ARTICLE ORIGINAL ORIGINAL PAPER
Caractérisation et lyophilisation de matrices fromagères
C. Béal
1*, F. Fonseca
2, A. Thomas
3, M. Marin
1SUMMARY
Characterization and freeze-drying of cheese fractions
This study aimed to characterise seven cheese fractions, in order to allow their freezing and freeze-drying as a mean to preserve their microbial population for a long time. It is included in a larger research project, intending the preservation of the biodiversity of cheese microbial ecosystems. The lactose, galactose, lactic acid, calcium, sodium chloride and total nitrogen concentrations, as well as the dry matter and the fat content were determined. The physico-chemical characteristics of pH, water activity and water content, and the thermal properties of crystallisation, melting and glass transition tem- peratures were evaluated. A statistical analysis showed good correlation between the thermal properties and the composition and the physico-chemical characteristics. The cheese fractions were classified according to their glass transition and melting tempera- tures. Natural liquid starters were characterised by high melting and phase transition temperatures and a low dry matter. Fresh cheese curds were distinguished by a high lactic acid concentration, a low phase transition temperature and a high melting tem- perature. The salted curds showed similar characteristics but lower carbohydrates con- tent and higher NaCl concentration. Finally, the cheese rinds were identified by low melting and phase transition temperatures and a high dry matter. According to these properties, the liquid starters were suitable for freezing at – 80°C, whereas the curds and the rinds should be frozen at – 196°C. The freeze-drying of the cheese fractions was done successfully. The freeze-dried starters should be stored at 4°C whereas the storage temperature of the cheese curds and rinds should not excess – 20°C.
Keywords
cheese, freezing, freeze-drying, glass transition temperature, melting temperature.
RÉSUMÉ
Ce travail vise la caractérisation de sept matrices fromagères en vue de leur congéla- tion et de leur lyophilisation. Il s’inscrit dans un objectif plus large de préservation de la biodiversité des écosystèmes microbiens complexes des fromages. Une analyse
1. Institut National Agronomique Paris-Grignon – UMR génie et microbiologie des procédés alimentaires – F-78850 Thiverval-Grignon – France.
2. Institut National de la Recherche Agronomique – UMR Génie et Microbiologie des Procédés Alimentaires – F-78850 Thiverval-Grignon – France.
3. Institut Technique Français des Fromages – 419, route des champs laitiers – BP 30 – F-74 801 La-Roche- sur-Foron – France.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit
statistique montre que les propriétés thermiques sont bien corrélées aux propriétés physicochimiques et à la composition des matrices et qu’il est possible de les classer en fonction de leur température de transition vitreuse et de leur température de fusion commençante. Ainsi les levains dits naturels se caractérisent par des températures de transition vitreuse et de fusion commençante élevées et par une faible teneur en matière sèche. Les caillés se distinguent par une forte concentration en acide lacti- que, une faible température de transition vitreuse et une température de fusion éle- vée. Enfin, les croûtes se différencient des autres matrices par de faibles valeurs de températures de fusion et de transition vitreuse et une teneur élevée en matière sèche. Sur la base de ces propriétés, seuls les levains naturels peuvent être congelés correctement à – 80 °C, tandis que les caillés et les croûtes doivent être stockés à – 196 °C. La lyophilisation des matrices a été réalisée avec succès. Les lyophilisats obtenus à partir des levains naturels peuvent être conservés à 4 °C sur une longue durée, tandis que les caillés et les croûtes devront être stockés à – 20 °C.
Mots clés
fromage, congélation, lyophilisation, température de transition vitreuse, température de fusion.
Abréviations
ITFF : Institut technique français des fromages ; INRA : Institut national de la recher- che agronomique ; AED : analyse enthalpique différentielle ; ACP : analyse en composan- tes principales.
1 – INTRODUCTION
Les fromages au lait cru sont des bioréacteurs naturels et constituent le biotope d’un écosystème microbien complexe où se développent et interagissent flores utiles, flores d’altération et parfois, flores potentiellement pathogènes. Préserver cette richesse micro- bienne constitue un enjeu important, notamment pour sauvegarder la diversité des froma- ges et éviter un appauvrissement progressif des écosystèmes. La voie classique pour conserver les microorganismes est leur isolement à partir de milieux de dénombrement. La lourdeur et le coût de cette approche limitent la capacité à sauvegarder massivement des écosystèmes microbiens fromagers, notamment sur les lieux de production des fromages fermiers et au lait cru. Ce travail s’inscrit dans un projet visant à conserver ces écosystè- mes directement dans la matrice fromagère d’origine, donc sans isolement préalable.
