Study of kefir and kefiran production

Abstract

Kefir is a fermented milk beverage with unique sensory properties and high nutritional and therapeutic values. Currently, there is an increase in its consumption and manufacture in many countries, however, in Portugal, only recently this beverage has started to be produced industrially. Thus, a detailed study of kefir production should be done to help expanding the implementation of kefir industrial process in our country. Additionally, kefiran is a value-added exopolysaccharide (EPS) produced during kefir manufacture, mainly due to the presence of Lactobacillus kefiranofaciens in kefir grains, which could be of commercial interest, since it may have several food and medical applications. To produce kefiran, cheese whey, a by-product from dairy industry, which represents a significant environmental issue due to its high volumes produced and high organic matter content, could be used as a low-cost carbon source as it contains high amount of lactose. In this work, several fermentation conditions were studied for kefir production by kefir grains using UHT milk, and compared concerning pH values, lactose, lactic acid, and ethanol concentrations: initial kefir grains concentration (3, 6 and 9% (w/v)), initial milk volume (100 and 200 mL), agitation rate (0, 60 and 180 rpm) and temperature (controlled, 28 ºC, and room temperature, 21-25 ºC). The best conditions determined for kefir production were also assessed using a pasteurized cow milk sample provided by Lacto Serra company. The best conditions were achieved with 9% (w/v) of initial kefir grains concentration, 200 mL of initial milk volume, controlled temperature of 28 ºC and without agitation, allowing the production of this beverage in approximately 8 h, with both cow milk samples. Moreover, different culture media were tested and compared for kefiran production by kefir grains and by pure culture of Lactobacillus kefiranofaciens: MRS broth medium, UHT and pasteurized cow milk samples, cow cheese whey sample (concentrated and pasteurized) and sheep cheese whey sample (raw). In the end, kefiran extraction, purification and quantification was performed. Kefiran production was the highest when MRS broth medium was fermented by kefir grains during 96 h, resulting in a concentration of 1.69 g/L. Nevertheless, the best result using a cheese whey sample was obtained when cow cheese whey sample (concentrated and pasteurized) was fermented by pure culture of Lactobacillus kefiranofaciens during 148.5 h, providing 1.16 g/L of kefiran. This study showed that a low-cost carbon source like cheese whey can effectively be used to produce a value-added exopolysaccharide like kefiran. Although kefiran values seem promising, a lot of work can still be done concerning to kefiran production optimization.

O kefir é uma bebida láctea fermentada com propriedades sensoriais únicas e valores nutricionais e terapêuticos elevados. Atualmente, tem havido um aumento tanto no seu consumo como na sua produção em vários países. No entanto, em Portugal, só recentemente é que esta bebida começou a ser fabricada industrialmente. Um estudo detalhado da sua produção deve ser feito com o intuito de ajudar a expandir a implementação do processo industrial de kefir no nosso país. Adicionalmente, o kefirano é um exopolissacarídeo (EPS) de valor acrescentado produzido durante o fabrico de kefir, devido essencialmente à presença de Lactobacillus kefiranofaciens nos grãos de kefir, podendo este ser de interesse comercial, uma vez que poderá ter várias aplicações médicas e alimentares. Para produzir kefirano, o soro de leite, subproduto da indústria leiteira, que constitui um problema ambiental significativo devido aos seus elevados volumes produzidos e ao seu alto teor em matéria orgânica, poderá ser usado como fonte de carbono de baixo custo já que contem uma elevada quantidade de lactose. Neste trabalho, foram estudadas várias condições de fermentação para a produção de kefir através dos grãos usando leite UHT e comparadas no que diz respeito ao pH e às concentrações de lactose, ácido láctico e etanol: concentração inicial dos grãos de kefir (3, 6 e 9% (m/v)), volume inicial de leite (100 e 200 mL), velocidade de agitação (0, 60 e 180 rpm) e temperatura (controlada, 28 ºC, e ambiente, 21-25 ºC). As melhores condições determinadas para a produção de kefir foram também avaliadas usando uma amostra de leite pasteurizado de vaca fornecida pela empresa Lacto Serra. As melhores condições foram alcançadas com uma concentração inicial de grãos de kefir de 9% (m/v), volume inicial de leite de 200 mL, temperatura controlada de 28 ºC e sem agitação, permitindo a produção desta bebida em aproximadamente 8 h, com ambas as amostras de leite usadas. Diferentes meios de cultura foram testados e comparados para a produção de kefirano utilizando grãos de kefir e uma cultura pura de Lactobacillus kefiranofaciens: meio MRS, amostras de leite UHT e pasteurizado, amostras de soro de leite de vaca (concentrado e pasteurizado) e de ovelha (cru). No final, realizou-se a extração, purificação e quantificação do kefirano. A produção de kefirano foi a maior quando o meio MRS foi fermentado com grãos de kefir durante 96 h, resultando numa concentração de 1.69 g/L. No entanto, o melhor resultado usando uma amostra de soro de leite foi obtido quando o soro de leite de vaca (concentrado e pasteurizado) foi fermentado através de cultura pura de Lactobacillus kefiranofaciens durante 148.5 h, traduzindo-se em 1.16 g/L de kefirano. Este estudo permitiu mostrar que uma fonte de carbono de baixo custo como o soro de leite pode efetivamente ser usada para produzir um exopolissacarídeo de valor acrescentado como o kefirano. Embora os valores de kefirano obtidos pareçam promissores, muito trabalho pode ainda ser feito no que diz respeito à otimização da produção de kefirano.