoir un rôle important dans la régulation de la croissance cellulaire, dans le système immunitaire, dans l’angiogenèse et dans la sénescence (Contarini et al., 2013). Par contre, jusqu’à présent, peu d’études cliniques ont été réalisées sur les bienfaits potentiels des phospholipides de la MGGL. Une étude clinique en double aveugle contre placebo (Conway et al., 2013) a pu néanmoins démontrer le lien entre la consommation de babeurre et la réduction du cholestérol (-3.1% comparativement au placebo). Cette action serait principalement due à un effet inhibiteur sur l’absorption intestinale du cholestérol. Une deuxième étude clinique réalisée sur des individus normotendus (Conway et al., 2014a) a aussi permis d’associer la consommation de babeurre avec une diminution de la pression artérielle (-2.6 mm Hg comparativement au groupe placebo). Des preuves à l’appui d’une action positive des fractions de MGGL sur le système immunitaire d’enfants sains ont été publiées par Veereman-Wauters et al. (2012).
Cependant, bien qu’il existe des preuves démontrant la valeur nutritionnelle des composantes de la MGGL, un nombre plus important d’études cliniques reste essentiel pour que l’industrie laitière puisse associer des allégations de bienfaits pour la santé au babeurre (Conway et al., 2014b).
1.6 Les utilisations du babeurre dans les produits alimentaires
Les propriétés fonctionnelles connues du babeurre ainsi que celles des fractions de la MGGL (émulsification, liaison de l’eau, brunissement, moussage et amélioration de la saveur et de la texture) sont exploitées dans de nombreux produits alimentaires. En effet, au niveau commercial, le babeurre est utilisé par l’industrie boulangère, surtout pour la préparation de mélanges secs, mais aussi par l’industrie laitière (Sodini et al., 2006). Le babeurre peut servir d’ingrédient alimentaire sous forme liquide, mais, pour des raisons de stabilité et de commodité, il est habituellement séché (milkingredients.ca). Dans les produits de boulangerie, le babeurre est incorporé pour améliorer le goût, pour faciliter l’incorporation
d’air dans les produits et favoriser le brunissement durant la cuisson. De plus, en se liant avec l’eau, le babeurre permet de préserver la fraîcheur du produit. Il peut être incorporé dans des mélanges secs comme les mélanges à crêpes, à gaufres ou à biscuits. La poudre de babeurre peut aussi être incluse dans la chapelure ou la pâte à frire, en contribuant au brunissement voulu pendant la cuisson, ou dans l’enrobage de grignotines pour donner la saveur de lait (milkingredients.ca). En plus, les isolats de MGGL obtenus par microfiltration de babeurre peuvent être utilisés pour améliorer la dispersion de la matière grasse et retarder ainsi le rancissement du pain (Zanabria Eyzaguirre et al., 2011). Enfin, dans la confection du chocolat, la poudre de babeurre permet de réduire la viscosité et de prévenir la cristallisation (Zanabria Eyzaguirre et al., 2011). Dans l’industrie laitière, le babeurre est ajouté dans la crème glacée comme source de solides non-gras du lait ainsi que pour faciliter la stabilisation de l’interface huile-eau et air-eau dans les mélanges et les mousses (milkingredients.ca). Enfin, la poudre de babeurre peut être utilisée dans le fromage fondu en tranches ou à tartiner pour augmenter sa viscosité et en améliorer sa structure (milkingredients.ca).
Dans la littérature scientifique, les propriétés fonctionnelles intéressantes ainsi que de nouvelles applications du babeurre et des fractions de la MGGL font l’objet de recherches scientifiques depuis les années 70.
Law et al. (1973) ont étudié l’effet sur la saveur et la lipolyse de l’ajout de fractions de MGGL dans des fromages. Ces auteurs ont démontré que les composants de la MGGL préviennent la saveur rance sans affecter négativement la saveur du fromage. La poudre de babeurre a aussi été utilisée pour améliorer la texture des fromages allégés de type cheddar et mozzarella, exploitant la capacité de rétention d’eau des phospholipides (Mistry et al., 1996; Poduval et al., 1999). Cela a permis d’obtenir des produits présentant des caractéristiques similaires ou parfois améliorées par rapport à celles du produit original. Une autre propriété intéressante observée dans les fromages enrichis de babeurre est celle du rendement accru dû à la capacité de rétention d’eau des phospholipides et des protéines dénaturées du lactosérum (Mistry et al., 1996; Turcot et al., 2001).