La préservation de cette richesse microbienne nécessite, au préalable, de stabiliser correc- tement ces matrices. Cependant, ces milieux présentent des caractéristiques variables selon leur origine et le degré d’avancement du procédé de transformation fromagère : le lait est sous forme liquide en début de fabrication (lait cru ou ensemencé) ; le gel obtenu ensuite par coagulation subit une séparation du caillé et du lactosérum ; le caillé est alors salé et affiné pour finalement devenir un fromage, avec un cœur et une croûte. Il importe donc de s’intéresser aux différentes formes de matrices fromagères (levains naturels, caillés et croûtes) car leur composi- tion microbienne évolue aussi au fur et à mesure de l’avancement de la transformation froma- gère, ce qui se traduit par des équilibres microbiens variables (LECLERCQ-PERLAT et al., 2004).
La stabilisation de ces différentes matrices en vue de leur conservation sur une longue durée peut être effectuée par congélation ou lyophilisation. Ces deux méthodes sont en effet couramment employées, d’une part pour la conservation des souches en laboratoire (MIYAMOTO-SHINOHARA et al., 2000), et d’autre part pour préserver les ferments lactiques concentrés produits industriellement (BÉAL et CORRIEU, 1994 ; BÉAL et al., 2003). Cette stabilisation implique une bonne connaissance préalable de la composition et des caracté- ristiques physicochimiques et thermiques des matrices. Dans la littérature, des informa- tions sont disponibles en terme de composition des matrices fromagères : teneurs en matière sèche et en matière grasse, concentrations en sucres et en acides organiques,
teneurs en NaCl et en calcium (CHOISY et al., 2000 ; FOX et al., 2000). Certaines caractéris- tiques physicochimiques (pH, aw, humidité relative) sont également établies (CHOISY et al., 2000 ; SCHLESSER et al., 1992). En revanche, les caractéristiques thermiques de ces pro- duits sont encore méconnues. Il s’agit notamment des températures de cristallisation commençante et de fusion commençante, qui renseignent respectivement, sur les tempé- ratures auxquelles l’eau cristallise ou fond dans le produit (SIMATOS et al., 1994). La tem- pérature de transition vitreuse est le troisième indicateur thermique intéressant, car il détermine la température en dessous de laquelle le produit se trouve sous une forme vitri- fiée, c’est-à-dire sous la forme d’un gel très visqueux, non cristallisé. Le maintien d’une température de stockage à une valeur suffisamment inférieure à la température de transi- tion vitreuse, est nécessaire pour permettre une bonne conservation du produit (LEVINE et SLADE, 1990). En conséquence, la connaissance de ces caractéristiques thermiques ren- seigne sur l’aptitude d’un produit à être stabilisé, soit à l’état congelé, soit à l’état lyophi- lisé (LEVINE et SLADE, 1990).
L’objectif de ce travail est de caractériser sept matrices fromagères, en terme de composition et de caractéristiques physicochimiques et thermiques. Les informations obtenues seront utilisées en vue de définir des conditions adéquates de congélation, de lyophilisation et de stockage de ces produits.
2 – MATÉRIELS ET MÉTHODES
2.1 Matrices fromagères
Sept matrices fromagères ont été retenues dans cette étude (tableau 1). Elles sont issues de deux zones géographiques différentes (Haute-Savoie et Cantal) et de quatre fro- mages distincts et correspondent à des prélèvements réalisés à trois stades différents de la fabrication. Deux levains naturels sont issus de fabrications de fromages Abondance. Le levain naturel RILL est constitué de lactosérum, obtenu après découpage du caillé et incuba- tion à 42 °C pendant 8 à 12 heures. Le levain naturel RILR ou présure naturelle est une pré- paration traditionnelle obtenue par incubation pendant 8 à 12 heures à 42 °C d’une recuite, c’est-à-dire de lactosérum déprotéiné par chauffage et acidification, puis additionné de caillette de veau et ensemencé avec la préparation de la veille (CHAMBA et PROST, 1989).
Les caillés sont prélevés après l’étape d’égouttage, soit avant (caillés de Cantal RACA et de Reblochon RICA) ou soit après (caillé de Reblochon RICS) l’étape de salage. Les croûtes sont obtenues après affinage en cave de deux types de fromages, l’Abondance (RIAF) et le Saint-Nectaire (RACR).
Les matrices sont broyées (broyeur ménager) à 4 °C, selon 4 cycles composés d’un broyage de 15 s suivi de 30 s de repos à 4 °C. Elles sont conservées à – 80 °C.
Tableau 1
Matrices fromagères caractérisées au cours de l’étude.
Table 1
Origin of the cheese matrix characterized in the study.
