Technologie de fabrication du fromage (Fromagerie)

Introduction à la technologie de fabrication du fromage

La technologie de fabrication du fromage (fromagerie) repose principalement sur deux étapes : le caillage, ou la coagulation, du lait et la déshydratation du coagulum. Pour certains fromages, on doit avoir recours à une troisième étape, celle de l’affinage, au cours de laquelle l’action des microorganismes et des enzymes apporte les modifications voulues selon les variétés.

La fabrication du fromage est considérée comme un processus de concentration sélective du lait. Pendant ce processus, l’eau est éliminée en proportions variables selon les types de fromages, entraînant avec elle une partie des éléments solubles et des protéines non coagulées.

L’eau et les autres éléments retenues dans le fromage jouent un rôle important dans le déroulement du process de fabrication du fromage et la détermination du type du produit :

• L’eau influence, selon son taux, la vitesse de fermentation et de maturation, la durée de conservation, la texture, tout en contribuant au rendement.
• La matière grasse se répercute sur la texture, la saveur, le rendement et quelque peu la couleur.
• Le lactose agit comme substrat pour la formation d’acides avec ses conséquences sur la coagulation du lait, l’égouttage et la texture du caillé de même que sur la croissance des microorganismes.
• La caséine qui, en coagulant, constitue la base de la pâte fromagère ; sa dégradation contribue à engendrer une gamme de saveurs.
• Les protéines du sérum conservées dans le caillé contribuent à sa valeur nutritive tout en jouant un rôle dans l’affinage.
• Les matières minérales interviennent dans la coagulation du lait et ont une influence sur l’égouttage et la texture du fromage.

Coagulation du lait en fromagerie

La première principale étape dans la fabrication du fromage est la coagulation du lait. En fromagerie, deux modalités sont en usage pour faire cailler le lait : l’acidification et l’addition de présure ; donnant lieu à deux types de caillé, soit le caillé acide et le caillé présure. Les propriétés et le comportement de chacun d’eux diffèrent sensiblement, si bien que leurs différences sont à la base de la technologie et des caractères des divers types de fromage.

Coagulation par acidification

La coagulation de la caséine par acidification (fermentation) résulte de la perte de sa charge électrique jusqu’à son point isoélectrique (pH 4,6). L’abaissement du pH par acidification (ion H⁺) réduit en effet jusqu’à sa neutralisation l’ionisation négative des micelles de caséine. Au pH 5,2 (à 20°C) elles deviennent suffisamment instables pour former un début d’agglomération, alors qu’au pH 4,6, leur charge électrique est devenue complètement nulle, entraînant ainsi leur coagulation complète.

En même temps, l’acidité du milieu a pour effet d’augmenter la solubilité des minéraux, de sorte que le calcium et le phosphore organiques de la micelle passent graduellement en solution dans la phase aqueuse. Il s’ensuit donc un caillé partiellement déminéralisé qui laisse facilement traverser le lactosérum.

Le coagulum obtenu par acidification présente des propriétés chimiques et physiques dont il faut tenir compte dans la fabrication du fromage. Ainsi, bien que d’une certaine fermeté, il est poreux, friable et inapte à se contracter : ce qui rend son raffermissement difficile, d’autant plus qu’il ne se prête pas à des traitements mécaniques.

La coagulation par acidification est la technique régulière dans le cas des fromages frais, tel le cottage. Le lait au repos devient un gel homogène sous l’effet de l’accroissement progressif de l’acidité par des cultures lactiques. On choisit le taux d’inoculation et la température de fermentation de façon à obtenir, à volonté, une coagulation soit hâtive, soit lente. Il importe que le lait soit apte à fermenter, exempt d’antibiotiques et de tout agent inhibiteur, et que la culture soit active.

Pour quelques variétés de fromage, on amorce une coagulation subite en additionnant un acide directement au lait que l’on réchauffe ensuite. De cette façon, cependant, on n’obtient pas un coagulum homogène, mais plutôt un précipité floconneux. Ce procédé permet de récupérer, en plus de la caséine, les protéines du sérum coagulables par la chaleur en milieu acide.

