Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les procédés de filtration sont grandement utilisés en industrie laitière pour pré-concentrer le lait fromager et séparer les constituants du lait. L'ultrafiltration est le procédé le plus couramment utilisé pour la concentration du lait. Plusieurs avantages y sont associés telque l'augmentation du rendement fromager ainsi que la productivité des usines. Cependant, son désavantage majeur est la production d'un volume important de perméat qui doit être valorisé. Il y a un intérêt grandissant pour l'utilisation de concentrés d'osmose inverse (OI) en fromagerie pour les aspects environnementaux et économiques. Des gains de rendements sont envisagés avec la filtration par OI étant donné que tous les constituants sont concentrés et peuvent être potentiellement retenus dans le fromage. Aussi, le perméat produit est essentiellement de l'eau et peut être réutilisé en usine comme eau de procédé. Cependant, quelques études ont montré que la concentration du lait par OI modifiait defaçon importante ses propriétés technologiques. Le but de cette thèse était d'évaluer l'impact du caséinate de sodium (NaCas) sur les propriétés physicochimiques et fromagères des concentrés d'OI. Une première étude a permis de mettre en évidence l'impact d'ajouter une portion de caséinate de sodium (NaCas) sur les propriétés physicochimiques et de coagulation des concentrés d'OI. Des concentrés d'OI ont été préparés selon trois facteurs de concentration (CF) (1X, 1,5X et 2X) et cinq proportions de NaCas (0, 6, 12 ,18 et 24%). La substitution de la caséine du lait par du NaCas a modifié de façon notable l'équilibre soluble-colloïdal des concentrés d'OI. L'ajout de NaCas aux concentrés d'OI a augmenté le pH et la proportion de caséine soluble. Aussi, les propriétés de coagulation ont été fortement impactées par l'ajout de NaCas. Certains échantillons n'ont même pas coagulé après l'ajout de présure. Cette première partie a permis d'avoir une caractérisation des concentrés d'OI et de sélectionner les meilleures conditions pour la seconde partie du projet. Dans la seconde étude, l'impact de l'ajout d'une portion de NaCas sur les propriétés fromagères des concentrés d'OI a été déterminé en utilisant la méthode par acidification directe (pH 6), sans ajout de ferment. Les conditions choisies étaient 1,5 et 2X pour le CFet 0, 6, 12 et 18% pour la proportion de NaCas. L'ajout de NaCas a diminué les rendements fromagers mais a amélioré les propriétés fromagères des concentrés d'OI en diminuant l'humidité et la minéralisation des fromages. Malgré la baisse de rendement (liée à une plusfaible humidité), une quantité notable de lactose est restée dans le fromage. Également, l'ajout de NaCas a augmenté le taux de rétention des protéines dans le fromage et amélioréles propriétés rhéologiques des fromages. Finalement, la troisième étude a permis de comparer différents leviers technologiques (acide citrique, NaCas et la combinaison de l'acide citrique et du NaCas) afin de déminéraliser la micelle de caséines des concentrés d'OI 2X. Les propriétés physicochimiques et fromagères des concentrés d'OI ont été évaluées. Les trois leviers technologiques ont modifié l'équilibre soluble-colloïdal des concentrés d'OI et l'effet était plus important pour la combinaison que lorsque l'acide citrique et le NaCas étaient utilisés individuellement. Pour les propriétés fromagères, l'acide citrique a eu moins d'effet que le NaCas et la combinaison. Le NaCas et la combinaison ont augmenté le taux de rétention protéique dans le fromage et diminué les rendements fromagers bruts et ajustés à l'humidité. Ce projet a permis d'apporter de nouvelles connaissances sur l'utilisation de NaCas dans les concentrés d'OI afin d'améliorer leurs propriétés fromagères. Cette thèse fournit des pistes à envisager pour optimiser l'utilisation des concentrés d'OI en fromagerie. / Filtration processes are widely used in the dairy industry to pre-concentrate cheese milk and separate milk constituents. Ultrafiltration is the most commonly used process for milk concentration. Several advantages are associated with it, such as the increase in cheese yield and factory productivity. However, its major disadvantage is the production of a large volume of permeate which must be valued. There is a growing interest in using reverse osmosis (RO) concentrates in cheesemaking for environmental and economic aspects. Yield gains are expected with RO filtration as all constituents are concentrated and can potentially be retained in the cheese. Also, the permeate produced is essentially water and can be reused in the plant as process water. However, some studies have shown that the concentration of milk by RO significantly modifies its cheesemaking properties. The aim of this thesis was to evaluate the impact of sodium caseinate (NaCas) on the physicochemical and cheese-making properties of RO concentrates. A first study highlighted the impact of adding a portion of sodium caseinate (NaCas) on the physicochemical and coagulation properties of RO concentrates. RO concentrates were prepared according to three concentration factors (CF) (1X, 1.5X and 2X) and five proportions of NaCas (0, 6, 12, 18 and 24%). The substitution of milk casein by NaCas markedly modified the soluble-colloidal balance of the RO concentrates. Adding NaCas to RO concentrates increased the pH and the proportion of soluble casein. Also, the coagulation properties were strongly impacted by the addition of NaCas. Some samples did not even coagulate after adding rennet. This first part made it possible to have a complete characterization of the RO concentrates and to select the best conditions for the second part of the project. In the second study, the impact of adding a portion of NaCas on the cheese properties of RO concentrates was determined using the direct acidification method (pH 6), without adding starter culture. The conditions chosen were 1.5 and 2X for the CF and 0, 6, 12 and 18% for the proportion of NaCas. Adding NaCas decreased cheese yields but improved the cheesemaking properties of RO concentrates by decreasing the moisture and mineralization of cheeses. Despite the drop in yield, a noticeable amount of lactose remained in the cheese. Also, the addition of NaCas increased the protein retention rate in cheese and improved the rheological properties of cheeses. Finally, the third study made it possible to compare different technological levers (citric acid, NaCas and the combination of citric acid and NaCas) in order to demineralize the casein micelle of 2X RO concentrates. The physicochemical and cheese properties of the RO concentrates were evaluated. All three technology levers altered the soluble-colloidal balance of the RO concentrates and the effect was greater for the combination than when used individually. For cheesemaking properties, citric acid had less effect than NaCas and the combination. NaCas and the combination increased the protein retention rate in cheese and decreased cheese yields. This project provided new knowledge on using NaCas in RO concentrates to improve their cheese properties. This thesis provides avenues to consider in order to optimize the use of RO concentrates in cheesemaking.