Fromage d’origine Stade de fabrication Fournisseur Code Abondance Levain naturel ITFF La-Roche-sur-Foron RILL
Abondance Levain naturel ITFF La-Roche-sur-Foron RILR
Cantal Caillé avant salage INRA Aurillac RACA
Reblochon Caillé avant salage ITFF La-Roche-sur-Foron RICA Reblochon Caillé après salage ITFF La-Roche-sur-Foron RICS Abondance Croûte en fin affinage ITFF La-Roche-sur-Foron RIAF
Saint-Nectaire Croûte INRA Aurillac RACR
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2.2 Composition des matrices
La composition en sucres et en acides organiques des sept matrices fromagères est déterminée par chromatographie liquide haute performance. Les matrices broyées sont diluées deux fois dans de l’acide trichloracétique 240 g.L-1, afin de précipiter les protéines, puis centrifugées à 14 000 g pendant 30 min. Les surnageants sont filtrés (0,22 µm) et addi- tionnés d’acide propionique 5 g.L-1, utilisé comme étalon interne.
Un volume de 20 µL d’échantillon est injecté (injecteur automatique Waters 717 plus, Millipore, Molsheim, France) sur une colonne échangeuse de cations Aminex HPX-87 H (30 cm × 7,8 mm, BioRad, Richmond, CA, USA). La colonne est maintenue à 35 °C durant l’analyse et la phase mobile (H2SO4 0,005M) circule à un débit de 0,6 mL.min-1 (pompe Waters 150, Millipore). Les composés sont détectés par réfractométrie (réfractomètre Waters 410, Millipore) et les résultats enregistrés et traités par le logiciel Millenium (Waters version 3.0, Millipore). Les composés sont identifiés par leur temps de rétention et les concentrations sont directement calculées à partir de l’étalon interne et d’une solu- tion de référence. Les résultats correspondent à la moyenne de deux déterminations ; ils sont exprimés en g.Kg-1.
La teneur en matière sèche des matrices (MS, en %) est évaluée par pesée, avant et après séchage en étuve à 80 °C pendant 72 heures.
La teneur en matière grasse (MG, en %) est déterminée par la méthode acido-butyro- métrique selon la norme NF V 04-210 (Méthode dite de Gerber NF V 04-367) pour les échantillons de lactosérum et recuite, ou selon la norme NF V 04-287 partie B (Méthode de Heiss NF V 04-282) pour les caillés et les croûtes.
Le dosage des chlorures (NaCl, en g.kg-1) est réalisé à l’aide d’un chlorumètre (Corning 926, Schiphol-Rijk, Pays-Bas). La méthode proposée par le constructeur consiste à comple- xer les ions chlorures par de l’argent et à doser les ions Ag+ résiduels.
La teneur en calcium (Ca, en g.kg-1) est obtenue par complexométrie, selon la méthode de PEARCE (1977).
La teneur en azote total (NTK, en g.kg-1) est déterminée par la méthode KJELDHAL FIL 20B (LYNCH et al., 1998).
2.3 Caractéristiques physicochimiques
Trois caractéristiques physicochimiques sont déterminées pour chacune des sept matrices : l’activité de l’eau (aw), le pH et la teneur en eau (TE). Les résultats représentent la moyenne d’au moins deux mesures.
L’activité de l’eau des matrices est déterminée à l’aide d’un aw-mètre FA-st/1 (Food Analysis Science and Technology, GBX Scientific Instruments, Romans sur Isère, France).
Les mesures sont réalisées en mode cinétique, et les résultats représentent la moyenne d’au moins 20 mesures, réalisées lorsque la stabilité est atteinte (FONSECA et al., 2001).
La teneur en eau des matrices (TE, en g d’eau par g de produit) est mesurée par la méthode de titration Karl Fisher à l’aide d’un appareil Metrohom KF 756 (Herisau, Suisse).
Un échantillon de 20 mg de produit est mélangé avec 2 mL de méthanol déshydraté puis titré avec le réactif de Riedel-deHaen jusqu’au point final.
2.4 Propriétés thermiques
L’analyse enthalpique différentielle (AED) est utilisée pour déterminer les propriétés thermiques des matrices. Son principe consiste à mesurer le flux de chaleur différentiel, nécessaire pour maintenir l’échantillon et une référence inerte à la même température, en fonction du temps et de la température moyenne de l’échantillon et de la référence. Cha- que essai conduit à l’obtention d’un thermogramme, représentant l’évolution du flux de chaleur en fonction de la température. Ce thermogramme permet de déterminer trois pro- priétés thermiques : les températures de fusion commençante, de cristallisation commen- çante et de transition vitreuse.
Dans cette étude, les mesures calorimétriques sont réalisées avec un calorimètre dif- férentiel à balayage Pyris 1 (Perkin Elmer LLC, Norwalk, CT, USA), refroidi à l’azote liquide (Cryofill, Perkin Elmer), piloté par le logiciel Pyris (version 3.2 pour Windows®, Per-
kin Elmer), sur un échantillon de 15 mg, placé dans un creuset en aluminium de 50 µL serti (FONSECA et al., 2001). Chaque essai est au moins doublé. Le programme thermique de l’AED est caractérisé par une succession de phases de refroidissement et réchauffe- ment à une vitesse de 10 °C.min-1, entre – 120 °C et 25 °C pour les produits hydratés et entre – 40 °C et 180 °C pour les produits lyophilisés. Les résultats représentent la moyenne d’au moins deux mesures.
