The impact of milk properties and process conditions on consistency of rennet-coagulated curd and syneresis of rennet curd grains

Abstract

Although cheesemaking is an ancient art, modern cheese production relies on the implementation of innovative technology and tailor-made starter bacteria to remain competitive in the production of commodity-type cheeses such as soft and semi-hard cheese. Any intervention in the cheesemaking procedure, i.e. in milk composition, milk treatment and microbial fermentation, affects textural properties of curd at cutting and finally syneresis. The latter is the key step in cheesemaking since the degree of syneresis determines the moisture content of the raw cheese, by which ripening as well as rheological properties and sensory are affected. This work aimed to investigate the syneresis of rennet curd grains in order to generate a kinetic model for predicting syneresis. On the one hand, the experiments covered the implementation of EPS-(exopolysaccharide producing) cultures in the manufacture of soft cheese and likewise the investigation of the cheesemaking potential of Dahlem Cashmere goat?s milk. On the other hand, the interrelated effects of homogenization, microfiltration and pH on rheological properties of rennet-induced milk gels, on syneresis and finally on cheese composition, yield and functionality were to study. Three mathematical models were compared for their suitability describing syneresis and providing kinetic parameters. The kinetic parameters obtained by a linearised model gave best curve fittings to the experimental data with high coefficient of correlation (r² > 0.99). Furthermore, the model provides a parameter (RWRmax) that gives information about the endpoint of syneresis. From this value, interpretation about the curd structure and the interaction of milk composition and physical factors on syneresis is possible. Fermentation media inoculated with non-EPS-producing Streptococcus thermophilus and EPS-producing strains of Lactococcus lactis subsp. cremoris and Lactobacillus sakei were added in a concentration from 5 % to 10 % (w/w) to the milk prior to soft cheese manufacture. The cheesemaking experiments showed that the addition of fermentation media with EPS-cultures retarded syneresis, accelerated microbial fermentation and finally caused ripening problems. By means of model experiments regarding syneresis and influence of pH value, the manufacture of soft cheese was technologically adapted. The approach demonstrated that soft cheese manufacture was yet feasible and moisture content of the raw cheese was increased by the addition of fermentation media, inoculated with EPS-cultures. Analysis of variance revealed that syneresis was significantly affected by homogenization, MF and pH. It was shown that milk composition and MF markedly influenced the endpoint of syneresis, RWRmax. Curd grains made from skim milk had the highest RWRmax value. It is assumed, that differences in curd microstructure due to fat globule distribution and content affect syneresis since cutting was performed at equal curd firmness. The experiments demonstrate that homogenization and MF can be combined to reach curd firmness and syneresis which are in accordance with values in conventional cheesemaking. Combination of homogenization and MF was promising on cheese yield, and based on the results and experience gained in this study, a new and simplified process for semi-hard cheesemaking was invented. It was shown, that the adjusted cheese yield and component recovery increased due to the interaction of homogenization and MF. Hence, the combination of homogenization and MF in cheese manufacture is promising.

Obwohl das Herstellen von Käse ein sehr altes Gewerbe ist, ist das Implementieren innovativer Technologien und maßgeschneiderter Starterbakterien notwendig, um in der modernen Herstellung von Weich- und Schnittkäse wettbewerbsfähig zu bleiben. Jeglicher Eingriff in den Käsungsprozess, d.h. in die Zusammensetzung und Behandlung der Milch, sowie in fermentative Vorgänge, beeinflusst die Textureigenschaften der Labgele und letzten Endes die Synärese. Letztere ist der wesentliche Prozessschritt bei der Käseherstellung, da der Synäresegrad den Serumgehalt im Rohkäse bestimmt, wodurch der Reifungsprozess sowie die rheologischen und sensorischen Eigenschaften beeinflusst werden. Die Arbeit hatte zum Ziel, die Synärese von Bruchwürfeln zu verfolgen, um ein kinetisches Modell zu generieren, anhand dessen die Synärese vorhersagbar wird. Einerseits waren die Experimente auf das Einbringen von EPS- (Exopolysaccharid-bildende) Kulturen in die Weichkäseherstellung sowie auf die Untersuchung des Potenzials von Dahlem Cashmere Ziegenmilch für die Käseherstellung ausgelegt. Andererseits waren die in Wechselbeziehung stehenden Effekte von Homogenisieren, Mikrofiltrieren und pH auf die rheologischen Eigenschaften von labinduzierten Milchgelen, auf die Synärese und schließlich auf die Käsezusammensetzung, -ausbeute und Funktionalität zu untersuchen. Drei mathematische Modelle wurden auf ihre Eignung, die Synärese zu beschreiben, verglichen. Die kinetischen Parameter, die über ein linearisiertes Modell berechnet wurden, erzielten die beste Kurvenanpassung mit hohem Korrelationskoeffizient (r2 > 0.99), so dass dieses für die Berechnung der kinetischen Daten zu empfehlen ist. Darüber hinaus bietet das Modell mit dem Parameter RWRmax Informationen bezüglich des Maximalwerts der Synärese. Über diesen Wert können Aussagen getroffen werden, inwiefern die Struktur des Labgels und das Zusammenspiel von Milchzusammensetzung und physikalischer Faktoren die Synärese beeinflussen. Weichkäse wurde mit Streptococcus thermophilus und EPS-bildenden Stämmen von Lactococcus lactis subsp. cremoris und Lactobacillus sakei produziert. Die EPS-Bildner wurden in einem Medium angezogen und der Käsereimilch in Konzentrationen von 5 und 10 % (w/w) zugegeben. Die Zugabe von EPS-Medium verzögerte die Synärese und erhöhte die mikrobielle Fermentation, so dass Reifungsprobleme auftraten. Mit Hilfe von Modellversuchen bezüglich der Synärese und des pH Wertes wurde die Weichkäseherstellung technologisch angepasst. Die Vorgehensweise zeigte, dass die Weichkäseherstellung nun möglich und der Serumgehalt der Rohkäse durch den Zusatz von EPS-Medium erhöht war. Das Homogenisieren, MF und der pH-Wert beeinflussten die Synärese signifikant. Es wurde gezeigt, dass die Milchzusammensetzung und das MF den Endpunkt der Synärese, RWRmax, deutlich beeinflussten. Bruchkörner aus Magermilch hatten den höchsten RWRmax Wert. Da das Schneiden bei gleicher Gelfestigkeit erfolgte, wird angenommen, dass die Synärese maßgeblich durch die Verteilung und den Gehalt an Fetttropfen beeinflusst wird, woraus sich Unterschiede in der Mikrostruktur des Labgels ergeben. Die Versuche verdeutlichen, dass durch das Kombinieren von Homogenisierung und Mikrofiltration Gelfestigkeiten und Synäresewerte erzielt werden, die mit Werten aus der traditionellen Käseherstellung übereinstimmen. Die Kombination aus Homogenisieren und anschließender MF war bezüglich der Käseausbeute viel versprechend und aus den Ergebnissen und Erfahrungen, die in dieser Arbeit erzielt wurden, wurde ein neuer und vereinfachter Prozess der Schnittkäseherstellung erstellt. Die auf die ursprüngliche Milchmenge bezogene Käseausbeute und Rückhaltung von Inhaltsstoffen nahmen daraufhin auf Grund der Interaktion von Homogenisieren und MF zu. Die Kombination aus Homogenisieren und MF offenbarte sich als besonders viel versprechend für die Käseherstellung.