Malgré une composition très similaire à celle d’un lait écrémé, le babeurre présente une aptitude à la coagulation par la présure inférieure ce qui limite son utilisation en fromagerie. L’étape d’agrégation des micelles de caséine par la présure est notamment gouvernée par des interactions hydrophobes. Or, les composantes issues de la membrane du globule gras du lait (MFGM), retrouvées dans le babeurre, sont reconnues pour leurs propriétés tensioactives. Par conséquent, elles pourraient interférer dans le processus de coagulation du lait. Dans le cadre des travaux de cette thèse, les constituants du babeurre ont été séparés par centrifugation en différentes fractions. La composition de ces fractions a été analysée et leur impact sur la coagulation des micelles de caséines par la présure a été mesuré. Une attention particulière a été portée à la phase d’agrégation des micelles de caséine. Dans le premier travail présenté, la phase soluble du babeurre a été séparée en trois fractions différenciées par leur contenu en protéines et en matières grasses. L’étude de ces trois fractions a permis de conclure que des particules, probablement constituées de fins globules de gras et des fragments membranaires de densité élevée, nuisent à l’agrégation et à la coagulation des micelles de caséine emprésurées. La présence de caséine micellaire résiduelle dans cette phase soluble a toutefois limité l’interprétation de certains résultats. Par conséquent, pour l’étude présentée au chapitre suivant, le citrate de sodium a été utilisé afin de dissocier cette caséine. Des fragments de MFGM ont ensuite été récupérés par ultracentrifugation(100 000 x g). Contrairement aux composantes précédemment isolées, leur impact sur le processus d’agrégation des micelles de caséine emprésurées a été peu important, bien qu’un effet négatif ait été observé sur la coagulation. D’autres expérimentations seront donc nécessaires afin de mieux comprendre le mécanisme d’interférence à la coagulation de ces composantes. En marge de ces études, les propriétés fromagères d’un babeurre ont été comparées à celles d’un concentré de protéines du lactosérum dénaturé (WPC-D). Comparativement à cet ingrédient largement utilisé en fromagerie industrielle, le babeurre utilisé a permis l’obtention de gels plus fermes, plus rapidement, et a limité la rétention d’humidité dans les fromages. La récupération des protéines et des lipides dans les caillés a également été supérieure en présence de babeurre que du WPC-D. L’impact des fractions solubles de ces ingrédients a été évalué et s’est révélé négligeable. Ceci suggère que, dans cette étude, les effets observés du babeurre sont principalement attribuables à son contenu en caséine. La dénaturation thermique du babeurre, du concentré de protéines du lactosérum (WPC) ou d’une combinaison de ces deux produits en condition acide (pH 4.6) a également été testée et a permis d’accroître la rétention protéique dans les fromages, mais le babeurre utilisé seul (traité thermiquement ou non) demeure l’ingrédient permettant la meilleure récupération des constituants tout en limitant le gain d’humidité. En conclusion, la centrifugation du babeurre sous différentes conditions a permis d’obtenir des fractions différenciées et d’évaluer leur impact sur la coagulation des micelles de caséine par la présure et plus particulièrement sur la phase d’agrégation. Certaines composantes de la phase soluble (fins globules et fragments membranaires de haute densité) nuisent à l’agrégation des micelles de caséines emprésurées, alors que des fragments isolés à la suite d'un traitement de dissociation au citrate de sodium interfèrent dans le processus de coagulation via d’autres mécanismes non encore élucidés. Néanmoins, la contribution de la caséine micellaire contenue dans le babeurre dans la formation et les propriétés des gels présure demeure importante, ce qui le distingue d’un WPC dénaturé. / Buttermilk composition is very similar to that of skim milk, but its rennet coagulation ability is inferior, limiting its use in cheesemaking. The casein micelle aggregation step upon renneting is partly governed by hydrophobic interactions. Milk fat globule membrane (MFGM) components are known for their surfactant properties. These components may therefore interfere in rennet coagulation of milk. As part of the work done for this thesis, buttermilk constituents were fractionated using centrifugation. The composition of these fractions was analysed and their impact on rennet coagulation properties of casein micelles was determined. Special attention was accorded to the casein micelles aggregation step. In the first work presented, buttermilk serum phase was separated in three fractions differentiated by their protein and fat contents. The study of these fractions allowed concluding that particles, likely composed of fine fat globules or high density membrane fragments impede with rennet aggregation and coagulation of casein micelles. However, the presence of residual casein micelles in this serum phase limited the interpretation of some results. Consequently, for the second study presented, sodium citrate was used to dissociate these casein micelles. MFGM fragments were then recovered using ultracentrifugation (100,000 x g). In contrary to the components isolated in the first study presented, the impact of these MFGM fragments on rennet aggregation of casein micelles was negligible, despite a negative impact observed on rennet gel formation. More investigations will be needed to fully understand the mechanism underlying this interference to rennet coagulation. In the third study presented, the cheesemaking properties of buttermilk were compared to those of a denatured whey protein concentrate (WPC-D). Compared to this ingredient largely used in industrial cheesemaking, buttermilk allowed to obtain firmer rennet gels, more rapidly, and restrained the moisture