La figure 1 présente un thermogramme type et permet d’observer trois phénomènes.
Des variations d’enthalpie, caractéristiques des changements d’état, se traduisent par un pic endothermique de fusion et un pic exothermique de cristallisation. Une variation d’enthalpie de plus faible amplitude, correspond à la transition vitreuse (passage de l’échantillon d’un état vitreux à un état viscoélastique lors du réchauffement). Ces variations de température sont associées à des variations de chaleur spécifique. La température de fusion commen- çante (Tf, en °C) est calculée comme l’intersection de la pente du pic de fusion avec la ligne de base. La température de cristallisation commençante (Tc, °C) est calculée selon le même principe. La transition vitreuse se traduit par un épaulement caractérisé par sa température et la variation de chaleur spécifique associée (∆Cp, en J.g-1.°C-1). La température de transi- tion vitreuse (Tg pour les produits très hydratés et Tg’ pour les produits lyophilisés, en °C) est déterminée lorsque la valeur de ∆Cp est supérieure à 0,03 J.g-1.°C-1. Elle est calculée pour une variation de 50 % de la chaleur spécifique.
2.5 Analyses statistiques
Une analyse en composantes principales (ACP) est effectuée sur la matrice de corré- lation des propriétés discriminantes, déterminées à partir des résultats précédents sur les sept matrices étudiées. L’analyse est effectuée à l’aide du logiciel StatBoxPro (Grimmer- soft, Paris).
Le tableau 2 résume les 14 propriétés déterminées pour chaque matrice fromagère dans cette étude et les abréviations correspondantes.
– 500 – 400 – 300 – 200 – 100 100 200
– 80 – 60 – 40 – 20 0 20
Température (°C) Transition vitreuse Fusion
Cristallisation 0
Flux de chaleur (mW)
Fusion 2
1
Figure 1
Phénomènes biologiques observés lors d’une AED d’une solution binaire.
Les grandes flèches indiquent le sens de variation de la température : 1 : phase de refroidissement (10 °C.min-1).
2 : phase de réchauffement (10 °C.min-1).
Biological phenomena observed during the differential scanning analysis of a binary solution.
The large arrows show the way of the temperature variation.
1: cooling phase (10° C.min-1).
2: heating phase (10° C.min-1).
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Tableau 2
Propriétés déterminées pour chaque matrice fromagère au cours de l’étude.
Table 2
Properties determined for each cheese matrix during the study.
2.6 Lyophilisation des matrices
La lyophilisation est une opération de déshydratation à basse température qui con- siste à éliminer par sublimation, la majeure partie de l’eau contenue dans le produit. Elle autorise une conservation à long terme grâce à l’abaissement de l’activité de l’eau du produit (MARIN et RENÉ, 2000).
Dans cette étude, les échantillons sont congelés au préalable dans une armoire à con- vection d’air à – 80 °C. Les matrices sont ensuite déshydratées dans un lyophilisateur pilote SMH15 (Usifroid, Maurepas, France), modifié et instrumenté par le laboratoire (INRA, Thi- verval-Grignon, France). Un cycle doux (BÉAL et al., 2003) est appliqué avec une phase de dessiccation primaire à – 10 °C et 15 Pa pendant 24 heures, suivie d’une phase de dessic- cation secondaire à 25 °C et 10 Pa pendant 10 heures. À leur sortie, les échantillons sont conditionnés sous vide dans un emballage multicouche (étanche aux gaz, à l’eau et à la lumière), puis stockés à – 20 °C avant analyse.
3 – RÉSULTATS ET DISCUSSION
3.1 Composition des matrices
Les figures 2A, 2B et 2C présentent les caractéristiques de composition des sept matrices étudiées. Selon la figure 2A, seuls les échantillons de levains naturels RILL et RILR contiennent des concentrations significatives en lactose (supérieures à 25 g.kg-1).
Les autres matrices ne renferment pas de sucres résiduels, excepté le caillé reblochon non salé RICA qui contient 10 g.kg-1 de galactose résiduel. Les concentrations en acide lactique sont comprises entre 5 et 12 g.kg-1 pour les levains naturels et les caillés, mais elles sont nulles pour les matrices issues de croûtes fromagères.