Coagulation présure

En fromagerie (fabrication du fromage), on fait appel davantage à la coagulation présure. Il s’agit, dans ce cas, d’ajouter au lait une enzyme qui a la propriété de coaguler le complexe caséine. D’une façon sommaire, la coagulation présure est le phénomène où le phosphocaséinate de calcium à l’état soluble dans le lait est transformé, sous l’action d’une enzyme coagulante, en phosphoparacaséinate de calcium, insoluble.

Il importe de noter que le caillé présure n’est pas déminéralisé comme le caillé acide : c’est la différence fondamentale entre les deux. Le calcium en particulier, de même que le phosphore, jouent un rôle important dans le mécanisme de coagulation et demeurent des éléments constitutifs du gel de caséine. Cette situation lui attribue des propriétés particulières: il est compact, souple, élastique, imperméable et contractile. Ces caractères se répercutent principalement au niveau de l’égouttage et du raffermissement du caillé et le rendent capable de supporter des interventions mécaniques au cours de la fabrication.

Présure

La présure est une enzyme protéolytique sécrétée par les muqueuses gastriques du quatrième estomac (caillette) du jeune veau (également du chevreau et de l’agneau) avant sevrage. Cette sécrétion se fait à l’état de précurseur inactif, la proprésure qui, en milieu neutre, n’exerce pas d’activité enzymatique, mais devient rapidement présure active en milieu acide. La présure contient, en fait, deux enzymes : la chymosine comme principal constituant, puis la pepsine. Au sevrage, la pepsine devient fortement dominante, alors que s’arrête la production de chymosine. On extrait la présure des caillettes en les faisant tremper dans la saumure.

Ce sont toutefois les présures d’origine microbienne qui remplacent de plus en plus la présure de veau. On les prépare en extrayant les enzymes coagulantes que sécrètent certains microorganismes. Dont les plus satisfaisants sont des moisissures du genre Mucor. Certaines de ces enzymes présentent une stabilité à la chaleur plus grande que les coagulants d’origine animale.

Les préparations commerciales de présure sont dosées pour avoir une capacité coagulante déterminée, appelée « force ». La force de la présure s’exprime généralement sous forme du  rapport entre le volume de lait coagulé par volume de présure dans des conditions précises.

L’activité protéolytique de la présure s’exerce principalement sur la caséine et, à un degré moindre, sur les autres protéines. Elle joue donc deux rôles principaux.

Le premier est de provoquer la déstabilisation des micelles de caséine en attaquant la k-caséine à un endroit bien spécifique de sa molécule, soit le lien peptidique entre un acide aminé appelé phénylalanine et l’acide aminé voisin, une méthionine, que l’on nomme lien PHE-MET. On juge généralement la force d’une présure par son efficacité à couper ce lien peptidique, ce qui aura pour effet de provoquer la coagulation du lait. Il existerait plus de 164 autres liens peptidiques pouvant être coupés sur la k-caséine, en plus de ceux existant sur les autres fractions de la micelle.

Le deuxième rôle de la présure est de s’attaquer à ces liens selon un ordre de spécificité caractéristique de l’enzyme utilisée. Celte action secondaire de la protéine commence lentement au cours de la fabrication, après la coagulation, et se continuera lors de la maturation du fromage. La nature de cette évolution jointe à l’activité des protéases natives du lait, des protéases de la flore originale du lait et de celles du ferment, contribuera à donner au fromage certaines caractéristiques de sa texture et de sa saveur.

Influence de certains facteurs dans la coagulation présure

L’évolution de la coagulation présure dépend d’un certain nombre de facteurs, dont la quantité de présure utilisée. Dans des conditions semblables, la dose influence de façon proportionnelle la vitesse de coagulation et les propriétés rhéologiques (fermeté) du caillé.

La température joue également un rôle important dans ce phénomène. Une température de 40°C à 42°C est idéale pour la coagulation présure, alors qu’à des températures inférieures à 10°C et supérieures à 65°C, il ne se produit pas de coagulation. Exprimé en terme relatif, le temps de coagulation, établi à 1,0 pour une température de 40°-42°C, sera de l’ordre de 1,4 pour 30°C et de 2,0 pour 50°C.