retention in cheeses. The protein and fat recovery was also higher with buttermilk compared to WPC-D. The impact of the serum fraction of these ingredients was also evaluated, but it was negligible. This suggests that the impact of buttermilk on cheesemaking was mostly determined by its casein content. The effect of thermal denaturation in acidic condition (pH 4.6) of buttermilk, of whey protein concentrate or of a combination of both ingredients was also tested. The results showed a better protein recovery for all the ingredients and parameters tested. However, buttermilk used alone, heated or not, was the ingredient that allowed the best protein and fat recoveries while limiting moisture pickup. In conclusion, the centrifugation of buttermilk under different conditions allowed obtaining different fractions and evaluating their impact on rennet induced aggregation and coagulation properties of casein micelles. Some components of buttermilk serum phase (fine fat globules and high density MFGM fragments) impede the aggregation of renneted casein micelles. Other fragments isolated following sodium citrate dissociation of the casein micelles interfered with rennet induced coagulation by another mechanism which remains to be elucidated. However, the contribution of buttermilk casein micelles in rennet gel formation and properties remains important which distinguish it from a denatured WPC.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Le fromage Mozzarella entre dans la composition de plusieurs mets populaires d’Amérique du Nord. L’aptitude de ce fromage à être râpé et ses propriétés caractéristiques de cuisson en font un ingrédient idéal. Ces qualités sont attribuées principalement aux propriétés physiques particulières de ce fromage sous certaines conditions de cisaillement et de température. Le but de ce projet était d’évaluer l’impact de différentes stratégies couramment mises en oeuvre dans l’industrie fromagère sur la composition, la microstructure et les propriétés physiques du fromage. Diverses stratégies ont été étudiées : les conditions de filage du caillé lors du procédé de « pasta filata », l’addition de protéines sériques dénaturées, le contrôle de la minéralisation et le vieillissement du fromage. Les résultats ont démontré que le contrôle de l’intensité mécanique et thermique fournie lors du filage permettait respectivement de réduire les pertes de solides et d’améliorer la répartition de la phase aqueuse dans la matrice fromagère. L’aptitude au râpage du fromage peut être optimisée en combinant l’utilisation de plusieurs stratégies dont la réduction du calcium colloïdal, un temps de vieillissement adéquat et un râpage à basse température. Par ailleurs, des changements aux facteurs mentionnés précédemment sont apportés lors de l’ajout de protéines sériques dénaturées, ces dernières ayant un impact sur la composition et la structure du fromage. Des modèles prédictifs de l’aptitude au râpage ont été développés en sélectionnant uniquement les descripteurs de composition et de texture pertinents. La perception sensorielle du fromage cuit sur pizza et les propriétés physiques du fromage fondu ont été considérablement influencées par l'évolution physico-chimique du fromage au cours du vieillissement. L’utilisation d’une nouvelle approche pour la caractérisation des propriétés rhéologiques du fromage fondu sous fortes contraintes a permis d’établir de bonnes relations avec les descripteurs sensoriels de texture. Ce travail a permis de valider l’hypothèse que l’utilisation d’une ou plusieurs stratégies simples et accessibles pouvait être mise de l’avant afin d’optimiser les propriétés physiques du fromage Mozzarella. Cela contribue à une meilleure compréhension des facteurs pouvant être contrôlés afin de développer des fromages avec des attributs spécifiques, lorsqu’utilisés comme ingrédient. / Mozzarella cheese is expected to perform various key attributes when used as a food ingredient. The shreddability and the melting properties of cheese during and after baking are mainly governed by the physical properties of cheese when subjected to external factors such as shear and temperature. Therefore, the goal of this project was to evaluate the impact of cheese-making strategies commonly used in the dairy processing industry on the cheese composition, microstructure, and physical properties. Various strategies were studied: pasta filata process conditions, addition of denatured whey protein (WP-D) to milk, control of curd mineralization, and cheese aging. Results showed that controlling the mechanical and thermal intensity during the pasta filata process can lead to reduced cheese solid losses and a better distribution of water within cheese microstructure, respectively. The ability of cheese to be shredded can be increased using a combination of multiple factors such as lowering colloidal calcium phosphate associated with casein, proper aging, and by reducing cheese temperature before shredding. However, an optimisation of the previous factors should be done if WP-D is added because of its impact on cheese composition and structure. Predictive models to assess cheese shreddability were built using only few relevant compositional and textural descriptors. Sensory perception of baked cheese texture and physical properties of melted cheese were dramatically influenced by the physico-chemical evolution of cheese during aging. Melted cheese texture was satisfactorily related to different sensory attributes using a novel approach to determine the rheological properties under the large stress experienced during mastication. This work validated the hypothesis that simple cheese-making strategies, alone or combined, can be used to optimize the cheese physical properties. This contributes to a better understanding of the factors that can be controlled to improve or develop cheese ingredient with specific attributes.

