Inline optimization of cheese making using a near infrared light backscatter sensor technology

Abstract

L’elaboració de formatge es pot considerar un “procés controlat d’eliminació d’aigua de la llet”. Aquest procés concentra la proteïna, el greix i altres nutrients de la llet, augmentant la seva vida útil. La fabricació de formatge consta de diverses etapes d’entre les quals, dues de les més importants, tenen lloc en el tanc de formatgeria: la coagulació de la llet i la sinèresi de la quallada. La monitorització a temps real de la coagulació de la llet i l’enduriment del gel lacti, així com la predicció del temps de tall, són essencials per la producció de formatge ja que aquests factors exerceixen un impacte substancial tant en el rendiment formatger com en la qualitat del formatge final. Hi ha nombrosos factors que afecten el procés de fabricació de formatge mitjançant la modificació de la quantitat, la qualitat i les propietats tecnològiques de la llet. Si bé la majoria d’aquests factors són ben coneguts, alguns no han estat suficientment estudiats. L’objectiu general d’aquesta tesi fou avaluar l’impacte de la mescla de llet (i. e., diferents proporcions de llet de cabra, ovella i vaca) i la llet de baixa qualitat (i. e., llet d’animals amb mastitis subclínica) en la predicció del temps de coagulació, del temps de tall, de la velocitat d’eliminació del sèrum i de diversos altres índexs de producció formatgera, mitjançant la monitorització de la coagulació i la sinèresi amb vàries tecnologies de sensors de dispersió de llum d’infraroig proper: sensor de coagulació de laboratori CoAguLAb; sensor de coagulació CoAguLite i sensor de sinèresi LFV. Els dos darrers, instal·lats en la paret d’un tanc de formatgeria de deu litres a escala de planta pilot. El paràmetre de dispersió tmax i diversos altres paràmetres òptics de temps es correlacionaren significativament amb els temps visual i reològics de coagulació i de tall, així com amb els rendiments de sèrum i formatge i amb el recompte de cèl·lules somàtiques. Es va observar que les mescles de llet i la raça dels animals no tingueren un efecte significatiu (P ≥ 0,05) en els indicadors òptics ni reològics del temps de coagulació, mentre que la concentració d’enzim, la temperatura de coagulació i la infecció subclínica tingueren un efecte significatiu sobre tots els índexs, tant òptics com reològics, relacionats amb el temps de coagulació i la velocitat d’acoblament del gel lacti (i. e., agregació micel·lar i enduriment del gel). La mastitis subclínica, la mescla de llet, la temperatura i la raça tingueren un efecte significatiu sobre la sinèresi de la quallada, mentre que el rendiment formatger es veié afectat per la mastitis subclínica i la raça (cal fer notar que els efectes de la concentració d’enzim, la temperatura i la mescla de llet no foren avaluats directament). S’obtingueren models de predicció pels temps de coagulació i de tall, tant visuals com reològics, l’angle de fase (tgδ) en el moment de tall, la velocitat de sinèresi i diversos indicadors de rendiment formatger. Els nostres resultats confirmen la utilitat de la monitorització a temps real mitjançant dispersió de llum d’infraroig proper tant de la coagulació de llet com de l’eliminació de sèrum de la quallada, amb la finalitat de millorar el control d’aquestes dues etapes crítiques de l’elaboració del formatge. Els resultats obtinguts demostren que l’impacte de factors com la mescla de llets i la mastitis subclínica s’ha de tenir en consideració en les operacions de control de processos de l’elaboració de formatge.