Propriété Unité Méthode de détermination Abréviation
Concentration en lactose g.kg-1 HPLC Lac
Concentration en galactose g.kg-1 HPLC Gal
Concentration en acide lactique g.kg-1 HPLC AL
Teneur en matière sèche % Pesée différentielle MS
Teneur en matière grasse % Acido-butyrométrie MG
Concentration en NaCl g.kg-1 Chlorumétrie NaCl
Concentration en calcium g.kg-1 Complexométrie Ca
Teneur en azote total g.kg-1 Kjeldhal NTK
Activité de l’eau Aw-mètre aw
pH pH-mètre pH
Teneur en eau g.g-1 Karl Fisher TE
Température de fusion commençante °C AED Tf
Température de cristallisation commençante
°C AED Tc
Température de transition vitreuse des échantillons hydratés
°C AED Tg
Température de transition vitreuse des échantillons lyophilisés
°C AED Tg’
La figure 2B permet de classer les matrices selon des teneurs croissantes en azote total (NTK), en matière sèche (MS) et en matières grasses (MG). Ainsi, les levains naturels RILL et RILR montrent de faibles concentrations pour ces trois caractéristiques, tandis que les croûtes présentent les valeurs les plus élevées. Il est intéressant de noter que ces trois propriétés évoluent dans le même sens et sont bien corrélées.
Selon la figure 2C, les teneurs en calcium (Ca) et en chlorure de sodium (NaCl) diffè- rent selon les matrices considérées. La concentration en calcium des levains naturels est de l’ordre de 0,6 g.kg-1, elle atteint 6 g.kg-1 dans les caillés et 15 g.kg-1 dans les croûtes, ce qui résulte de la migration et de la précipitation du phosphate de calcium en surface.
La concentration en chlorure de sodium est élevée dans les levains étudiés, le caillé après saumurage (RICS) et les croûtes, mais elle est très faible dans les caillés non salés (RICA et RACA).
L’ensemble de ces résultats est en accord avec les informations généralement décri- tes dans la littérature (ECK et GILLIS, 2000 ; FOX et al., 2000). Les différences observées sont à relier aux différentes origines des produits étudiés.
0 5 10 15 20 25 30
RILL RILR RICA RACA RICS RIAF RACR Matrices
Concentration
Lac (g/L) Gal (g/L) AL (g/L) A
B
0 10 20 30 40 50 60 70 80
RILL RILR RICA RACA RICS RIAF RACR Matrices
Concentration
NTK (g/kg) MG (%) MS (%)
Figure 2
Composition et propriétés physicochimiques des matrices fromagères.
A : Concentrations en lactose (Lac), galactose (Gal) et acide lactique (AL) B : Concentration en azote total (NTK) et teneurs en matière sèche (MS)
et en matières grasses (MG).
Composition and physico-chemical properties of the cheese matrix.
A: Lactose (Lac), galactose (Gal), and lactic acid (AL) concentrations B: Total nitrogen concentration (NTK), dry weight (MS), and fat content (MG).
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3.2 Caractéristiques physicochimiques
La figure 2C montre que le pH augmente au cours de l’affinage. Il passe d’une valeur de 3,2 pour les levains naturels issus d’une acidification lactique, à 5,1 pour les caillés puis à une valeur moyenne de 6,5 pour les croûtes. Cette évolution traduit un phénomène de désacidification au cours de la transformation fromagère (CHOISY et al., 2000).
Selon la figure 2D, la teneur en eau (TE) évolue de façon inversement proportionnelle au pH ; elle permet de classer les trois types de matrices selon le même ordre. La teneur en eau peut être reliée aux valeurs de concentrations en sucres et acide lactique : les for- tes valeurs de concentration en ces composants sont corrélées à une forte valeur de teneur en eau. Ces relations résultent du fait que les phénomènes de désacidification et de dessiccation se déroulent simultanément, en surface des fromages.
En revanche, les valeurs d’aw ne permettent pas de différencier les caillés des croû- tes, qui présentent des valeurs proches de 0,8. L’activité de l’eau des levains naturels est significativement plus élevée (0,96), même si les mesures obtenues à ces valeurs élevées d’aw sont moins fiables du fait de la forte teneur en eau de ces produits.
C
D
0 4 8 12 16 20
RILL RILR RICA RACA RICS RIAF RACR Matrices
Concentration - pH
pH NaCl (g/kg) Ca (g/kg)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
RILL RILR RICA RACA RICS RIAF RACR Matrices
aw - TE
aw TE (g/g)
Figure 2
Composition et propriétés physicochimiques des matrices fromagères.
C : Concentrations en calcium (Ca) et chlorure de sodium (NaCl) et pH D : Activité de l’eau (aw) et teneur en eau (TE).
Composition and physico-chemical properties of the cheese matrix.
C: Calcium (Ca), sodium chloride (NaCl) concentrations, and pH D: Water activity (aw), and water content (TE).
3.3 Caractéristiques thermiques
Les caractéristiques thermiques des matrices sont présentées à la figure 3. Les tempé- ratures de cristallisation commençante (Tc) ne sont pas significativement différentes selon les matrices. En revanche, la température de fusion de la glace (Tf) est plus faible pour les croûtes, notamment à cause des concentrations salines élevées dans ces produits.