La température a une influence sur le phénomène global de la coagulation, mais à des degrés différents sur chacune de ses deux phases. La phase primaire, comprenant l’action enzymatique sur la k-caséine, se produit même à des températures inférieures à 10°C, tandis que la phase secondaire, plus sensible, nécessite des températures supérieures pour réaliser la coagulation proprement dite. Ce comportement différent permet donc d’amorcer à froid la phase primaire en soumettant le lait emprésuré à une température inférieure à 10°C, sans qu’il ne se caille; puis après quelques heures, de le faire coaguler instantanément en le réchauffant rapidement à plus de 20°C. C’est le principe à la base de l’emprésurage à froid ou de la coagulation en continu.

Le pH modifie la vitesse de coagulation et la fermeté du caillé. En milieu alcalin, la présure est inactivée et ne provoque donc pas de coagulation. Par contre, l’abaissement du pH favorise l’action de la présure sur la caséine, étant donné que l’acidité en diminue la stabilité en réduisant ses charges électriques. Le pH optimal pour l’activité de la présure est de 5,5. Sous des conditions identiques, la durée moyenne de coagulation sera de 200 secondes à pH 6,6-6,7, de 50 secondes à pH 6,1 et de 30 secondes à pH 5,7. Il importe de noter que le coagulum obtenu sous l’action conjointe de la présure et de l’acidification a des caractères différents du caillé purement présure.

La concentration en ions Ca⁺⁺ est également un facteur essentiel, elle n’a pas d’incidence sur la phase enzymatique, mais seulement sur la phase secondaire, celle de la coagulation proprement dite. Une teneur anormalement faible se traduit par une coagulation lente et un caillé mou. Le correctif, dans ce cas, est d’ajouter du chlorure de calcium (CaCl₂) au lait.

Pour sa part, la teneur en phosphate de calcium colloïdal intervient dans le processus de coagulation, étant surtout responsable de la tension du gel.

Coagulation mixte

Pour la majorité des fromages, on provoque le caillage du lait par l’action conjuguée de la présure et de l’acidification avec, généralement la prédominance de l’un ou de l’autre d’entre eux. Cette coagulation mixte fournit des caillés aux propriétés intermédiaires, moins caractéristiques que celles des caillés obtenus par un seul mode de coagulation. La participation respective de la présure et de l’acidification peut varier à volonté selon les types de fromage.

L’emprésurage d’un lait plus ou moins acide, ainsi que l’acidification d’un gel présure sont des applications de la coagulation mixte. On peut noter, entre autres, que dans le premier cas l’acidité diminue le temps de la coagulation présure et, dans le second, que le gel présure subit une déminéralisation progressive.

Egouttage du caillé

Une autre étape primordiale dans la fabrication du fromage (fromagerie) est l’égouttage du caillé.

Les fromages sont des concentrés de lait. La concentration se réalise par l’expulsion plus ou moins poussée de l’eau et de ses éléments solubles. La pâte qui en résulte est formée essentiellement de caséine et de la matière grasse qui y adhère physiquement. Pour sa part, le lactosérum expulsé entraîne la majeure partie du lactose et des matières azotées non coagulées, ainsi qu’une proportion variable des minéraux.

Fondamentalement, c’est la quantité plus ou moins grande de sérum retenu dans le caillé qui va provoquer et déterminer plusieurs caractéristiques qui différencient les variétés de fromage : fermeté, texture, vitesse et intensité de maturation, etc. C’est pourquoi les techniques de fabrication du fromage faites en vue de l’égouttage sont d’une grande importance, d’autant plus que c’est grâce à leur contrôle que les variétés de fromage répondront aux normes requises pour leur extrait sec total.

Le gel frais, d’origine acide ou présure, est instable. Plus ou moins rapidement, le lactosérum emprisonné a tendance à se retirer et à se séparer du caillé qui, lui, se trouve ainsi à diminuer de volume. C’est le phénomène de synérèse. Le terme général d’égouttage réfère plutôt à l’ensemble de la synérèse et des opérations d’évacuation du lactosérum, y compris l’égouttage complémentaire lors du moulage, du pressage et jusqu’au moment de l’affinage.

L’égouttage se déroule différemment selon que l’on a affaire à un caillé acide ou à un caillé présure, et les pâtes qui en résultent ont des caractères différents.

Déroulement de l’égouttage : Cas du caillé acide

Le coagulum obtenu exclusivement par acidification n’a plus de micelles structurées. Il est constitué de molécules de caséine déminéralisée, donc sans lien ni cohésion et incapables de se contracter. L’eau est liée chimiquement à la phase solide et y est retenue fortement.

