Designing Spoonable Milk Kefir Gels: From Fermentation Optimization to Clean-Label Gel Structuring with Psyllium

Abstract

Kefir is a fermented dairy product whose structural properties can be modified to enhance its nutritional and sensory profile. The objective of this study was to develop spoonable milk kefir gels by optimizing fermentation conditions and incorporating psyllium and calcium chloride as structuring agents. In the initial phase of the study, a full factorial design was employed to conduct a comparative analysis of whole milk and skimmed milk during the fermentation process of kefir. The study encompassed the evaluation of the impact of various parameters, including inoculum level, temperature, and fermentation time, on the acidification kinetics of the fermentation process. This evaluation was facilitated through the measurement of pH and total acidity levels. Skimmed milk demonstrated accelerated acidification, consistently attaining a final pH of 4.08 and a total acidity of 9.99 g·L−1 lactic acid equivalents under optimized conditions (5.5% weight:weight grains, 26 ◦C, 24 h). In the subsequent phase, kefir obtained under these conditions was gelled with varying concentrations of psyllium and calcium chloride. Rheological characterization revealed that psyllium markedly strengthened the gel network: at 3.06% w:w psyllium, the elastic modulus increased up to 209.6 Pa, while the critical stress improved from 0.64 Pa at low psyllium/Ca2+ to 10.42 Pa at high psyllium content. Furthermore, zero shear viscosity increased substantially, exceeding 1500 Pa·s in high-psyllium, low-calcium formulations. The findings demonstrate that combining fermentation optimization with clean-label structuring agents enables the development of low-fat kefir gels with enhanced textural and processing properties, supporting their potential as synbiotic, functional dairy products.

El kéfir es un producto lácteo fermentado cuyas propiedades estructurales pueden modificarse para mejorar su perfil nutricional y sensorial. El objetivo de este estudio fue desarrollar geles de kéfir de leche con textura cremosa mediante la optimización de las condiciones de fermentación y la incorporación de psilio y cloruro de calcio como agentes estructurantes. En la fase inicial del estudio, se empleó un diseño factorial completo para realizar un análisis comparativo de leche entera y leche desnatada durante el proceso de fermentación del kéfir. El estudio abarcó la evaluación del impacto de diversos parámetros, como el nivel de inóculo, la temperatura y el tiempo de fermentación, en la cinética de acidificación del proceso. Esta evaluación se facilitó mediante la medición del pH y los niveles de acidez total. La leche desnatada mostró una acidificación acelerada, alcanzando consistentemente un pH final de 4,08 y una acidez total de 9,99 g·L⁻¹ de equivalentes de ácido láctico en condiciones optimizadas (5,5 % p/p de gránulos, 26 °C, 24 h). En la fase posterior, el kéfir obtenido en estas condiciones se gelificó con concentraciones variables de psilio y cloruro de calcio. La caracterización reológica reveló que el psilio fortaleció notablemente la red del gel: con un 3,06 % p / p de psilio, el módulo elástico aumentó hasta 209,6 Pa, mientras que la tensión crítica mejoró de 0,64 Pa con una baja relación psilio/Ca²⁺ a 10,42 Pa con un alto contenido de psilio. Además, la viscosidad a cizallamiento cero aumentó sustancialmente, superando los 1500 Pa·s en las formulaciones con alto contenido de psilio y bajo contenido de calcio. Estos hallazgos demuestran que la combinación de la optimización de la fermentación con agentes estructurantes de etiqueta limpia permite el desarrollo de geles de kéfir bajos en grasa con propiedades texturales y de procesamiento mejoradas, lo que respalda su potencial como productos lácteos simbióticos y funcionales