L'ajout de jus de fruits au babeurre reflète un exemple de valorisation du babeurre et de développement d’un nouveau produit (Farah et al., 1981; Shukla et al., 2004). Ce mélange permet de combiner les composantes protéiques et minérales apportées par le babeurre aux vitamines des fruits.
Par ailleurs, Wong et al. (2003) ont démontré l’activité antioxydante des solides du babeurre qui permettrait donc de prévenir l’oxydation des lipides dans les produits alimentaires. Enfin, une autre propriété unique du babeurre est sa capacité d’augmenter la stabilité à la chaleur des poudres reconstituées de lait et de lactosérum (Zanabria Eyzaguirre et al., 2011). Toutes ces caractéristiques techno-fonctionnelles, attribuables à l’effet synergique des protéines du lait et des composantes spécifiques du babeurre, élargissent la gamme d’application d’ingrédients à base de babeurre dans l’industrie alimentaire.
1.7 Le babeurre dans les produits laitiers fermentés
Le babeurre et les fractions de la MGGL, grâce à leurs propriétés technologiques et nutritionnelles, font l’objet de plus en plus d’études scientifiques sur l’amélioration des qualités organoleptiques, rhéologiques des différents produits laitiers fermentés.
Ces recherches seront traitées en deux paragraphes distincts selon que le babeurre est utilisé en mélange avec du lait ou comme ingrédient principal dans les produits laitiers fermentés.
Les produits laitiers fermentés enrichis de babeurre
Pour répondre à la demande croissante des consommateurs pour des produits laitiers fermentés allégés ou sans gras, plusieurs efforts ont été déployés de la part des scientifiques pour améliorer la qualité organoleptique de ces de ces produits qui est considérée inférieure à celle des mêmes produits à contenu régulier en matière grasse.
Utilisé en différentes proportions, certains auteurs (Guilherme de Bassi et al., 2012; Le et al., 2011; Romeih et al., 2014; Trachoo et al., 1998) ont étudié l’impact du babeurre ou du concentré de fractions de MGGL, sur les qualités physico-chimiques, microbiologiques et structurelles (texture et rétention d’eau) de yogourts allégés ou sans gras. Par ailleurs, Kosikowski (1979) a utilisé le babeurre pour améliorer la texture, la synérèse et le goût d’une formulation de yogourt faible en lactose. Les résultats obtenus par ces études montrent que l’enrichissement d’un mélange à yogourt par le babeurre ou des fractions de MGGL, peut avoir un impact positif sur la texture, sur la capacité de rétention d’eau et sur la diminution
du phénomène de synérèse du yogourt. En effet, le babeurre et ses protéines permettent d’obtenir un maillage très dense entre les protéines et les minéraux. Cela se traduit par une augmentation de la fermeté du gel du yogourt et par une diminution de la synérèse, propriétés similaires à celles observées pour le yogourt contrôle de lait entier (Romeih et al., 2014). En plus, le sérum peut se lier aux lipides polaires de la MGGL. Cela diminue la quantité de sérum libre présent dans les mailles du gel, phénomène qui contribue à la diminution du volume des pores de sérum dans la microstructure du gel (Le et al., 2011). Cette même microstructure du gel devient aussi plus dense en raison de la forte interaction entre les fractions de MGGL et les caséines (Romeih et al., 2014). Tous ces phénomènes contribuent donc à diminuer la surface hydrophobe et à augmenter la capacité à lier l’eau du gel, permettant d’en améliorer la texture et la viscosité (Trachoo et al., 1998).
Les résultats de l’observation de la cinétique d’acidification de la fermentation, ont montré que le babeurre peut réduire le temps de fermentation et cela proportionnellement à l’augmentation de sa concentration (Le et al., 2011; Romeih et al., 2014). Toutefois, selon d’autres études (Guilherme de Bassi et al., 2012; Kosikowski, 1979; Trachoo et al., 1998), le babeurre n’a démontré aucun impact sur la vitesse d’acidification.
