Comprehensive study of CO2 production and transfer in foil ripened semi-hard cheese

par Filippo Acerbi

Thèse de doctorat en Agroressources, Procédés, Aliments, Bioproduits

Sous la direction de Nathalie Gontard et de Valérie Guillard.

  • Titre traduit

    Comprendre la production et les tranferts du CO2 dans les fromages de type pâte pressé affinés sous film


  • Résumé

    Le CO2 est un produit des nombreuses voies métaboliques intervenant lors de l’affinage des fromages. Ce composé gazeux se dissous et diffuse dans les différents constituants du fromage (notamment phase grasse et phase aqueuse) et affecte la qualité finale du produit. La production et le gradient de CO2 sont considérés comme la force motrice de la croissance des « trous » ou « yeux » dans les fromages à pâte pressée non cuite sujet à fermentation propionique. Dans ce cas là, la perte de CO2 du fromage vers l'atmosphère pendant la phase de maturation est limitée par le conditionnement du produit dans un emballage barrière aux gaz. Malgré l’extrême importance de cette molécule lors de l'affinage de ce type de fromages, son taux de production, sa solubilité et sa diffusivité dans la pâte fromagère ont été très peu étudiés et abordés par la communauté scientifique travaillant dans le domaine. L'objectif de ce travail de thèse est donc de caractériser la solubilité, la diffusivité et le taux de production du CO2 dans des fromages modèles à pâte pressée non cuite. L’effet de la composition chimique du produit (teneur en sel, en eau, etc.) et de différentes variables de maturation (la température et le temps d’affinage) a été systématiquement évalué pour ces trois grandeurs. La perméabilité de l’emballage utilisé pour l’affinage a également été mesurée dans des conditions « industrielles » (emballage entier, incluant l’effet du scellage et de la rétraction à chaud, gradient d’humidité et de gaz correspondants à ceux rencontrés lors de l’usage, etc.). Toutes les variables de composition et de maturation de fromage étudiés ont montré un impact significatif mais d’amplitude variable sur la production de CO2 et les coefficients de transfert (diffusivité et solubilité). Par exemple la solubilité du CO2 dans le fromage diminue linéairement avec la température, tandis que la production de CO2 augmente exponentiellement et que la diffusion du CO2 suit une fonction quadratique. Les coefficients évalués ont été utilisés comme paramètres d'entrée d'un modèle mathématique développé dans le cadre de ce travail dans le but de décrire l’évolution des gradients de CO2 en fonction du temps au sein du fromage (fromage aveugle, i.e. sans « trous » mais avec fermentation propionique). Une analyse préalable effectuée sur les paramètres d'entrée du modèle a mis en évidence la très grande importance de la production du CO2 sur les gradients de CO2 formés dans le fromage par rapport aux autres paramètres de transfert. Nous avons développé le premier modèle couplant transfert de CO2 par perméation, transport et production de CO2 dans un produit dense, solide. Ce modèle a été validé expérimentalement sans ajustement d’aucun paramètre sur un fromage aveugle dans différentes conditions. Le modèle s’est révélé très robuste et prédictif des phénomènes de production et de diffusion de CO2 à l'intérieur de la pâte de fromage, ainsi que de la perméation à travers l’emballage. Ce modèle est une première étape vers plus de connaissances des mécanismes mis en jeu lors de l’affinage d’un fromage à pâte pressée non cuite et constitue un premier outil pour une meilleure prise de décision par les industriels dans le domaine de l’affinage fromager.


  • Résumé

    CO2 is an end product of numerous metabolic pathways of the cheese microflora taking place during ripening. This gaseous compound can affect the final quality of most cheeses, depending on its ability to diffuse and dissolve in both their water and fat phase. For example, CO2 is considered as the driving force for eye growth in cheeses with propionic acid fermentation. In such type of product, the loss of CO2 from the paste to the atmosphere during ripening may be limited by wrapping the cheese in a barrier packaging (foil ripening) to favour eyes growth. Despite the great importance of this molecule during cheese ripening, its production rate, solubility and diffusivity have scarcely been investigated in literature. The objective of this PhD work was to experimentally assess CO2 solubility, diffusivity and production rate in model semi-hard cheeses in relation to the main composition and ripening variables: salt and moisture content, temperature and cheese age, amongst others. The permeability of an industrial ripening foil was also assessed at different temperatures and in conditions of industrial relevance. All studied composition and ripening variables were found to significantly affect the CO2 production and transfer coefficients, but in a different way. For example increasing temperature was found to linearly decrease CO2 solubility in the cheese, while the CO2 production exponentially increased and CO2 diffusion was described with a quadratic function. The assessed coefficients were used as input parameters of a mathematical model with the goal of describing the CO2 gradients occurring in a blind semi-hard cheese during industrial ripening. A simplified sensitivity analysis performed on the model input parameters highlighted the greater importance of CO2 production on the CO2 gradients formed in the cheese compared to the other transfer coefficients. We developed the first experimentally validated model with the attempt of predicting the phenomena of CO2 production and diffusion inside the cheese paste, CO2 transfer at the rind interface and its permeation via an industrial packaging during ripening.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible sur intranet à partir du 16-02-2021

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