L’ajustement protéique du lait de fromagerie par ultrafiltration (UF) est une pratique courante, mais très peu d’études ont porté sur l’utilisation de l’osmose inverse (OI) pour la fabrication fromagère. La préconcentration du lait de fromagerie par OI permettrait d’améliorer l’éco-efficience du procédé, ainsi que d’augmenter l’efficacité de production et les rendements. Des travaux récents ont montré que les fromages fabriqués à partir des concentrés d’OI contiennent une teneur importante en lactose et en minéraux et sont plus humides que les autres types de fromages. Dans le cadre de ce projet de recherche, l’ajustement du pH, le lavage du caillé et l’utilisation d’un agent chélateur du calcium sont les leviers qui ont été évalués pour leur potentiel à égoutter et à déminéraliser le fromage. Les propriétés fromagères ont été étudiées en comparaison avec celles des concentrés d'UF. Dans cette étude, il a été possible d’explorer une nouvelle application d’un sel habituellement utilisé pour la fabrication des fromages fondus. Le salage à sec avec le citrate de sodium (TSC) a amélioré la rétention du gras de 4,56 % dans les fromages d’OI, mais des études complémentaires de distribution minérale seront nécessaires pour déterminer s’il s’agit d’un levier d’intérêt. Dans les conditions testées, le lavage du caillé n’a pas amélioré les propriétés des concentrés d’OI. L'acidification a permis d’augmenter les rendements, la rétention du gras et l’égouttage et a diminué la teneur en minéraux et le ratio calcium total / protéines du fromage modèle. Les rendements obtenus lors de la fabrication fromagère à partir des concentrés d’OI étaient de 2 à 3 % supérieurs à ceux obtenus en UF. Cette étude suggère que le pH peut jouer un rôle majeur dans l'amélioration de la qualité des fromages faits de concentrés d'OI et que ce type de concentré peut contribuer à améliorer significativement les rendements fromagers par rapport à l’UF. / The protein adjustment of cheese milk by ultrafiltration (UF) is a common practice, but very few studies have focused on the use of reverse osmosis (RO) for cheesemaking. Milk preconcentration by RO prior to cheesemaking could improve the eco-efficiency of the process, as well as to increase production efficiency and yields. Previous studies have shown that cheeses made from RO concentrates have a high content of lactose, minerals and moisture in comparison to other types of cheeses. As part of this research project, pH adjustment, curd washing and the use of a calcium chelating agent are the levers that have been evaluated for their potential to decrease the level of moisture and minerals in the cheese. Cheesemaking properties of RO concentrates have been studied in comparison with those of UF concentrates and non-concentrated milk. In this study, it was possible to explore a new application of a chelating salt usually used in processed cheese. Dry salting with trisodium citrate (TSC) improved fat recovery by 4.56%, but further studies of mineral distribution will be necessary to determine if it is a lever of interest. In the conditions tested, washing the curd with water or with TSC solution did not improve the properties of RO concentrates. Acidification helped to increase yields, fat recovery and curd drainage and decreased the mineral content and total calcium / protein ratio of model cheese. The yields obtained during cheesemaking from RO concentrates were 2 to 3 % higher than those obtained with UF. This study confirms the importance of controlling pH in cheesemaking and its fundamental impact on cheese mineralization and moisture. It also suggests that pH can play a major role in improving the quality of cheese made from RO concentrates and that this type of concentrate can significantly improve cheese yields compared to UF.

L’utilisation de l’ultrafiltration (UF) pour la concentration du lait de fromagerie est une pratique courante en industrie laitière. Dépendamment de l’usage de ce type de concentré, plusieurs avantages y ont été associé, tels que des gains de rendements et de productivité. D’autres procédés baromembranaires, tels que l’osmose inverse (RO) et la nanofiltration (NF), actuellement utilisés pour la gestion des effluents de l’industrie laitière, semblent prometteurs pour réaliser cette étape de concentration du lait de fromagerie. En effet, les gains de rendements attendus avec ces deux procédés sont plus élevés qu’avec l’ultrafiltration car tous les composés du lait sont concentrés et peuvent potentiellement être retenus dans le fromage. De plus, le perméat généré ne contient essentiellement que de l’eau et peut être réutilisé au sein de l’usine. Cependant, ces types de concentrés laitiers (NF et RO) ne sont que peu connus et leur utilisation en fromagerie ne peut être envisagée actuellement. Le but de ce projet était donc de caractériser les concentrés laitiers provenant de l’osmose inverse ou de la nanofiltration du lait et de comprendre les facteurs influençant leurs propriétés fromagères. Une première étude a permis de mettre en évidence l’impact des procédés de concentration du lait sur les propriétés physico-chimiques des concentrés. Il a été montré que les équilibres entre les phases soluble et colloïdale n’étaient pas impactés de façon notable par la concentration du lait, que ce soit par UF, NF ou RO. Ces deux derniers procédés ont, en revanche, mené à une diminution du pH et une augmentation de la force ionique et de la viscosité des concentrés. A pH constant et teneur en protéines similaires, les propriétés de coagulation par la présure ont été impactées par le type de concentrés utilisé et globalement un concentré UF avait de meilleures propriétés de coagulation qu’un concentré NF ou RO. Ces différences ont été attribuées à la force ionique élevée et/ou à la viscosité élevée. Cette première partie a donc permis de déterminer l’impact du procédé de concentration sur les caractéristiques des concentrés et de mettre en évidence les différences de propriétés entre plusieurs types de concentrés laitiers. Dans une seconde étude, l’impact du type de concentré et de l’ajustement de pH sur les propriétés de coagulation par la présure a été déterminé. Les résultats obtenus dans la première partie du projet ont montré des différences de temps de coagulation des concentrés UF et RO. Pour mieux comprendre quel paramètre était responsable, les cinétiques d’hydrolyse de la caséine κ par la présure ont été étudiées. Deux résultats majeurs ont pu être mis en évidence. Premièrement, de faibles variations de pH ont permis d’obtenir des cinétiques de coagulation par la présure similaires entre un concentré RO et un concentré UF, malgré les différences importantes de composition. Deuxièmement, à même pH, les cinétiques d’hydrolyse étaient similaires entre ces deux concentrés et ainsi, les temps de coagulation dépendaient du degré d’hydrolyse au point de coagulation. Finalement, la troisième étude réalisée a permis de déterminer la contribution du lactose et des minéraux aux propriétés fromagères des concentrés RO et d’évaluer l’impact d’une modification des équilibres salins (déminéralisation de la micelle de caséines) des concentrés sur leurs propriétés fromagères. Les teneurs importantes en lactose et en minéraux ont été, conjointement, responsables des principales différences observées au niveau des propriétés de coagulation par la présure entre un concentré RO et UF. En revanche, seul le lactose était à l’origine de l’augmentation des rendements fromagers observée avec l’utilisation de concentrés RO. La déminéralisation de la micelle de caséine, via ajout de NaCl, a un impact négatif sur les propriétés fromagères des concentrés avec une perte de matière grasse marquée et une baisse des rendements fromagers, et n’est donc pas un moyen intéressant pour améliorer les propriétés fromagères des concentrés. Ce projet a permis d’apporter de nouvelles connaissances sur les concentrés laitiers