L’analyse sensorielle de ces yogourts a conduit à des résultats parfois comparables entre les différentes études (Deka et al., 1988; Kosikowski, 1979; Romeih et al., 2014; Trachoo et al., 1998). Un yogourt faible en gras et enrichi de babeurre en poudre a présenté de meilleures qualités organoleptiques, en plus d’avoir été jugé similaire au yogourt de lait entier (Romeih
et al., 2014). Cependant, la variation de la concentration de babeurre dans les mélanges à
yogourt n’a eu aucun impact significatif sur les qualités organoleptiques. Ces résultats sont en accord avec ceux obtenus par Deka et al. (1988) et Trachoo et al. (1998), avec du yogourt fortifié par du babeurre concentré par ultrafiltration. Ce dernier était insatisfaisant au niveau organoleptique, mais il a obtenu le meilleur résultat pour son aspect. Ces résultats sont probablement la conséquence de la forte concentration en protéines dans le babeurre ultrafiltré, ce qui se traduit en un yogourt de texture ferme, mais qui s’éloigne de son goût typique (Trachoo et al., 1998). Toutefois, l’ajout de 1% de babeurre en poudre dans le mélange à yogourt à faible teneur en lactose (Kosikowski, 1979) a permis d’augmenter cette saveur caractéristique du yogourt.
Enfin, aucun impact sur les qualités organoleptiques des yogourts fortifiés avec du babeurre en poudre n’a été observé par l’étude de Guilherme de Bassi et al. (2012).
Les produits à base de babeurre
À cause de ses propriétés technologiques et nutritionnelles à la fois uniques et spécifiques, le babeurre a aussi fait l’objet d’études scientifiques en tant qu’ingrédient principal dans la fabrication de laits fermentés allégés et à valeur nutritionnelle ajoutée. En effet, le babeurre ayant une composition similaire au lait écrémé, à l'exception de la présence de fractions de MGGL, est donc un milieu approprié à la fermentation.
Différents produits laitiers fermentés ont été développés : des yogourts (Builova et al., 1983; Guler et al., 1996; Rajasekaran et al., 1989), du kéfir (Ersoy et al., 2003), de la crème sure (Ozhgikhina et al., 1980) et des boissons probiotiques (Burns et al., 2010; Kashcheeva et al., 2010).
Le babeurre a été utilisé pur, mélangé avec du lait écrémé (Builova et al., 1983; Ersoy et al., 2003; Guler et al., 1996; Kashcheeva et al., 2010; Rajasekaran et al., 1989), mélangé avec de la purée de soya (Rajasekaran et al., 1989), ou pur mais concentré par ultrafiltration (Ozhgikhina et al., 1980). Les différents auteurs ont évalué l’impact de la concentration en solides totaux (ST) du babeurre sur les qualités organoleptiques des produits fermentés. Cependant, les qualités physico-chimiques, microbiologiques et structurelles des yogourts ne peuvent être présentées en totalité, soit parce que les analyses n’ont pas été réalisées par les auteurs, soit du fait que seul le résumé de l’étude était disponible en langue anglaise. Dans l’étude de Rajasekaran et al. (1989), le yogourt qui ne contient que du babeurre (13% de ST), obtient la meilleure évaluation organoleptique. Toutefois, les résultats obtenus par Guler et al. (1996) et Builova et al. (1983) indiquent que le babeurre a un impact neutre sur les qualités organoleptiques ou négatif quand sa concentration dépasse un certain seuil, 2% de babeurre ou 15% en ST, respectivement.
Pour le kéfir, les meilleures qualités organoleptiques ont été obtenues pour les formulations de babeurre en mélange avec le lait écrémé(Ersoy et al., 2003), alors que le babeurre concentré par ultrafiltration, utilisé pour la fabrication de crème sûre avec une teneur en ST
de 14% et 18%, a obtenu des résultats d’évaluation sensorielle similaires à ceux du produit original à base de lait (Ozhgikhina et al., 1980).
Enfin, l’utilisation du babeurre en tant que véhicule de probiotiques, a été étudiée par un groupe de chercheurs argentins (Burns et al., 2010) qui a démontré que le babeurre, concentré et séché par atomisation, peut être un substrat idéal pour la croissance d’une souche probiotique très protéolytique (Lactobacillus helveticus). L’aptitude du babeurre en tant que véhicule de probiotiques a aussi été évaluée par d’autres auteurs (Antunes et al., 2012; Antunes et al., 2007; Antunes et al., 2009; Rodas et al., 2002). Par contre, le babeurre utilisé était le babeurre de culture et non le babeurre traditionnel.