Dans un coagulum frais, la synérèse débute d’elle-même de façon spontanée et rapide, libérant le sérum qui traverse facilement sa masse poreuse. Cependant le phénomène ne se produit pas à un degré avancé, mais laisse un caillé peu déshydraté et très humide. D’autant plus d’ailleurs, que de nature fragile et friable, le caillé acide ne se prête pas au travail mécanique. Les techniques de cet ordre qui sont toutefois nécessaires en fromagerie, comme le brassage, doivent être appliquées de façon délicate, sans quoi il se détache, en excès, de petites particules de caillé, ou « fines », qui rendent le lactosérum trouble et blanchâtre tout en occasionnant des pertes considérables.

Dans le travail du caillé acide, on a généralement recours à la chaleur comme moyen de suppléer au manque d’effet physique pour le raffermissement ; l’élévation de température favorise, en effet, un égouttage plus intense et plus rapide.

Déroulement de l’égouttage : Cas du caillé présure

La nature différente du caillé présure se répercute sur le comportement de l’égouttage. Lors de la coagulation, la micelle de caséine conserve sa structure et relient le calcium et le phosphore comme éléments importants qui, entre autres, lui confère sa rigidité, sa cohésion et son imperméabilité. Sous l’effet de la présure, il se produit de nouvelles liaisons. Plusieurs micelles se relient entre elles pour former les réseaux agrandis dont les mailles englobantes, tel un tissu spongieux, retiennent mécaniquement une bonne partie de l’eau. L’interaction de tous ces phénomènes amène le réseau à se resserrer et à se contracter
rendant ainsi possible l’expulsion du sérum.

Toutefois la synérèse ne démarre pas de façon spontanée. Le coagulum imperméable rend difficile et lent le passage du sérum. Mais du fait de sa cohésion, il est capable de supporter des  interventions mécaniques favorables à son déroulement. De leur côté, la température et le pH du milieu ont aussi une influence sur l’égouttage. C’est par l’intervention conjuguée de tous ces moyens qu’on peut contrôler la vitesse et le degré de raffermissement du caillé. Dans ce but, on opère les opérations suivantes :

1. Découpage : C’est l’opération qui consiste à trancher en portions égales la masse de lait coagulé. On l’appelle aussi « décaillage » Cette opération permet d’augmenter la surface totale d’exsudation du sérum et de favoriser l’égouttage. En principe, pour les fromages frais et les pâtes molles, le caillé est tranché en cubes plus gros, alors que pour les fromages fermes on les découpe plus petits. On recherche une dimension optimale en vue de leur raffermissement voulu.
2. Brassage : L’agitation mécanique des grains de caillé dans le lactosérum a pour effet d’éviter leur agglomération et d’accélérer leur déshydratation. Elle doit être conduite de façon à empêcher le bris des grains de caillé et d’entraîner ainsi des pertes. Elle doit être faible avec les coagulums fragiles obtenus par coagulation acide. Par contre, les caillés présure voulus pour les fromages fermes peuvent supporter une agitation plus vigoureuse et plus continue.
3. Pressage : Ce procédé permet d’extraire l’eau libre de la pâte de fromage et de compléter ainsi son égouttage. Évidemment, il ne s’applique pas à tous les types de fromage, mais seulement à ceux dont la structure est capable de supporter une pression directe. Il va de soi que les conditions de pressage, telles que l’intensité, la progression et la durée dépendent de la nature des fromages et doivent s’y adapter.
4. Température : C’est en activant les réactions de la présure ainsi qu’en diminuant la viscosité du coagulum que l’élévation de température favorise la contraction du gel et, par là, l’expulsion du sérum. Le degré de chauffage, ou la cuisson, varie avec le type de caillé, son acidité et la fermeté désirée du fromage. On peut même atteindre des températures de 550-600C dans la fabrication de fromages fermes, peu acides, comme ceux du type Gruyère de même que dans le cas de fromages italiens, à pâte plastique.
5. Acidité : L’acidification du gel présure entraîne une diminution de l’eau d’hydratation des micelles, solubilise partiellement les sels de calcium augmentant de ce fait la perméabilité du coagulum, accélère les liaisons secondaires propices à sa contraction : toutes ces conditions interviennent pour faciliter et accélérer l’expulsion du lactosérum. L’efficacité de l’acidification sur l’égouttage est peu marquée jusqu’à pH 5,5 mais de là, augmente jusqu’à pH 4,9 où elle atteint son maximum. L’acidification règle l’association calcium-phosphore pour donner au caillé son élasticité et sa fermenté.
6. Autres facteurs : L’égouttage est lié à la tension du caillé : en général, plus le temps de coagulation est court, plus forte sera la tension du caillé et mieux ce dernier s’égouttera. Tout ce qui occasionne un caillé mou nuit indirectement à l’égouttage. C’est ainsi que peuvent être en cause : la dose de la présure et son activité protéolytique totale, la pauvreté du lait en minéraux, spécialement en calcium, de même que les protéines solubles dénaturées par un chauffage sévère. On peut noter également qu’une plus forte teneur en matière grasse rend la diffusion du sérum plus difficile à travers le gel et, conséquemment, son raffermissement plus lent.