La elaboración de queso puede considerarse como un "proceso controlado de eliminación de agua de la leche". Este proceso concentra la proteína, grasa y otros nutrientes de la leche, aumentando su vida útil. La fabricación de queso consta de varias etapas, de entre las cuales dos de las más importantes tienen lugar en la cuba quesera: la coagulación de la leche y la sinéresis de la cuajada. La monitorización a tiempo real de la coagulación de la leche y el endurecimiento del gel láctico, así como la predicción del tiempo de corte es esencial para la producción de queso ya que dichos factores ejercen un impacto sustancial tanto en el rendimiento quesero como en la calidad del queso final. Existen numerosos factores que afectan al proceso de fabricación de queso mediante la modificación de la cantidad, calidad y propiedades tecnológicas de la leche. Si bien la mayoría de dichos factores son bien conocidos, algunos no han sido suficientemente estudiados. El objetivo general de esta tesis fue evaluar el impacto de la mezcla de leche (i.e., diferentes proporciones de cabra, oveja y vaca) y la leche de baja calidad (i.e., leche de animales con mamitis subclínica) en la predicción del tiempo de coagulación, del tiempo de corte, de la velocidad de desuerado y de varios otros índices de producción quesera, mediante la monitorización de la coagulación y la sinéresis con varias tecnologías de sensores de dispersión de luz de infrarrojo próximo: sensor de coagulación de laboratorio CoAguLAb; sensor de coagulación CoAguLite y sensor de sinéresis LFV. Los dos últimos, instalados en la pared de una cuba de quesería de diez litros a escala de planta piloto. El parámetro de dispersión tmax y varios otros parámetros ópticos de tiempo se correlacionaron significativamente con los tiempos visuales y reológicos de coagulación y de corte así como con los rendimientos de suero y queso; y con el recuento de células somáticas. Se observó que las mezclas de leche y la raza de los animales no tienen un efecto significativo (P ≥ 0,05) ni en los indicadores ópticos ni en los reológicos del tiempo de coagulación, mientras que la concentración de enzima, la temperatura de coagulación, y la infección subclínica tuvieron un efecto significativo sobre todos los índices tanto ópticos como reológicos relacionados con el tiempo de coagulación y la velocidad de ensamblado del gel láctico (i.e., agregación micelar y endurecimiento del gel). La mastitis subclínica, la mezcla de leche, la temperatura y la raza tuvieron un efecto significativo sobre la sinéresis de la cuajada, mientras que el rendimiento quesero se vio afectado por la mastitis subclínica y la raza (nótese que el efecto de la concentración de enzima, la temperatura y la mezcla de leche no fue evaluado directamente). Se obtuvieron modelos de predicción para los tiempos de coagulación y de corte tanto visuales como reológicos, el ángulo de fase (tgδ) en el momento del corte, la velocidad de sinéresis y varios indicadores de rendimiento quesero. Nuestros resultados confirman la utilidad de la monitorización a tiempo real tanto de la coagulación de leche como del desuerado de la cuajada mediante dispersión de luz de infrarrojo próximo, a fin de mejorar el control de esas dos etapas críticas de elaboración de queso. Los resultados obtenidos demuestran que el impacto de factores tales como la mezcla de leches y la mastitis subclínica debe ser tenido en consideración en las operaciones de control de procesos de la elaboración de queso.

Cheese making is the “controlled process of removing water from milk”. This process concentrates the milk protein, fat and other nutrients and increases its shelf life. Cheese manufacture consists of two main steps occurring in the cheese vat, milk coagulation and curd syneresis. Real-time monitoring of milk coagulation, curd firming and syneresis as well as inline prediction of cutting time is essential for cheese making as those factors exert a substantial impact in both cheese yield and quality. Many factors affect the cheese manufacturing process by modifying the quantity, quality, and processing properties of the produced milk. The general objective of this dissertation was to evaluate the impact of milk mixture (i.e., different proportions of goat, sheep and cow milk) and low quality milk (i.e., milk from animals with subclinical mammary infections) in the prediction of clotting time, cutting time, syneresis rate and several other cheese making indexes based on monitoring milk coagulation and syneresis using NIR light backscatter sensor technologies. Several optical devices: a lab-scale coagulation tester (CoAguLab), an inline coagulation sensor and an inline large field of view (LFV) syneresis sensor were used to monitor milk coagulation, cutting time, and whey separation during Manchego cheese manufacture. Optical parameter tmax and several other time-based light backscatter parameters were highly correlated with visually- and rheologically-derived clotting and cutting times as well as cheese yield, yield of whey and SCC. It was observed that milk mixtures and animal breed did not have a significant (P ≥ 0.05) effect on optical and rheological time parameters related to clotting time, while different enzyme concentrations, coagulation temperatures, and subclinical infection had a significant effect on all optical and rheological parameters related to milk clotting time, and gel assembly rate (i.e., aggregation and firming rates). Subclinical mastitis, milk mixtures, temperature, and breed had a significant effect on curd syneresis while cheese yield was affected by subclinical mastitis and breed (note that syneresis effect of enzyme concentration, temperature and milk mixtures was not directly evaluated). Prediction models using light backscatter parameters alone or in combination with protein/solids concentration were successfully obtained for visually determined clotting and cutting times, rheologically derived gelation and cutting times, tanδ at cutting, syneresis rate constant and several cheese yield indicators. Our results confirm the usefulness of light backscatter inline monitoring of milk coagulation and curd syneresis for improved process control of those two critical cheese making steps. The results obtained show that the impact of factors such as milk mixtures and subclinical mastitis in cheese manufacture needs to be considered on cheese making process control operations.