Les multiples utilisations des différentes sources de babeurre (frais, séché, concentré, ultrafiltré) ainsi que les isolats de MGGL ont démontré un impact positif sur certaines qualités des produits alimentaires. Cependant, certains résultats sont contradictoires, en particulier, ceux obtenus par l’évaluation sensorielle des différentes variétés de produits laitiers fermentés. Dans certains cas, une concentration élevée de babeurre a un impact négatif sur les qualités fonctionnelles et/ou sensorielles des produits finis, alors que, dans d’autres produits, l’effet du babeurre pur contribue positivement à l’acceptation organoleptique générale de l’aliment.
L’inconsistance de ces résultats est probablement due aux différents traitements appliqués et à la variabilité des sources de babeurre. Le sujet nécessite donc des recherches scientifiques approfondies afin de pouvoir éclaircir cette divergence et mieux comprendre les facteurs responsables de cette variabilité.
Le babeurre, grâce à sa riche composition nutritionnelle associée aux propriétés technologiques des résidus de la MGGL, offre donc un grand potentiel en tant qu’ingrédient principal dans le développement d’aliments fonctionnels innovants. Par contre, malgré le fort potentiel de ce produit, aucun lait fermenté à base de babeurre n’est disponible sur le marché et seulement un nombre limité d’études scientifiques a été publié sur l’utilisation du babeurre comme ingrédient principal.
Hypothèse et objectifs
Hypothèse : La fermentation du babeurre permet d’obtenir un produit laitier fermenté de type yogourt ferme aux propriétés organoleptiques comparables à celles du yogourt de de lait écrémé.
L’objectif général de ce travail est la fabrication d’un nouveau produit laitier fermenté à base de babeurre dans le but de répondre à la demande des consommateurs pour des aliments fonctionnels et nouveaux.
Les objectifs spécifiques sont:
1. Développer un lait fermenté de type yogourt à base de babeurre.
1.1. Identifier la culture de bactéries lactiques présentant la meilleure aptitude à fermenter le babeurre.
1.2. Sélectionner les meilleures sources de babeurre.
2. Évaluer les propriétés physico-chimiques, organoleptiques et rhéologiques des laits fermentés de type yogourt à base de babeurre.
Chapitre 2- Physiochemical, microbiological and sensorial evaluation
of sweet buttermilk set-style yogurt
2.1 Résumé
Le babeurre présente une composition similaire au lait écrémé, mais il se différencie par sa richesse en phospholipides qui lui confère des propriétés technologiques et santé démontrées. Cependant, aucun produit fermenté fabriqué exclusivement à partir de babeurre n’est disponible sur le marché. L’objectif de ce projet était de développer et caractériser les propriétés microbiologiques, physico-chimiques et sensorielles de laits fermentés de type yogourt ferme à base de babeurre. Des yogourts ont été fabriqués à partir de babeurre frais, de babeurre en poudre et de poudre de lait écrémé, en utilisant cinq ferments commerciaux. Les résultats ont montré que les courbes d’acidification et la composition des laits fermentés à base de babeurre sont comparables aux yogourts à base de lait écrémé (témoin) et que tous les produits sont conformes aux normes microbiologiques et de qualité nutritionnelle établies par l’organisme Canadian responsable de la salubrité des aliments (Santé Canada). De plus, les yogourts à base de babeurre ont un taux de synérèse significativement plus faible que les yogourts témoins. L’analyse sensorielle de ces nouveaux produits a montré une appréciation globale positive au moins équivalente aux yogourts témoins.