Déroulement de l’égouttage : Cas du caillé mixte

Les coagulums mixtes présentent des caractères intermédiaires entre les caillés purement présure ou acide. Leur égouttage se déroule donc de façon variée selon la prédominance de l’un ou de l’autre agent coagulant. Le caillé présure conserve son aptitude au raffermissement même s’il se déminéralise au cours de l’acidification. De son côté, l’acidité développée active la synérèse. En fait, il s’exerce une interaction de tous les facteurs en jeu. L’égouttage se fait de façon plus ou moins poussée selon l’interaction contrôlée du rôle de la présure, de l’acidification, des modalités de découpage, de brassage, de cuisson et de pressage. On arrive ainsi à obtenir des fromages avec leurs propriétés spécifiques.

Affinage du fromage

Dans la fabrication du fromage (fromagerie), l’affinage est l’étape qui consiste à donner au produit ses caractéristiques spécifiques. Cette étape ne s’applique pas aux fromages frais.

La plupart des fromages ne se consomment pas à l’état frais, mais après avoir subi une maturation ou un affinage. Cela consiste en une transformation biochimique, graduelle et plus ou moins poussée, des constituants du fromage en de nombreux produits plus solubles responsables de nouvelles saveurs et de modifications physiques de la pâte, comme la texture plus onctueuse, la présence d’ouvertures ou « yeux » ou encore la formation de croûte en surface.

Le processus d’affinage est complexe en raison de l’intervention de nombreux paramètres. Cette situation est d’abord liée à la nature déjà complexe du substrat, le caillé : composition et structure de ses constituants, comme la teneur en eau et son degré de dispersion, la structure de la caséine, etc. Elle est due aussi à la variété des agents responsables de l’affinage et à leurs modes de réaction selon les conditions du milieu.

La dégradation des éléments organiques du fromage (affinage) se fait par l’action conjuguée et variable des enzymes et de la flore microbienne.

Action des enzymes

Les enzymes naturelles du lait, dont les lipases et les protéases participent à la maturation mais de façon lente et peu marquée. C’est que les conditions de l’affinage ne leur sont pas propices : la température est plus basse et le pH généralement plus acide que leurs zones optimales. Détruites en partie par la pasteurisation, leur effet en est d’autant diminué. Toutefois, lors d’une maturation prolongée, on peut noter un degré d’affinage plus prononcé dans le fromage de lait cru et préchauffé que dans celui de lait pasteurisé. Les enzymes de la présure ajoutée au lait en vue de sa coagulation exercent une action protéolytique en plus de leur action coagulante.

Dans les pâtes molles, la participation de la présure est faible étant donné, d’une part, que la période d’affinage est courte et d’autre part, les protéases sécrétées par la flore du fromage y sont très actives. Son rôle semble plus important dans les pâtes pressées, non cuites, comme le Cheddar.

Action de la flore microbienne

Ce sont les microorganismes qui jouent le rôle prépondérant dans la maturation du fromage. Pour plus de précision, rappelons qu’ils agissent, en fait, par l’intermédiaire des enzymes qu’ils sécrètent. La diversité de la flore, son évolution au cours de l’affinage ainsi que les changements subis par le substrat, rendent difficile l’étude du rôle de tel ou tel microorganisme.