Production of yogurt under high pressure: effect on fermentative process and yogurt characteristic

Abstract

Fermentation under non-conventional conditions has gained prominence in the last years, due to the possible process improvements. Food fermentation under sub-lethal pressures is one of such cases, and may bring novel characteristics and features not only to fermentative processes, but also to the final food products. In this work, yogurt production was used as a case-study of this approach and the effect of variation of both pressure (10-100 MPa) and temperature (25-50 ºC) during fermentation was studied. Initially, a preliminary study was performed aiming the development of strategies to reduce the experimental time and resources during the work. Then, a kinetic study was conducted, evaluating lactic acid production and lactose consumption over fermentation time. Fermentative rates were highly dependent on the fermentation conditions used, with the increase of pressure slowing down yogurt fermentation and higher rates achieved at 43 ºC. But, interesting features were obtained at 10 MPa, where pH variation profiles were similar to those of atmospheric pressure (0.1 MPa) at almost all temperatures tested. In particular, fermentation at 10 MPa/43 ºC presented the optimal conditions, where yield and efficiency of lactic acid production during fermentation were improved relatively to fermentation at 0.1 MPa – 1.40 gP gS -1 of yield and 75 % of efficiency at 10 MPa against 0.79 gP gS -1 and 40 % at 0.1 MPa, respectively. In addition, the final yogurts produced were analyzed regarding their microbiological and physical properties, and differences were observed between yogurts. In the case of starter cultures, it was found that their growth is affected by the fermentation conditions used during yogurt production: fermentations at 35 and 43 ºC lead to final microbial counts higher than 8.00 log10 (CFU g-1), while counts between 3.00 and 6.50 log10 (CFU g-1) were obtained after the fermentations at 50 ºC. Comparing both starter cultures, Streptococcus thermophilus was more sensitive to the combination of high temperature and high pressure than Lactobacillus bulgaricus. Regarding physical properties of the gel network, both syneresis and texture were influenced by the variations of the fermentation conditions. In this case, the yogurts fermented at 10 MPa presented characteristics more similar to the yogurts produced at 0.1 MPa (syneresis levels similar to control samples and a firm texture without being excessive). A comparative metabolomic study was performed to analyze the metabolites present on the yogurts produced. Several differences were observed in the metabolite accumulation, including aromatic compounds, organic acids and alcohols, all products of yogurt fermentation. The main difference was verified on the compounds responsible for butter-like flavor in yogurt, with diacetyl being present in higher amounts on 0.1 MPa yogurts, while higher amounts of acetoin were obtained on 10 MPa yogurts. These differences can be reflected in the sensorial perception of yogurts, where 10 MPa yogurts can present a softer flavor than yogurts produced at 0.1 MPa. Overall, variation of pressure and temperature during food fermentations can be used not only to regulate the fermentation kinetics, but also to produce a final product with different characteristics. As a consequence, the processes can be modulated to improve food quality and expand the consumer choices of the fermented product. Therefore, this work opens the possibility of applying these type of strategies on a wide range of food fermentative processes, with potential to create and develop new food products.

Recentemente, as fermentações sob condições não convencionais têm vindo a ganhar destaque na literatura, devido às possíveis melhorias que podem trazer para os processos fermentativos. Por exemplo, quando aplicada a fermentações alimentares, esta abordagem pode resultar em novas características tanto do processo fermentativo, como também dos géneros alimentícios produzidos. Desta forma, a produção de iogurte foi utilizada, neste trabalho, como um caso de estudo, onde o efeito da variação da pressão (10- 100 MPa) e da temperatura (25-50 ºC) durante a fermentação foi estudado. Numa fase inicial, foi realizado um estudo preliminar para desenvolver estratégias para reduzir o tempo e os recursos experimentais no decorrer do trabalho. De seguida, a produção de ácido láctico e o consumo de lactose foram analisados ao longo do tempo de fermentação, de modo a estudar a cinética do processo de fermentação. Verificou-se que o consumo de substrato e formação de produtos são muito dependentes das condições utilizadas na produção de iogurte, com o aumento da pressão a diminuir a velocidade de fermentação, com a fermentação a ser mais rápida a 43 ºC. No entanto, as fermentações a 10 MPa apresentaram os resultados mais interessantes (do ponto de vista da velocidade do processo), uma vez que os perfis fermentativos foram semelhantes ao do controlo (fermentação à pressão atmosférica, 0.1 MPa) para todas as temperaturas testadas. Mais especificamente, a fermentação a 10 MPa/43 ºC correspondeu às condições ótimas para a produção de iogurte, onde o rendimento e a eficiência de produção de ácido láctico foram melhorados relativamente à fermentação a 0.1 MPa – rendimento de 1.40 gP gS -1 e eficiência de 75 % a 10 MPa versus 0.79 gP gS -1 e 40 % a 0.1 MPa, respetivamente. Para além disso, algumas características dos iogurtes finais foram também avaliadas e foram detetadas diferenças entre eles. No caso das bactérias ácido-lácticas, o seu crescimento durante o processo fermentativo foi afetado pelas condições de fermentação, resultando em cargas microbianas diferentes. Por exemplo, foram observadas cargas microbianas superiores a 8.00 log10 (CFU g-1) no final das fermentações a 35 e 43 ºC, enquanto que nas fermentações a 50 ºC apenas foram observadas cargas microbianas entre 3.00 e 6.50 log10 (CFU g-1). Comparando as duas bactérias starter, Streptococcus thermophilus foi mais sensível à combinação de altas pressões e temperaturas do que Lactobacillus bulgaricus. Quanto às propriedades físicas do iogurte, a variação das condições fermentativas teve impacto tanto na sinérese como na textura dos iogurtes. Os iogurtes fermentados a 10 MPa apresentaram as características mais semelhantes aos iogurtes controlo, sendo caracterizados por níveis semelhantes de sinérese e uma textura firme sem ser excessiva. De modo a comparar os metabolitos presentes nos diferentes iogurtes produzidos, foi também realizado um estudo metabolómico. Neste estudo, foram detetadas várias diferenças na acumulação de metabolitos correspondentes a produtos da fermentação responsável pela produção de iogurte, tais como compostos aromáticos, ácidos orgânicos, álcoois, entre outros. No entanto, a principal diferença foi verificada nos compostos responsáveis pelo aroma amanteigado do iogurte, visto que quantidades superiores de diacetilo foram detetadas nos iogurtes produzidos a 0.1 MPa, enquanto que maiores quantidades de acetoína foram detetadas nos iogurtes produzidos sob pressão. Estas diferenças podem refletir-se na perceção sensorial dos iogurtes, podendo traduzir-se num sabor mais suave nos iogurtes produzidos a 10 MPa. Em suma, a variação da pressão e temperatura durante a fermentação de diferentes alimentos pode ser utilizada não só para regular a velocidade fermentativa do processo, mas também para produzir um género alimentício com características diferentes. Desta forma, os processos fermentativos podem ser adaptados de modo a melhorar a qualidade alimentar e expandir as escolhas dos consumidores. Este trabalho abre então a possibilidade de aplicar este tipo de abordagens a uma grande variedade de processos fermentativos alimentares, podendo assim ajudar na produção e desenvolvimento de novos produtos alimentares.