Back to search

FFL-JA-Forskningsmidlene for jordbruk og matindustri

DNA analyser for bedre styring av osteproduksjonen.

Alternative title: DNA analyzes for better control of cheese production.

Awarded: NOK 2.5 mill.

Microorganisms are essential during the production and ripening of all cheese. The metabolic reactions that occur during cheese ripening are enzymatic breakdown of sugar, fat and proteins, and the composition of the starter culture determines the degree of cheese ripening. It was therefore desirable to study the composition of the starter cultures throughout cheese production, from the time the milk enters the cheese vat until the cheese is fully matured. The strain composition of the starter cultures is complex and not known in detail, but we know that the correct balance between the various strains is important for successful cheese production. Factors that affect this balance can be competition between different bacteria in the starter culture, bacteriophages, milk's properties, process-related factors, secondary cultures and adjunct cultures, but also factors such as e.g., the variation between batches of starter culture delivered from the culture suppliers. Lack of detailed knowledge about the composition of starter cultures can contribute to unstable production and quality deviations. The purpose of the project was to use new DNA sequencing methods to gain insight into the development of microflora during cheese production and to steer the composition of the starter culture in the desired direction. The project established a close collaboration with three selected TINE dairies. Samples from these dairies were analysed with DNA sequencing technology, to study the dynamics of the starter cultures throughout the production process (H1). The purpose was to follow cheese making at several dairies over several days to study the composition of lactococci and bacteriophages in the starter cultures. The bacteriophage population and the lactococcal population changed with the number of cheese vats throughout the day and it is an effect of intermediate washing. Metabolic studies of cheese (H2) were performed by chemical, microbiological, rheological, and sensory analysis of samples described in H1. The results showed that there were differences in the composition of the lactococci in mature cheese, depending on the 4-hour pH, and affected the cheese's chemical composition and sensory quality. The different composition of lactococci influenced further ripening, but the lactococci were not solely responsible for the quality of the cheese. Under data analysis and biostatistics (H3) we have combined DNA analysis with chemical, rheological and sensory analysis. This has given us new insight into how the quality parameters in cheese depend on the composition of the starter culture and what significance this has for the final quality of the cheese. Cheese making trials (H4) with changed production parameters were conducted on a pilot scale with twenty four cheese vats produced. The cheese-making trials verified findings in HI, H2 and H3 and showed that the production conditions for bulk starter are important for the final quality of the cheese. The experiment showed a clear effect of how the bulk starter produced affected the quality of the cheese and the development of chemical metabolites during ripening. Proteomic analysis provides an identification and quantification of proteins from the bacteria and showed that especially the incubation temperature and pH during cooling were important for the characteristics of the starter culture. This is a result of the production conditions for bulk starter affecting the balance between the lactic acid bacteria in the starter culture, here a clear effect of the experimental factors was observed. The research has shown that different varieties of Lactococci are set up differently with metabolic enzyme systems. The implementation of the results (measures) from the project (H5) has already started at three dairy plants. At the start of the project, we assumed that one of the key challenges in the project was the use of amplicon analysis, as the strains in the cultures are quite similar genetically. Another challenge was complexity with varying bacteriophage load. The results from the project have shown that DNA sequencing methods give us better insight into the development of the microflora during cheese production and this is valuable competence for quality improvement in TINE and provides better opportunities for targeted corrective approaches. DNA analysis are resource intensive, but technological development is fast and compact instruments are now available for automated DNA analysis. DSM Food Specialities (Netherlands) has developed a bacteriophage test, the Delvo®Phage test kit, which we have had for testing. This is a compact device with a unique qPCR test that can detect bacteriophages in the dairies within an hour.