2.2 Abstract
Buttermilk has a similar composition to skim milk, but it is distinguished by its richness in phospholipids, which gives it some demonstrated functional and health properties. However, no fermented product exclusively made from buttermilk is available on the market. The objective of this project was to develop and characterize the properties of set-style buttermilk yogurt. Yogurts have been made from fresh buttermilk, buttermilk powder and skim milk powder, using five commercial starter cultures. The acidification rate and the various factors that affect the quality of fermented milks such as pH, cell survival, syneresis, texture, aromatic compounds and sensory properties were analyzed. The results showed that the acidification curves and the composition of the buttermilk-based fermented milks are comparable to the fermented skim milk yogurt, and that all the products are compliant with the microbiological and compositional standards established by the Canadian food safety regulation organization (Health Canada). In addition, buttermilk-based yogurts exhibited a significantly lower syneresis level than skim milk yogurts. Sensory analysis of these new products showed a positive overall assessment, at least equivalent to the control yogurts. The products developed are very promising. However, from the textural and sensory point of view, a great variability in the quality of buttermilk powder was observed. Thus, to ensure the final product quality, special attention should be paid to buttermilk storage conditions prior to fermentation.
2.3 Introduction
Buttermilk represents the aqueous phase resulting from the churning of cream during the production of butter. In 2017, the quantity of buttermilk produced in Canada was estimated at about 23 x 103 t (Statistics Canada, 2017). As for skim milk, buttermilk contains all the soluble components of the cream such as milk proteins, lactose and minerals. On the other hand, buttermilk differs from skim milk by its protein and phospholipids content derived from the milk fat globule membrane (MFGM). Indeed, the high shear force of the churning creates a destabilization of the fat globules followed by a fractionation of its membrane. These fractions, dissolved in the aqueous phase during churning, contain specific proteins and unique polar lipids that give to buttermilk advantageous functional and nutritional properties (Conway et al., 2014b).
Buttermilk has many applications in the food industry due to its emulsifying properties as well as its positive impact on flavour and texture. Buttermilk is used mainly in the baking industry, but also in the dairy processing industry (Zanabria Eyzaguirre et al., 2011) . In addition, many studies (Conway et al., 2014b) and reviews (Contarini et al., 2013; Dewettinck et al., 2008) suggested health benefits of the MFGM phospholipids, associated with a wide range of biological activities, including anti-cancer, anti-stress, anti-cholesterol properties (Dewettinck et al., 2008), plasma lipid composition (Conway et al., 2013), as well as blood pressure reduction (Conway et al., 2014a).
During the last two decades, the increasing consumer demand for foods fortified with nutrients beneficial to health, associated with the desire for products with new features has greatly benefited to the fermented dairy products market (Salampessy et al., 2011). Simultaneously, researchers and the dairy industry developed new formulations from ingredients with little value. The availability of a wide range of whey protein concentrates and whey protein isolates with different protein concentrations and functional properties is an example (Chandan, 2011).
The applications of buttermilk in fermented beverages reported in the literature are mainly oriented towards the exploitation of its functional properties. Buttermilk powder or MFGM fractions have been incorporated into various yogurt and fermented milk formulations in order to increase viscosity, resistance to syneresis and to improve gel texture (Guilherme de
Bassi et al., 2012; Le et al., 2011; Trachoo et al., 1998). The use of buttermilk as a vehicle for probiotics in the manufacture of functional beverages has also been studied (Burns et al., 2010).
Due to its nutritional composition and the important functional properties of the MFGM residues, buttermilk has a great potential in the development of innovative functional foods. Indeed, buttermilk may be used to replace partially or completely milk or whey in the formulation of fermented beverages. Even though few scientific studies report the use of buttermilk as a main ingredient in the formulation of a fermented beverage such as yogurt (Builova et al., 1983; Guler et al., 1996), no fermented buttermilk is available on the market.. In addition, no one of these studies has conducted an extended and complete evaluation of the sensory and physico-chemical quality on such a product.
In addition, from an economic point of view, buttermilk is considered as a co-product and is available at lower cost than skim milk. Therefore, the development and the availability of a fermented buttermilk could have a positive economic and health benefits (Corredig et al., 2004).
The objective of this study was to develop and evaluate the physico-chemical, microbiological, rheological and organoleptic properties of a fermented milk product from sweet buttermilk.
2.4 Materials and Methods
Buttermilk and skim milk powder
Three different buttermilk sources were studied, including two commercial sweet buttermilk powders (BP1 and BP2) from two different Canadian producers and liquid buttermilk obtained from butter manufacture. Skim milk powder (SMP) was kindly provided by Agropur (Longueuil, Québec, Canada). Liquid buttermilk was obtained from 80L of sweet cream purchased from Agropur as follows. Before churning, cream was held overnight at 4ºC and then churned to butter using a butter churn (Qualtech, QC, Canada). The recovered buttermilk was first filtered using a colander, then pasteurized at 60ºC for 30 min in a cheese tank (Qualtech, QC, Canada) and finally cooled in an ice bath and stored at 4ºC until use. The fresh buttermilk production was repeated three times.
