Biopreservation technologies and novel modelling approaches to control the development of Staphylococcus aureus in goat’s raw milk soft cheeses

Abstract

A presença de Staphylococcus aureus em queijos frescos de leite cru de cabra tem sido documentada várias vezes. Nestes queijos, não existe uma fase de maturação prolongada que reduza a carga do patogénico e a pasteurização não é utilizada para garantir as características sensoriais únicas associadas a queijos de leite cru. Assim, esta tese teve como objetivo fornecer soluções para melhorar a qualidade microbiológica deste produto em relação à contaminação por S. aureus. Para tal, testou-se a incorporação de extratos de plantas em queijo, a utilização de uma cultura de arranque no leite, e um tratamento térmico moderado do leite (termização), usando modelos preditivos para avaliar o efeito destas estratégias na sobrevivência de S. aureus. Os extratos de plantas avaliados (alfazema, erva-cidreira, estragão, hortelã, manjericão e sálvia) apresentaram várias bioatividades relevantes, entre elas a antimicrobiana, atribuídas aos seus perfis fenólicos. Foi evidente a influência do tipo de solvente e extração no perfil fitoquímico e bioatividades obtidas, o que levou à seleção de três extratos hidroetanólicos (erva-cidreira, hortelã e sálvia) para incorporação em queijo como bioconservantes. Entre as bactérias ácido-láticas isoladas de queijos artesanais, várias demonstraram capacidade antimicrobiana e acidificante. Pelas suas características promissoras, as estirpes L. mesenteroides, L. paracasei, L. cremoris e L. lactis foram selecionadas para a produção de uma cultura de arranque. As várias temperaturas de termização testadas (55 a 64 °C) foram eficazes na inativação de S. aureus em leite, conforme revelaram os modelos, ainda que produzindo efeitos distintos na capacidade de sobrevivência do patogénico. A abordagem de modelação global mostrou estimativa de parâmetros aprimorada, comparando com a modelação em dois passos. Por último, através de modelos dinâmicos (baseados na equação de Bigelow), o efeito inibitório dos extratos vegetais e da cultura de arranque adicionados ao queijo/leite foi validado , demonstrando que a adição de qualquer um dos bioconservantes reduz o tempo necessário para reduzir em um log a concentração de S. aureus. No geral, os modelos preditivos construídos permitiram confirmar a eficácia da termização e dos métodos de biopreservação testados no controlo de S. aureus, oferecendo assim soluções para melhorar a qualidade microbiológica de queijos artesanais de leite cru de cabra.

The presence of Staphylococcus aureus in goats’ raw milk soft cheeses has been documented several times. In these cheeses, there is no prolonged ripening stage that reduces the pathogen load, and pasteurisation is not used to ensure the unique sensory characteristics associated with raw milk cheeses. Thus, this thesis aimed to provide solutions to improve the microbiological quality of this product in terms of S. aureus contamination. For that, the incorporation of plant extracts in cheese, the use of a customised starter culture in milk, and a mild thermal treatment of milk (thermisation) were tested, and predictive models were used to evaluate the effect of these strategies on the survival of S. aureus. The evaluated plant extracts (French lavender, lemon balm, tarragon, spearmint, basil and sage) showed several relevant bioactivities, including antimicrobial activity, which were attributed to their phenolic profiles. The influence of the type of solvent and extraction on the phytochemical profile and bioactivities obtained was evident, which led to the selection of three hydroethanolic extracts (lemon balm, spearmint and sage) to be incorporated into cheese as biopreservatives. Among the lactic acid bacteria isolated from artisanal cheeses, several showed antimicrobial and acidifying capacity. Due to their promising characteristics, L. mesenteroides, L. paracasei, L. cremoris and L. lactis strains were selected to produce a starter culture. The various thermisation temperatures tested (55 to 64 °C) were effective in inactivating S. aureus in milk, as shown by the adjusted models (Weibull), although producing different effects on the pathogen's ability to survive. The global modelling approach showed improved parameter estimation compared to the two-step modelling. Finally, through dynamic models (based on the Bigelow equation), the inhibitory effect of plant extracts and starter culture added to cheese/milk was validated, demonstrating that the addition of any of the biopreservatives reduces the time required to reduce the concentration of S. aureus by one log. Overall, the predictive models built allowed confirming the effectiveness of thermisation and the biopreservation methods tested in controlling S. aureus, thus offering solutions to improve the microbiological quality of artisanal goats’ raw milk cheeses.