La température de transition vitreuse (Tg) est inférieure à – 80 °C pour les caillés et les croûtes. Elle est proche de – 55 °C pour les levains naturels, bien que leur teneur en matière sèche soit plus faible que celle des caillés et des croûtes. Cette valeur élevée de Tg, due probablement à la teneur en lactose, devrait permettre à ces levains d’être stabi- lisés plus facilement que les autres matrices. Cette information peut être reliée à l’activité de l’eau, montrant ainsi qu’une aw faible se traduit par des valeurs faibles de Tg.
3.4 Analyse en composantes principales
L’ensemble des caractéristiques de composition et des propriétés physicochimiques et thermiques des sept matrices (excepté la température de congélation commençante qui n’est pas discriminante) est analysé pour mettre en exergue les relations entre les variables et pour classer les matrices selon ces critères.
Le tableau des corrélations (tableau 3) montre que les propriétés thermiques sont bien corrélées aux caractéristiques de composition et physicochimiques. Ainsi, la température de transition vitreuse (Tg) est corrélée positivement avec la teneur en eau des produits, leur acti- vité de l’eau et les concentrations en lactose et en NaCl. Elle est négativement reliée aux teneurs en matière sèche, matières grasses et azote total ainsi qu’au pH. La température de fusion commençante (Tf) est opposée aux concentrations en calcium et en azote total. Seu- les, les concentrations en galactose et en acide lactique ne sont pas reliées aux caractéristi- ques thermiques des matrices. Ces résultats mettent en évidence le rôle déterminant des teneurs en lactose et en NaCl dans la valeur de Tg.
– 120 – 100 – 80 – 60 – 40 – 20 0
RILL RILR RICA RACA RICS RIAF RACR
Matrices
Température
Tg (°C) Tf (°C) Tc (°C)
Figure 3
Propriétés thermiques des matrices fromagères.
Températures de transition vitreuse (Tg), de fusion commençante (Tf) et de cristallisation commençante (Tc).
Thermal properties of the cheese matrix.
Phase transition temperature (Tg), melting temperature (Tf) and crystallisation temperature (Tc).
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Tableau 3
Corrélations entre propriétés thermiques et caractéristiques physicochimiques et de composition des matrices fromagères.
Table 3
Correlations between thermal properties and physicochemical and composition characteristics of cheese matrix.
Deux ACP ont été réalisées. La première prenait en compte la matrice des moyennes des 13 descripteurs, tandis que la seconde concernait les principaux descripteurs discriminants : les propriétés thermiques Tg et Tf et les concentrations en matière sèche, en galactose et en acide lactique. Les résultats des deux analyses étant similaires, seuls les résultats de la seconde ACP sont discutés ici.
L’analyse en composantes principales est présentée à la figure 4. Les deux premiers facteurs rendent compte de 88 % de la variance totale (67 % et 21 % respectivement).
D’après la figure 4A, les matrices sont discriminées sur le premier axe, selon leur tempé- rature de fusion et leurs teneurs en matière sèche et en galactose, ainsi qu’à un moindre degré, selon leur température de transition vitreuse et leur concentration en acide lacti- que. Le deuxième axe est défini par la température de transition vitreuse et la concentra- tion en acide lactique des matrices.
Ce premier plan factoriel met en évidence une typologie des matrices selon leur stade de fabrication, indépendamment de leur origine géographique (figure 4B). Les matrices issues des levains naturels RILL et RILR se regroupent dans le quart inférieur gauche. Elle sont caractérisées par leur température de transition vitreuse élevée (– 55 °C), leur tempé- rature de fusion commençante élevée (– 4 °C) et leur faible teneur en matière sèche (6 %).
À partir des corrélations établies précédemment (tableau 3), ces résultats permettent de définir les levains naturels en fonction de huit autres propriétés, notamment par leur pH acide, leur concentration élevée en lactose et leur importante teneur en eau (figure 3).
Les caillés non salés RICA et RACA se situent dans la moitié supérieure du plan facto- riel. Ils se distinguent par leur teneur en acide lactique (10 g.L-1 en moyenne), une tempéra- ture de transition vitreuse basse (– 100 °C), une température de fusion commençante élevée (– 4 °C) et une valeur intermédiaire de concentration en matière sèche (46 %). Selon le tableau 3, ces caractéristiques sont reliées aux autres propriétés, en particulier à des valeurs intermédiaires de teneurs en eau, en matières grasses et en azote total (figure 3).
Tg Tf
Tg 1
Tf 0,396 1
MS – 0,900 – 0,754
TE 0,923 0,704
aw 0,927 0,283
Lac 0,981 0,453
Gal 0,626 0,583
AL 0,153 0,726
pH – 0,847 – 0,738
NaCl 0,783 – 0,221
Ca – 0,742 – 0,897
NTK – 0,875 – 0,778
MG – 0,924 – 0,715
Les abréviations sont fournies au tableau 2.