The gross composition of the buttermilk powders and liquid buttermilk is shown in Table 4.
Starter cultures
Five different freeze-dried or lyophilized commercial yogurt starters were obtained from Dupont (Mississauga, ON, Canada) and from Lyo-san (Lachute, QC, Canada). The S1, S2 and S3 cultures were three different commercial yogurt starters containing different strains of Streptococcus thermophilus and Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus. Two multiple-mixed aromatic cheese and buttermilk cultures (S4 and S5) contained St. thermophilus and a blend of selected strains of mesophilic cultures.
The large starter bags received for S1, S2, S4 and S5 were aseptically aliquoted in small sterile tubes containing the amount recommended by the supplier for the preparation of 2L bulk starter. S3 lyophilised culture was directly inoculated. Starter cultures were stored at -18 ºC until use.
Manufacture of set yogurt-type milks
The day before the fermented milk manufacture, 2L bulk starter were prepared by rehydrating 240 g of BP2 powder in 1760 mL water and adding the appropriate amount of starter. The thermophilic cultures (S1, S2, S3 and S4) were incubated at 42ºC and the mesophilic culture S5 at 35ºC until a pH of 4.7 was reached. The bulk starter cultures were then cooled and stored at 4ºC overnight until use. The same day, 180 g of buttermilk and skim milk powders were rehydrated with 1320 mL of deionized water (12% total solids). After 1 hour stirring with a magnetic bar, the solutions were stored overnight at 4ºC. The liquid buttermilk was pasteurized (88ºC for 30 sec) using a magnetic hot plate stirrer and then cooled in an ice bath and stored at 4ºC overnight until use.
For the manufacture of the set yogurt-type milks, 1500 mL of the rehydrated dairy powders (BP and SMP) and fresh buttermilk were first warmed up to the inoculation temperature and then inoculated with the appropriate amount of starter (2% vol/vol of the previously prepared starters or 7.5 g of direct vat S3 starter). After mixing, the inoculated set yogurt-type milks were distributed in eight pots of 100 mL each and in six 50 mL Falcon tubes. Each container, properly sealed and labelled, was incubated at the appropriate temperature (42ºC or 35ºC) until a pH of 4.6 was reached. The fermented milk products were then cooled using an ice bath and then stored at 4ºC for the required time (21/28 days). The day after the manufacture was considered as day 1 (d1). At d1, two dedicated containers were used for sensory evaluation, three for texture analysis, one for volatile compounds analysis, one for pH and titratable acidity (TA) and one for microbial counts. The Falcon tubes were used to evaluate the syneresis.
Physiochemical analysis
The level of total nitrogen was measured using the Dumas combustion method (LECO instruments Ltd, Mississauga, ON, Canada) and the fat content by the Mojonnier ether extraction method (AOAC, 1992). The pH of the fermented milks during storage (d1, d7, d14, d21) was determined at 4ºC with a calibrated electrode for dairy products (FC200B, Hanna Instruments, Laval, Canada) using a pH benchtop meter (Orion StarTM A214 Thermo Scientific, Ottawa, ON, Canada).
The titratable acidity (TA) was determined using an automated titration system (DL50, Mettler Toledo, Mississauga, ON, Canada) by titration of 10 g of the set yogurt-type milk with 0.1N NaOH until the endpoint pH of 8.4 was reached. The pH/TA labeled fermented milk was used to determine the pH and TA during fermentation as well as during storage. The measurements were performed in duplicate. One dedicated container was used to conduct repeated measurements for pH and TA (d1, d7, d14 and d21).
The five main phospholipid fractions (phosphatidylethanolamine, phosphatidylinositol, phosphatidylcholine, phosphatidylserine and sphingomyelin) were measured after Chloroform/methanol extraction by high-performance liquid chromatography (HPLC) with an evaporative light scattering detector (ELSD) by an external laboratory (Neotron, Modena, Italy).