produits par osmose inverse, et dans une moindre mesure par nanofiltration, et de mettre en évidence l’impact de ces procédés de concentration sur les propriétés fromagères des concentrés. La meilleure compréhension de ces systèmes laitiers et des facteurs affectant leurs caractéristiques permet de fournir des pistes à envisager pour optimiser leur utilisation en fromagerie. / The use of pressure-driven membrane processes is a common practice in the dairy industry, and ultrafiltration (UF) is widely used for the concentration of cheesemilk. Depending on how the UF concentrate is used, several advantages have been claimed, such as yield and productivity gains. Other membrane processes, such as reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF), are currently used for the management of effluents in the dairy industry and could be promising for cheesemilk concentration. Indeed, they are expected to lead to higher yield gains than UF concentrates, due to the concentration of all milk compounds and the retention of some of them in the cheese. In addition, the permeates generated contain essentially water and can be reused within the plant. However, only little information can be found about these types of milk concentrates and more knowledge is needed to consider their use for cheesemaking. The purpose of this project was therefore to characterize the milk concentrates from reverse osmosis and nanofiltration and to study their cheesemaking properties. A first study highlighted the impact of the milk concentration process on the physicochemical properties of the concentrates. It has been shown that the equilibria between the soluble and colloidal phases were not significantly affected by the concentration of milk, using UF, NF or RO. The latter two processes, on the other hand, have led to a decrease in pH and an increase in ionic strength and viscosity of the concentrates. At constant pH and similar protein content, rennet coagulation properties were affected by the type of concentrates used and, overall the UF concentrate had better coagulation properties than NF or RO concentrates. These differences were attributed to their high ionic strength and/or high viscosity. This first part, therefore, allowed us to have an overview of the impact of the concentration process on the concentrates characteristics and to highlight the differences in properties between various types of milk concentrates. A second study investigated the impact of the type of concentrate and pH adjustment on the rennet coagulation properties. The results obtained in the first part of the project showed the differences in coagulation times of UF and RO concentrates. To understand which parameter was responsible for those differences, the kinetics of κ- casein hydrolysis by rennet were studied. Two major results were highlighted. First, small pH variations allowed to obtain similar rennet coagulation kinetics between RO and UF concentrates, despite the significant differences in composition. Secondly, at the same pH, the hydrolysis kinetics were similar between these two concentrates and the differences in coagulation time were due to variation in the degree of hydrolysis at the coagulation point. Finally, the third study carried out highlighted the contribution of the high lactose and salts contents on the impaired cheesemaking properties of RO concentrates. Furthermore, the impact of a change in salt equilibrium (reduced micellar salt content) on the cheesemaking properties of milk concentrates was also studied. The high contents of lactose and salts were both responsible for the impaired rennet gelation properties of RO concentrates. However, the high lactose content alone was accountable for the increased cheese yields with the use of RO concentrates. Reducing the mineral charge of the micelles, via addition of NaCl, had a negative impact on the cheesemaking properties of concentrates with marked fat losses and decreased cheese yields. This approach is then not suitable to improve the cheesemaking properties of milk concentrates. This project provided new knowledge on milk concentrates produced by reverse osmosis, and to a lesser extent by nanofiltration, as well as on the impact of these concentration processes on the cheesemaking properties of the concentrates. The better understanding of these concentrates is necessary to optimize their use in cheesemaking.

Les variations dans la qualité des fromages affinés sont expliquées par plusieurs facteurs. Parmi ceux-ci, certains influencent la nature du microbiote des fromages, par exemple la présence de protéines antimicrobiennes natives du lait. Ce projet vise à déterminer la concentration et l'activité de la lactoferrine (Lf), de la lactopéroxydase (Lpo) et du lysozyme (Lz) au cours de la fabrication fromagère et dans différents types de fromages (Cheddar frais, Cheddar doux, Camembert et Suisse). Chaque protéine antimicrobienne fut analysée par deux méthodes. La technique de dosage d'immunoabsorption par enzyme liée (ELISA) fut employée pour chaque protéine. De plus, la Lpo fut mesurée par spectrométrie, la Lz par fluorescence et la Lf par HPLC. La mesure de Lf, Lpo et Lz dans le lait cru, le lait thermisé et le fromage frais a permis de déterminer qu'il n'y avait pas de différences significatives entre les teneurs dans le lait cru et le lait thermisé. Les résultats ont aussi démontré qu'il y a une quantité plus importante des trois antimicrobiens dans le fromage que dans le lait, et ce par un facteur de 2,78. Lors de l'étude des différents types de fromage commerciaux, diverses méthodes ont été comparées à l'ELISA. Il y a un manque de corrélation entre les valeurs obtenues par ELISA et celles obtenues par les autres méthodes. Les résultats révèlent que le fromage Camembert a une concentration moindre d'antimicrobiens que les trois autres fromages. Ceci semble être associé à une protéolyse plus avancée dans le Camembert. Les résultats ont aussi été rapportés par « gramme de protéines » et il y a tout de même des différences significatives entre les différents types de fromage. Ces résultats permettre une meilleure compréhension du passage des antimicrobiens présents dans le lait vers le fromage pour pouvoir, éventuellement, contrôler leur concentration. / Variations in cheese quality are explained by several factors. Among them, some influence the microbiota of cheeses such as native milk antimicrobial proteins. This project aims to determine the concentration and activity of lactoferrin (Lf), lactoperoxidase (Lpo) and lysozyme (Lz) during cheese making and in different cheese types (fresh Cheddar, mild Cheddar, Camembert and Suisse). Each antimicrobial protein was analyzed by two methods. An enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) technique was employed the analysis of each protein. In addition, the Lpo was measured by spectrometry, the Lz by fluorescence and the Lf by HPLC. The measurement of Lf, Lpo and Lz in raw milk, thermized milk and fresh cheese revealed that there were no significant differences between level in raw milk and thermized milk. Results also showed that there is a higher quantity of the three antimicrobials in cheese than in milk by a factor of 2.78. When studying different types of commercial cheese, the various methods were compared to ELISA. There is a lack of correlation between the results obtained by ELISA and those of the other methods. Results show that Camembert cheese has lower levels of antimicrobials than the other 3 cheeses and is different from Swiss cheese for all antimicrobials. This seems linked to a higher degree of proteolysis in Camembert. The results were also reported by "grams of protein" and there are still significant differences between the different types of cheese. These results allow a better understanding of the transition of the antimicrobials present in the milk towards the cheese to be able, possibly, to control their concentration.