En gras, valeurs significatives au seuil alpha = 0,05 (test bilatéral).
Abbreviations referred to table 2.
In bold, significant values at 5% level.
Les croûtes fromagères RIAF et RACR sont groupées dans le quart inférieur droit.
Elles se différencient des autres matrices par leurs faibles valeurs de températures de fusion (– 22 °C) et de transition vitreuse (– 95 °C) et leur teneur élevée en matière sèche (74 %). Le tableau 3 permet, en outre, de définir ces matrices selon leurs faibles teneurs en eau, en sucres, en matières grasses et en azote total.
Enfin, le caillé saumuré RICS n’est pas correctement catégorisé selon ce premier plan factoriel. Ses principales caractéristiques thermiques et physicochimiques sont proches de celles des autres caillés, mais sa composition diffère en terme de teneur en sucres (faibles concentrations) et en NaCl (concentration plus élevée) (figure 3).
À partir de ces différentes propriétés, il apparaît que les levains naturels pourront être congelés ou lyophilisés dans de bonnes conditions, notamment grâce à leur température de transition vitreuse élevée. En revanche, les croûtes et les caillés seront difficilement vitrifiés lors de la congélation. Cela implique la nécessité de les congeler très rapidement, par exemple par immersion dans un bain ou des vapeurs d’azote liquide. En terme de lyophilisation, ces produits seront probablement sensibles lors d’un stockage prolongé.
Pour compenser cela, il pourrait être envisagé de malaxer les caillés et les croûtes en présence de lactose, pour augmenter la Tg. Toutefois, dans un objectif de préservation de la biodiversité microbienne de ces matrices, il sera nécessaire de vérifier que cette étape ne dégrade pas la viabilité des microorganismes présents dans les produits.
La lyophilisation de ces produits, ainsi que l’étude de leurs propriétés peut permettre de valider ces conclusions.
Variables (axes F1 et F2 : 88 %)
Tg Tf Gal
AL
MS
– 1,5 – 1 – 0,5 0 0,5 1 1,5
– 1,5 – 1 – 0,5 0 0,5 1 1,5 -- axe F1 (67 %) -->
-- axe F2 (21 %) -->
A
Individus (axes F1 et F2 : 88 %)
RILLRILR RICA
RICS RACA
RIAFRACR
– 3 – 2 – 1 0 1 2 3
– 3 – 2 – 1 0 1 2 3
-- axe F1 (67 %) -->
-- axe F2 (21 %) -->
B
Figure 4
Analyse en composantes principales des 5 propriétés discriminantes de composition, physicochimiques et thermiques montrant la distribution des 7 matrices fromagères étudiées.
A : Premier plan factoriel des propriétés discriminantes de l’ACP B : Premier plan factoriel des matrices de l’ACP Les abréviations sont fournies aux tableaux 1 et 2.
Principal component analysis (PCA) of the 5 discriminant properties of composition, physico-chemical and thermal characteristics, showing the distribution
of the 7 cheeses studied.
A: First factorial map of the discriminant properties of the PCA B: First factorial map of the cheese fractions
Abbreviations referred to tables 1 and 2.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit
4 – LYOPHILISATION DES MATRICES FROMAGÈRES
Sur la base des résultats obtenus précédemment, une lyophilisation est conduite dans des conditions suffisamment douces pour permettre aux matrices présentant une faible valeur de température de transition vitreuse, d’être déshydratées de façon correcte.
Ces conditions sont proches de celles qui sont généralement appliquées pour la lyophili- sation des ferments lactiques (BÉAL et al., 2003). Quatre produits, correspondant aux quatre groupes définis par l’ACP sont retenus. Il s’agit des matrices RILR (levain naturel), RICA, RICS (caillés avant et après saumurage) et RIAF (croûte).
À l’issue de la lyophilisation les produits lyophilisés sont analysés et les résultats sont regroupés au tableau 4. Dans tous les cas, les produits obtenus n’étaient pas collants et ne montraient pas de signe d’effondrement de structure (collapse). Ils présentaient une bonne friabilité et pouvaient être manipulés sans difficulté.
Selon le tableau 4, l’activité de l’eau des produits lyophilisés est proche de 0,15 pour les caillés et les croûtes mais elle est de 0,22 pour le levain naturel, plus hydraté à l’issue de la lyophilisation. Les valeurs de teneur en eau résiduelle sont comprises entre 0,032 et 0,046 g.g-1. Elles traduisent une bonne conduite de la lyophilisation qui aboutit à des pro- duits peu hydratés. Il paraît néanmoins nécessaire de suivre, dans ces produits, les phé- nomènes d’oxydation qui peuvent provoquer une dégradation qualitative et quantitative, notamment au regard de leur composition microbienne (BÉAL et al., 2003).