Fermentation time and acidification rates
The pH values during fermentation were recorded every 60 minutes with a calibrated electrode for dairy products (FC200B, Hanna Instruments, Laval, QC, Canada) using a pH benchtop meter (Orion StarTM A214, Thermo Scientific, Ottawa, ON, Canada), calibrated at the appropriate incubation temperature (35ºC or 42ºC) until the desired pH 4.6 was reached.
The pH profile during fermentation was described by a modified Gompertz equation as reported by De Brabandere et al. (1999):
𝑝𝐻 (𝑡) = 𝑝𝐻0+ (𝑝𝐻∞− 𝑝𝐻0) exp {
𝜇𝑒 𝑝𝐻∞− 𝑝𝐻0
(𝜆 − 𝑡) + 1}
where pH0 = initial pH, pH∞ = end point pH, µ (min-1) = maximal rate of pH decrease and ʎ
(min) = the lag phase for pH decrease.
Textural and syneresis analysis
Firmness and adhesiveness were measured at day 1 using a compression texture profile analyzer TA.XT2 (Texture Technologies corp., Hamilton, MA, USA) connected to a computer running the Stable Micro System (Stable Micro Systems Limited, Surrey, UK equipped with 5 Kg load cell). Yogurts were analyzed in their containers. The two textural parameters were measured in triplicate using a cylinder geometry probe of 12.5 mm. The firmness was determined by penetrating the probe vertically for 20 mm into the product with a speed of 60 mm min-1 (Saffon et al., 2013). The maximum force exerted on the sample
expressed in Newton (N) was recorded to express the firmness.
The adhesiveness of yogurts and fermented milks was measured by withdrawing the probe from the product with a force of 0.01 N. The negative force measured (total negative area) during the withdrawal corresponded to the adhesiveness (N/s).
The syneresis was measured by centrifuging buttermilks and skim milk fermented in Falcon tubes at 220 x g for 10 min at 4ºC (Saffon et al., 2013). The separated serum (Ws) and yogurts (Wy) were weighted and the syneresis was expressed as the percent weight of the separated liquid over the initial weight of gel:
Syneresis (%) = (Ws)(100)
𝑊𝑦
Microbiological analysis
Serial dilutions of yogurt samples (1 mL) were prepared in 99 ml of sterile peptone water (0.1%). Then, 100 μL of the appropriate dilution was plated on MRSand M17 (10% lactose w/v) agar (Oxoid, Ontario, Canada) for the enumeration of Lb. delbrueckii ssp. bulgaricus and St. thermophilus, respectively (Duncan et al., 2004). The M17 and MRS inoculated plates were respectively incubated aerobically and anaerobically for 72 hours at 42ºC or 35ºC, depending on which starter the fermented milk contained. The counts were performed in duplicate and the results were expressed in colony-forming units per milliliter (cfu/mL). The viability of Lb. delbrueckii ssp. bulgaricus and St. thermophilus were evaluated in duplicate at d1, d7, d14 and 28 days at 4ºC.
The absence of coliforms was verified by plating a 1:10 sample dilution on a 3M™ Petrifilm™ (3M, London, ON, Canada) count plate.
Aromatic compounds analysis
The volatile compounds (acetaldehyde, diacetyl and acetoin), were analyzed by headspace gas chromatography (HS-GC) as described by Lacroix et al. (2010) with some minor modifications. Three g of each yogurt sample were weighted into a 20 mL headspace vial (Agilent Technologies, Mississauga, ON, Canada) containing 5 g of ammonium sulfate. As internal standard, 3μL of a 1:1000 1-Propanol dilution (Sigma Aldrich, ON, Canada) were added. Vials were sealed with a 20-mm aluminum crimp cap (Agilent Technologies, Mississauga, ON, Canada), gently vortexed and kept at -20ºC until use. The volatile compounds were separated on a DB-WAX GC column (60 m x 0.25 mm x 0.25 μm; Agilent Technologies, Mississauga, ON, Canada) with a GC/MS (GC MS 5973 Network Mass Selective Detector; Agilent Technologies, Mississauga, ON, Canada) connected to a headspace device (G1888 Network Headspace sampler; Agilent Technologies, Mississauga, ON, Canada). Chromatographic conditions were as follows: injector temperature 225ºC, oven temperature was held at 35ºC for 4 min and then increased to 200ºC at a rate of 6ºC/min