Riktig balanse mellom de ulike bakteriestammene er viktig for en vellykket osteproduksjon. Ut fra resultatene fra dette prosjektet har vi fått bekreftet at sammensetning og dynamikken i syrekulturen påvirkes av flere faktorer som type syrekultur, brukssyrefremstillingen og lagringsbetingelser av osten. DNA-sekvensering har gitt oss nye verktøy for å studere samspillet mellom ulike bakterier gjennom produksjonsprosessen og sammen med kjemiske og sensorisk utvikling under modning av ostene, har prosjektet gitt økt innsikt i hvilken rolle de ulike bakteriestammene har for egenskapene til ost. Vi har følgende effekter av prosjektet: > Redusere svinn og vraking av ost - bedre og mer stabil kvalitet på ost produsert med norsk melk. Våre analyser av ost med høy og lav 4 timers pH viste at forekomst av de fleste organiske syrer, aminosyrer og flyktige aromakomponenter var signifikant ulik mellom de to gruppene av ost. Det ble også funnet forskjell i forekomst av ulike stammer av laktokokker i ostene med høy og lav pH. Ut fra resultatene vet vi hvilken 4 timers pH som gir mest optimal TINE ost og dette implementeres i ysteriene for å redusere svinn og vraking av ost og oppnår best mulig utnyttelse av norsk melkeråstoff. Dette kan også komme den norske bonden til gode med bedre verdi på melka. > Raskere og mer treffsikker produktutvikling - utvikling av ostetyper med tilleggsegenskaper. Resultatene fra prosjektet har vist at sammensetningen av syrekulturkonsentratet som kjøpes fra syrekulturprodusentene er mer ulike enn antatt. De ulike kulturene gir ulike kjemiske forbindelser i osten og følgelig utvikler ulik smak i ostene. Dette kan vi utnytte under produktutvikling av nye ostevarianter. Denne kunnskapen sammen med tilsetning av tilleggskulturer kan hjelpe oss å utvikle ostetyper som har tilleggsegenskaper. > Bedre mulighet til å blande bakteriestammer/kulturer og styre balansen mellom bakteriene i ønsket retning og sikre jevnt innhold. Prosjektet har inkludert et studie om hvordan ost som var utsatt for bakteriofagangrep, utviklet seg med hensyn til bakteriesammensetning og kjemisk sammensetning. Ved bakteriofagangrep av syrekulturen endres modningen av osten, med mer eller mindre av de kjemiske metabolittene og vi kjenner bedre hvilke bakteriestammer som angripes av bakteriofager. Dette hjelper oss i å velge mest bakteriofagrobuste syrekulturer. > Bedre muligheter til å stabilisere innholdet av bioaktive komponenter. Produksjonen av bioaktive komponenter som gir positive effekter på helsa (f.eks. vitaminer), vil bli mer stabil når vi nå har verktøy for å analysere ønsket balanse av bakteriestammer for slik produksjon. > Bedre mulighet til å kvalitetsteste syrekulturene Tidligere ble det benyttet en simpel analyse for å få innsikt i syrekulturenes aktivitet. Med bruk av DNA-sekvensering får vi en helt annen innsyn i syrekulturenes sammensetning og vi kan velge syrekulturer med ønsket kvalitet eller stille strengere krav til syrekulturleverandørene.

Mesteparten av melk levert til TINEs meierier blir brukt til fermenterte meieriprodukter. Ost fremstilles ved bruk av syrekulturer av melkesyrebakterier. Syrekulturer tilsettes melka hvor bakteriene vil vokse og produserer metabolitter som er viktige for den endelige produktkvaliteten. Mangel på detaljkunnskap om syrekulturenes sammensetning bidrar til at TINE opplever ustabile produksjoner og kvalitetsavvik. For ost er konsistens en viktig kvalitetsparameter, men smak og hullsetning er også viktig. En hvitost med perfekt hullsetning vil sjelden være dårlig i konsistens- og smaks- egenskaper. Grunnlaget for hulldannelsen i hvitost er syrekulturens evne til sitronsyreomsetning med dannelse av karbondioksyd. Stammesammensetningen av syrekulturene er kompleks og ikke kjent i detalj, men riktig balanse mellom de ulike stammene er viktig for en vellykket produksjon. For å styre produksjonen i ønsket retning er det viktig å identifisere faktorer tidlig i produksjonsprosessen som gir effekter på kvaliteten av det endelige produkt. Til nå har vi ikke hatt mulighet til å studere samspillet mellom bakteriestammene i syrekulturene og deres bidrag til endelig produktkvalitet i ost, men de senere års utvikling av DNA-sekvensering har gitt oss nye verktøy. Vi vil bruke en kvantitativ DNA analysemetode, for å utforske hvordan mikrofloraen utvikles gjennom produksjonen av ost. Resultatene vil bli sammenholdt med kjemiske og sensoriske analyser og prosessdata for å øke vår innsikt i hvilken rolle de ulike bakteriestammene har for egenskapene til ostene. Vi vil gjøre forsøk med endringer i produksjonsprosessene for å undersøke hvordan stammesammensetningen påvirkes. Ut fra informasjonen om syrekulturens dynamikk/utvikling kan det gjøres tilpasninger som kan gi en mer optimal styring av produksjonsprosessene. Innovasjonsprosjektet vil omfatte forskningsaktiviteter som er nødvendige for at TINE skal lykkes med å redusere matsvinn og at osteproduksjonen skal bli mer verdiskapende.

Funding scheme:

FFL-JA-Forskningsmidlene for jordbruk og matindustri