Brevibacterium aurantiacum est l'un des principaux micro-organismes utilisés dans la production de fromages à croûte lavée dans le monde. L’utilisation de cette bactérie est dû à sa richesse métabolique, car elle produit des composés soufrés volatils, des pigments caroténoïdes et des enzymes lipolytiques et protéolytiques, qui sont nécessaires à la maturation d’une variété de fromages. Des souches de cette espèce bactérienne sont inoculées à la surface de fromages au cours de l'affinage et sont sensibles à des infections virales. Les bactériophages (phages), virus qui infectent les bactéries, sont omniprésents dans divers écosystèmes. Dans l'industrie laitière, ils sont reconnus pour perturber les procédés de production lors de l'infection de ferments lactiques, mais leur implication sur des fromages présentant des défauts de couleur et de saveur reste à démontrer. Ces anomalies de maturation de fromages à croûte lavée ont conduit à cette thèse. Le premier objectif de cette thèse de doctorat consistait à analyser le génome de la souche industrielle B. aurantiacum SMQ-1335 et qui est aussi sensible à des phages. Le deuxième objectif de la thèse visait à étudier les phages virulents infectant cette souche. D’ailleurs, cette étude rapporte la première description et caractérisation de phages infectant cette espèce bactérienne. Malgré la similitude entre ces phages, des répétitions en tandem d'ADN ont été identifiées dans des génomes viraux et une analyse approfondie a montré que ces segments d'ADN sont répandus parmi les phages. Le troisième objectif visait à étudier l'interaction phage-hôte via l’analyse du génome de souches mutantes insensibles aux phages. En étudiant ces souches mutantes, des gènes potentiellement nécessaires pour l'infection phagique ont été identifiés. Enfin, le quatrième et dernier objectif visait à évaluer l'impact des phages de B. aurantiacum dans la production de fromages à croûte lavée et ce, à l'aide des caillé modèles. À noter que le reclassement de la souche SMQ-1335, avant identifiée auparavant comme Brevibacterium linens, est décrit en annexe de cette thèse. Malgré des décennies d'études sur les phages laitiers, les phages de B. aurantiacum étaient encore inconnus. Mes travaux auront permis le développement d’un protocole reproductible pour isoler ces phages. Ces travaux ont également apporté de nouvelles connaissances sur les interactions phage-hôte et de leur impact dans les fromages affinés en surface. / Brevibacterium aurantiacum is one of the key players in the production of washed rind cheeses produced worldwide. The importance of this bacterium to the dairy industry is due to its metabolic richness, as it produces volatile sulfur compounds, carotenoid pigments, and lipolytic and proteolytic enzymes, which play roles in the maturation of washed rind cheeses .As strains of this species are regularly inoculated on the cheese surface during ripening, there is a significant risk of viral attacks. Bacteriophage (phages), viruses that infect bacteria, are ubiquitous in the cheese environment. In the dairy industry, virulent phages have long been known to disrupt cheese processes by infecting lactic acid bacteria. The recent observations of color and flavor defects in washed rind cheeses suggested that phages may also infect strains of B. aurantiacum. These observations led to this thesis.The first objective of this PhD dissertation was to study the genomics of B. aurantiacum SMQ-1335, an industrial strain used in the production of washed rind cheeses. The second objective of the thesis was to study the diversity and biology of virulent phages infecting this industrial strain. This study was the first report of phages infecting B. aurantiacum. Despite the low diversity of the isolated B. aurantiacum phages, DNA tandem repeats were found in an intragenic region of the viral genomes and extended analysis showed that these DNA segments are widespread among phages. The third objective was to investigate phage-host interactions through the genome analyses of bacteriophage insensitive mutants, which were selected by challenging SMQ-1335 with phage AGM1. Host genes likely necessary for phage infection were identified and may explain why some of these mutants are phage-resistant. Finally, the fourth objective of this thesis evaluated the impact of virulent phages on the production of washed rind cheeses using model curds. Of note, the reclassification of the strain SMQ-1335, long believed to be Brevibacterium linens, is described in the annex of the thesis. Despite decades of studies on dairy phages, B. aurantiacum phages were still unknown. Here, a reproducible protocol to isolate these phages was developed, which may allow the isolation of new phages. This work also led to increased knowledge on phage-host interactions as well as on and their roles in surface-ripened cheeses.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018. / La transformation du lactosérum de fromagerie en concentré de protéines du lactosérum dénaturées (CPLD), pour recyclage dans une production fromagère subséquente, est maintenant pratique courante dans l’industrie à grande échelle au Canada. Bien que les CPLD puissent être utilisés comme ingrédients de remplacement de la matière grasse, vu les coûts élevés de la protéine laitière dans le contexte canadien, l’emploi de CPLD vise parfois plutôt à substituer en partie la caséine du lait dans le fromage. Le CPLD ayant servi à réaliser le présent projet représente un CPLD conçu en milieu industriel dans cette optique. De façon générale, l’introduction de CPLD dans le lait de fromagerie est associée à une rétention d’eau accrue dans le fromage et à des changements de texture, mais les mécanismes responsables de ces phénomènes demeurent à clarifier. Cette thèse avait pour but d’étudier et expliquer les conséquences de l’addition de CPLD au lait de fromagerie sur les propriétés physico-chimiques des gels présure et mécaniques du fromage. Une première étude a permis d’évaluer l’effet combiné des niveaux de CPLD et de gras dans le lait de fromagerie sur ses propriétés de coagulation par la présure et la capacité de contraction du gel. L’augmentation du niveau de substitution des protéines du lait par des protéines du CPLD a résulté en une diminution du taux de coagulation et de la rigidité du gel (module d’élasticité - G), ainsi qu’en une diminution de la capacité de contraction du gel. Un effet direct du CPLD sur ces propriétés, au-delà d’un effet attribué à la dilution des caséines, a été mis en évidence. En outre, cette étude a permis de confronter l’effet des agrégats de protéines du lactosérum dénaturées, considérés