La température de transition vitreuse (Tg’) est difficile à observer en raison de la com- plexité de ces produits. Elle n’a été clairement identifiée que pour le levain naturel RILR.
Pour les autres échantillons lyophilisés, les cycles thermiques appliqués ont révélé des événements endothermiques débutant entre – 6 et – 4 °C. La transition vitreuse se situe probablement dans cette région de température, mais il est possible qu’elle soit confon- due avec d’autres phénomènes endothermiques tels que la fusion des sels et des relaxa- tions thermiques. De plus, compte tenu de la complexité des échantillons, plusieurs transitions vitreuses, correspondant à différentes phases des différents composants des échantillons, peuvent être à l’origine des profils thermiques observés.
Tableau 4
Propriétés des matrices fromagères lyophilisées.
Table 4
Main properties of the freeze-dried cheese matrix.
Matrices aw TE
(g.g-1)
Tg’
(°C)
Evénement
endothermique (°C) Aspect RILR 0,222
(± 0,07)
0,046 (± 0,002)
13,3
(± 3,2) – Poudre de couleur beige
RICA 0,139 (± 0,05)
0,032
(± 0,003) – – 5,8
(± 2,6) Granulés de couleur beige RICS 0,169
(± 0,01)
0,041
(± 0,004) – – 4,4
(± 1,7) Granulés de couleur beige RIAF 0,151
(± 0,02)
0,036
(± 0,002) – – 5,7
(± 2,0) Granulés de couleur orange Les abréviations sont fournies aux tableaux 1 et 2.
Abbreviations referred to tables 1 and 2.
Les faibles températures auxquelles ont lieu les événements thermiques décrits pré- cédemment reflètent la difficulté pour les caillés et les croûtes lyophilisées à rester dans un état stabilisé, même après lyophilisation. Concrètement, aucun des quatre échan- tillons ne peut être stocké à température ambiante après lyophilisation. Le levain naturel RILR pourra être conservé à 4 °C, puisque sa température de transition vitreuse est éle- vée (13 °C). En revanche, compte tenu de leurs propriétés physiques, et notamment des événements endothermiques mesurés entre – 6 et – 4 °C, les lyophilisats des matrices RICA, RICS et RIAF devront être stockés à – 20 °C.
5 – CONCLUSION
Ce travail a permis de caractériser différentes matrices fromagères sur la base de leurs propriétés de composition, physicochimiques et thermiques. Les propriétés thermi- ques sont bien corrélées aux autres caractéristiques. Elles permettent de classer les matrices, notamment en fonction de leur température de transition vitreuse et de leur température de fusion commençante. Ces résultats indiquent que la stabilisation de matrices fromagères est possible, dans des conditions différentes selon leurs caractéristi- ques physicochimiques et thermiques initiales.
Ainsi, sur la base de ces propriétés, il paraît possible de congeler ces matrices fromagè- res, mais à des températures de congélation différentes selon le type de produit considéré.
Les résultats montrent que seuls les levains naturels pourront être conservés correctement à – 80 °C, tandis que les caillés et les croûtes devront être stockés à – 196 °C, sauf si on leur apporte du lactose qui permettrait de remonter la température de transition vitreuse.
La lyophilisation des matrices fromagères a été réalisée avec succès. Les lyophilisats obtenus à partir des levains naturels peuvent être conservés à 4 °C sur une longue durée, compte tenu de leur température de transition vitreuse qui se situe vers 13 °C. En revan- che, la transition vitreuse n’a pas été clairement identifiée dans les lyophilisats obtenus à partir des caillés et des croûtes. Toutefois, les événements thermiques observés autour de – 5 °C, permettent d’envisager un stockage à – 20 °C sur une longue durée, ce qui reste une température moins contraignante que – 80 °C ou – 196 °C. Des études complémentai- res sur les phénomènes de dégradation (en particulier d’oxydation) ayant lieu à ces tempé- ratures, s’avèrent nécessaires pour pouvoir conclure sur la qualité des produits au cours d’un stockage de longue durée.
Enfin, il est important de rappeler que ce travail s’inscrit dans un objectif plus large de préservation de la biodiversité des écosystèmes microbiens complexes des fromages. En conséquence, s’il montre que la stabilisation des matrices fromagères est possible, par congélation et lyophilisation, à condition d’appliquer des températures de stockage adé- quates lors de leur conservation, il faudra, dans le futur, déterminer si leur composition microbienne est également préservée, tant d’un point de vue qualitatif que quantitatif.
Cela nécessite cependant de disposer de méthodes adaptées de mesure de cette biodi- versité (FEURER et al., 2004), et notamment des populations présentes à faible concentra- tion dans les produits.
6 – REMERCIEMENTS
Ce travail a été réalisé dans le cadre de RESOMIL, avec l’appui financier du Bureau de Ressources Génétiques (BRG) et d’Arilait.
© Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit
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