Study of whey drainage in lactic goat curds and development of a new industrial process.

Les fromages sont obtenus à partir de lait, qui est une émulsion de type huile-dans-eau constituée de globules gras et d’amas protéiques dispersés dans une phase aqueuse appelée sérum contenant des éléments solubles (lactose, sels minéraux et protéines solubles). Les fromages résultent d’un procédé de transformation dont la finalité est d’obtenir à partir du lait, un gel concentré en protéines et en matière grasse par élimination de sérum. Les protéines majoritaires du lait, les caséines, sont structurées en amas sphériques appelées micelles. Celles-ci sont déterminantes en technologie fromagère en raison de leur aptitude à coaguler et donc à gélifier le produit par acidification lactique et/ou ajout de présure (protéolyse). A l’issue de la coagulation, ce réseau mixte constitué de micelles de caséines interconnectées et de globules gras subit une synérèse spontanée au cours de laquelle un sérum aqueux est exsudé. Pour accélérer le processus, il est procédé à une étape d’égouttage gravitaire. Une contrainte de compression supplémentaire peut être appliquée. Les processus de synérèse et d’égouttage ne sont maîtrisés que de manière empirique.Notre démarche s’inscrit dans le cadre d’un besoin d’acquisition de connaissances scientifiques pour assister le développement de nouveaux procédés industriels de fabrication de fromage de chèvre. Le défi scientifique est de mieux appréhender les paramètres physico-chimiques cinétiquement déterminants vis-à-vis des phénomènes de synérèse et d’égouttage, dans un champ de variables large, et d’établir la relation entre la structure et la perméabilité au sérum du réseau mixte de protéines et de matière grasse.Dans ce contexte, cette étude a comporté 4 volets :1) L’identification des paramètres de procédés et de formulation ayant une influence sur la synérèse et l’égouttage. Un plan d’expériences a été mis en place à cet effet.2) Une étude cinétique et structurale du phénomène d’égouttage à partir d’une expérience en filtration frontale dans des conditions modèles. Il est apparu à l’issue de cette étude que l’égouttage est assimilable à une filtration à travers d’un milieu poreux formé par les éléments insolubles du gel (caséines et lipides) à la surface du filtre. Nous avons aussi pu montrer que les globules gras ont tendance à ralentir l’égouttage et cela de façon d’autant plus prononcée que les globules sont petits et qu’ils sont connectés au réseau de protéines. Ce milieu poreux voit son épaisseur augmenter au cours de la filtration et donc la résistance qu’il oppose à l’écoulement augmente également tout au long de l’égouttage.3) L’impact d’une perturbation mécanique appliquée lors de la gélification sur la cinétique de synérèse et d’égouttage.4) La mise en œuvre d’un procédé, si possible en continu, ou de modalités alternatives en discontinu, susceptibles d’accélérer, d’intensifier (réduire l’espace dédié) l’égouttage, sans toutefois altérer les caractéristiques structurales, organoleptiques et biochimiques du fromage de chèvre.Cheeses are obtained from milk, which is an oil-in-water type emulsion consisting of fat globules and protein clusters dispersed in an aqueous phase called serum (whey) containing soluble elements (lactose, mineral salts and soluble proteins). Cheeses are the result of a transformation process whose purpose is to obtain from milk, a gel concentrated in proteins and fat, by eliminating serum. The main proteins of milk, caseins, are structured in spherical clusters called micelles. These are decisive in cheese technology because of their ability to coagulate and therefore to gel the product by lactic acidification and/or addition of rennet (proteolysis). After coagulation, this mixed network of interconnected casein micelles and fat globules undergoes spontaneous syneresis during which whey is released. To accelerate the process, a gravity draining step is performed. An additional compressive stress can be applied. The syneresis and draining processes are only empirically mastered.Our approach is part of a need to acquire scientific knowledge to assist in the development of new industrial processes for the manufacture of goat cheese. The scientific challenge is to better identify the physico-chemical parameters that are kinetically determinant of the syneresis and draining phenomena, in a large field of variables, and to establish the relationship between the structure and the permeability to serum of the mixed protein and fat network.In this context, this study had 4 components:1) Identification of process and formulation parameters affecting syneresis and draining. A design of experiments was implemented for this purpose.2) A kinetic and structural study of the draining phenomenon based on model experiments under frontal filtration conditions. Draining is reminiscent of a filtration process through a porous medium formed by the insoluble elements of the gel (caseins and lipids) on the surface of the filter. We have also shown that the fat globules tend to slow down draining and this is even more pronounced when the globules are small and connected to the protein network. The thickness of this porous medium increases during filtration and therefore the resistance to flow also increases throughout the process.3) The impact of a mechanical perturbation applied during gelation on the kinetics of syneresis and draining.4) The implementation of a continuous process, or of any improved discontinuous process, likely to accelerate, to intensify (reduce the dedicated space) the draining, without altering the structural, organoleptic and biochemical characteristics of the goat cheese