comme éléments de remplissage des gels, à l’effet d’un autre type d’éléments de remplissage soient les gouttelettes de gras : à fractions volumiques équivalentes, les résultats ont montré des impacts distincts sur les propriétés mécaniques des gels. Une seconde étude a permis d’évaluer l’effet des différentes fractions du CPLD sur les propriétés de coagulation du lait par la présure et la capacité de contraction du gel. Le CPLD a été fractionné par centrifugation et dialyse en trois composantes : agrégats sédimentables, composante non sédimentable et composante diffusible. La composante diffusible (minéraux solubles) n'a pas affecté les paramètres de coagulation et de contraction. Les agrégats sédimentables de même que la composante non sédimentable ont influencé négativement les propriétés de coagulation ainsi que la capacité de contraction du gel. Les résultats ont notamment suggéré que des complexes protéiques solubles (non sédimentables et non diffusibles) retrouvés dans le CPLD puissent interagir avec les micelles de caséine emprésurées et limiter la formation et la contraction du gel. Une troisième étude a permis d’évaluer l'effet du CPLD et de ses fractions sur la composition et les propriétés mécaniques du fromage. La centrifugation a été utilisée pour induire un gradient d'humidité dans le fromage, afin d’isoler la contribution directe du CPLD et de ses fractions aux propriétés mécaniques du fromage. Le rendement et la teneur en humidité du fromage ont augmenté et la rigidité du fromage (module complexe - G*) a diminué avec l’augmentation du niveau de substitution des protéines du lait par des protéines du CPLD dans le lait de fromagerie. Cependant, pour des fromages ayant une même teneur en humidité, l’augmentation du niveau de CPLD n'a pas eu d'effet direct sur les paramètres rhéologiques. Les agrégats sédimentables ont été principalement responsables de l'augmentation du rendement fromager avec l’utilisation de CPLD. Dans l'ensemble, la teneur en humidité a expliqué en grande partie la variation des propriétés rhéologiques du fromage en fonction de la fraction de CPLD. Toutefois, en éliminant l'effet de l'humidité, l'addition des agrégats sédimentables du CPLD a conduit à une augmentation de la rigidité du fromage. Par la mise en évidence de l’effet distinct de chacune des fractions du CPLD, au cours de la transformation du lait en fromage, ces travaux ont conduit à l’identification de mécanismes d’action expliquant l’impact de l’introduction de CPLD dans le lait de fromagerie sur les propriétés des gels présure et du fromage : des connaissances en appui au développement de CPLD de haute performance en fromagerie et à l’amélioration de la qualité du fromage enrichi de CPLD. / Transformation of cheese whey into denatured whey protein concentrate (DWPC) for recycling into a subsequent cheese production is now common practice in large-scale industry in Canada. Although DWPC can be used as a fat replacer, considering the high cost of dairy protein in the Canadian context, DWPC is sometimes used as a substitute for milk casein in cheese. The DWPC used to carry out this project consists in a DWPC designed for this purpose in an industrial context. The introduction of DWPC into cheese milk is generally associated with increased water retention in cheese and changes in texture, but the mechanisms responsible for these phenomena remain to be clarified. This thesis was aimed at studying and explaining the consequences of the addition of DWPC to cheese milk on the physicochemical properties of rennet gels and mechanical properties of cheese. A first study evaluated the combined effect of DWPC and fat concentrations in milk on the rennet-induced coagulation properties and gel contraction capacity. The increase in the substitution level of DWPC proteins for milk proteins in cheese milk resulted in a decrease in coagulation rate and gel rigidity (elastic modulus - G), as well as a decrease in gel contraction capacity. A direct effect of the DWPC on these properties was demonstrated beyond an effect attributed to casein dilution. Moreover, this study allowed to compare the effect of denatured whey protein aggregates to that of fat globules, while both elements are considered to be fillers in rennet gels. For equivalent volume fractions, the results clearly showed different impacts of these fillers on gel mechanical properties. A second study evaluated the effect of different fractions from the DWPC on the rennet-induced coagulation properties and gel contraction capacity. The DWPC was fractionated by centrifugation and dialysis into three components: sedimentable aggregates, non-sedimentable component and diffusible component. The diffusible component (soluble minerals) did not affect coagulation and contraction parameters. The sedimentable aggregates and the non-sedimentable component both negatively influenced the coagulation properties as well as gel contraction capacity. The results suggested that beyond the effect of sedimentable whey protein aggregates, soluble proteinaceous complexes (non-sedimentable and non-diffusible) found in the DWPC could interact with the renneted casein micelles and limit gel formation and contraction. A third study evaluated the effect of DWPC and its fractions on the composition and mechanical properties of cheese. Centrifugation was used to induce a moisture gradient in the cheese to isolate the direct contribution of the DWPC and its fractions to the mechanical properties of cheese. Cheese yield and moisture content increased and cheese rigidity (complex modulus - G*) decreased when the DWPC was substituted for milk proteins in milk. However, for cheeses with the same moisture content, the substitution of DWPC proteins for milk proteins had no direct effect on rheological parameters. The sedimentable aggregates were primarily responsible for the increase in cheese yield with the use of DWPC. Overall, moisture content explained to a large extent the variation in cheese rheological properties depending on the DWPC fraction. However, when the effect of moisture was removed, the addition of the DWPC sedimentable aggregates to milk led to an increase in cheese rigidity. By demonstrating the distinct effect of each of the DWPC fractions during the processing of milk into cheese, this work led to the identification of mechanisms that explain the impact of introducing DWPC in cheese milk on the properties of rennet gels and cheese. These knowledges could support the development of high-performance ingredients that increase whey proteins recovery in cheese and could help to improve the quality of DWPC-fortified cheese.

Les macroalgues Palmaria palmata et Saccharina longicruris sont riches en nutriments et contiennent des molécules antioxydantes ainsi que des inhibiteurs de l’enzyme de conversion de l’angiotensine (ECA). C’est également le cas du fromage de type Camembert. Cependant, l’impact de la combinaison de ces deux aliments sur la bioactivité globale est inconnu. Une analyse de la composition nutritionnelle des algues montre que P. palmata était la plus riche en protéines et en sucres totaux. S. longicruris avait un contenu plus élevé en fibres totales, minéraux totaux, sodium, potassium et lipides. Les capacités antioxydante et inhibitrice de l’ECA de l’extrait soluble > 1 kDa de S. longicruris étaient supérieures à celle de P. palmata. Trois différents traitements de fromages modèles ont été étudiés : un contrôle (CC), un modèle contenant 2 % de P. palmata (C2PP) et un autre contenant 2 % de S. longicruris (C2SL). Durant l’affinage (20 jours), l’évolution du pH du caillé des trois traitements était significativement similaire, partant de 4,89 et terminant à 6,77. La même tendance a été observée pour la capacité antioxydante (ORAC), débutant de 0 pour finir à 41,28 mmol TE/g de fromage. La capacité inhibitrice de l’ECA des trois traitements était significativement similaire au jour 0 (13,20%) et au jour 20 (58,27%). Par contre, C2SL n’avait pas la même courbe d’évolution que CC et C2PP. Ces résultats ont permis de valider la richesse nutritionnelle et des bioactivités des macroalgues. Aucun changement n’a été observé sur le développement et la bioactivité finale des deux fromages aux algues. / Seaweeds Palmaria palmata and Saccharina longicruris have high nutritional value and contain antioxidants and angiotensin-converting enzyme (ACE)-inhibitor compounds. This is also applicable to Camembert-type cheese. However, the impact of combining these two foods on the global bioactivity is unknown. The nutritional composition of the two dried seaweeds was characterized. P. palmata had the highest protein and total carbohydrate contents. S. longicruris had the highest contents in total fiber, total minerals, sodium, potassium and lipids. The antioxidant capacity (ORAC) and ACE-inhibitor activity of S. longicruris soluble extract > 1 kDa were higher than P. palmata. Three different types of cheese were studied: cheese control (CC) without seaweeds, cheese with 2% of P. palmata (C2PP) and cheese with 2% of S. longicruris (C2SL). During ripening (20 days), the curd pH of all treatments was significantly similar, starting from 4.89 and finishing at 6.77. The same trend was observed for their ORAC values, starting at 0 and then reached 41.28 mmol TE/g of cheese. The ACE-inhibitor capacity of the three treatments was significantly similar, at day 0 (13.20%) and day 20 (58.27%). On the other hand, C2SL did not have the same evolution curve as CC and C2PP. These results have shown and validated the nutritional value and bioactivities of seaweeds. Also, at the concentration of 2% of seaweeds, no impact was observed on the development and final bioactivities of the two seaweeds cheeses.

L’homogénéisation est un traitement mécanique qui par ses effets de cavitation, turbulence et cisaillement, modifie les propriétés des globules gras (GG) et si appliqué à de hautes pressions, diminue la taille des micelles de caséine. Ce projet visait à déterminer les effets de l’homogénéisation d’une portion de la matière grasse (MG) et de l’homogénéisation haute pression de la fraction maigre sur les aptitudes à la transformation fromagère du lait. La MG laitière a été homogénéisée avant d’être utilisée en fabrication fromagère. L’homogénéisation a provoqué une diminution de la taille des GG et une augmentation de la charge protéique interfaciale. Toutefois, ces effets étaient moins marqués lorsque la teneur en gras était plus élevée au moment de l’homogénéisation. Les laits fromagers ont été standardisés avec des proportions de gras homogénéisé variant de 0 à 100%. Le module d’élasticité du caillé, 60 minutes après l’emprésurage, a augmenté avec la proportion de gras homogénéisé. De plus, l’humidité des fromages et la rétention lipidique ont également augmenté avec la proportion de gras homogénéisé. Cette étude propose de nouveaux leviers technologiques pouvant améliorer les rendements et contrôler la composition des fromages. Du lait écrémé cru a été homogénéisé à quatre pressions différentes (0, 50, 100, 150 MPa) avec un ou trois passages dans la valve d’homogénéisation. Les laits homogénéisés ont été caractérisés et les propriétés fromagères ont été mesurées. La taille et le potentiel zêta des micelles de caséine ont diminué proportionnellement à la pression d’homogénéisation. Malgré ces effets sur les propriétés structurales des micelles de caséine, l’homogénéisation du lait écrémé n’a pas modifié ses aptitudes à la transformation fromagère. Cette conclusion s’applique toutefois à des pressions d’homogénéisation inférieures à 150 MPa et il serait pertinent d’évaluer l’impact de traitements plus sévères. / Homogenization is a mechanical treatment which by its effects of cavitation, turbulence and shear, modifies the properties of milk fat globules (MFG) and if applied at high pressures, decreases the size of casein micelles. This project aimed to determine the effects of the homogenization of a portion of the fat and of the high-pressure homogenization of the skim fraction on the cheesemaking properties of milk. The milk fat was homogenized before being used in cheese making. The homogenization caused a reduction in the size of the MFG and an increase in the protein load. However, these effects were less pronounced when the fat content was higher at the time of homogenization. The cheese milks were standardized with proportions of homogenized fat varying from 0 to 100%. The storage modulus of the curd, 60 minutes after renneting, increased with the proportion of homogenized fat. In addition, cheese moisture and lipid retention also increased with the proportion of homogenized fat. This study proposes new technological approaches that can improve yields and control the composition of cheeses. Raw skim milk was homogenized at four different pressures (0, 50, 100, 150 MPa) with one or three passes in the homogenization valve. The homogenized milks were characterized and the cheese properties were measured. The size and zeta potential of the casein micelles decreased with decreasing the homogenization pressure. Despite these effects on the structural properties of the casein micelles, the homogenization of the skim milk did not alter its cheese processing properties. This conclusion, however, applies to homogenization pressures of less than 150 MPa and it would be pertinent to evaluate the impact of more severe treatments.