Généralités sur la fermentation alcoolique

La fermentation alcoolique est un phénomène biologique qui consiste en la transformation par les levures, principalement saccharomyces cerevisiae, des sucres contenus dans le moût, essentiellement le glucose et le fructose (sucres fermentescibles) en éthanol et en dioxyde de carbone (Mounir et al.,2016).

Cette fermentation se constate par des éléments tels que (Toussaint F., 2001) :
– Dégagement du CO2 (dioxyde de carbone) ;
– Bouillonnement du moût ;
– Changement de la couleur du moût ;
– Changement de saveur ;
– Diminution de la densité du liquide.

Ainsi pendant la fermentation alcoolique (éthanoïque), le jus sucré est transformé en boisson alcoolisée.

HISTORIQUE 

La fermentation est un phénomène naturel, se produisant lors de la décomposition de la matière organique. Par ailleurs, l’utilisation de la fermentation par l’homme a débuté de manière empirique. Elle était utilisée initialement pour conserver les denrées, préparer du pain et des boissons alcoolisées. Les études montrent que les Sumériens (Basse Mésopotamie), l’utilisaient déjà 8000 ans avant JC. Il faudra néanmoins attendre le XVIIIème siècle pour découvrir les microorganismes mis en cause. En 1789, A. Lavoisier écrit le premier article sur la fermentation. Il décrit la « fermentation vineuse » comme une division du sucre en deux portions (alcool et acide carbonique) suite à la réaction d’un « ferment ». De nombreux scientifiques vont alors se lancer dans des recherches sur la fermentation et avanceront différentes hypothèses quant à ses causes et déclencheurs. En 1836, trois scientifiques découvrent que la levure est un organisme vivant qui se reproduit par bourgeonnement (Burillard et al., 2015). C’est Louis Pasteur, en 1857 qui établira que la fermentation alcoolique est due à l’activité métabolique de Saccharomyces cerevisiae (levure de bière). Il étudiera ensuite les fermentations acétique, butyrique et lactique, et démontrera que la fermentation est une réaction chimique et biologique, en cultivant les bactéries et levures mises en cause. C’est par ailleurs lui qui donnera la première théorie générale des fermentations : « toute fermentation d’une solution de sucre ou de matière organique résulte de l’activité métabolique d’un micro-organisme spécifique, et s’accompagne de la formation de produits caractéristiques (alcools, acides, cétones et gaz carboniques) » (Burillard et al., 2015).

Glycolyse
La glycolyse est la première étape du processus de fermentation alcoolique. Elle se fait en aérobiose tout comme en anaérobiose et c’est donc le point de départ du métabolisme des sucres que ce soit par fermentation ou par respiration . La première étape est la phosphorylation du glucose grâce à la glucokinase en glucose-6 phosphate qui sera par la suite isomérisé en fructose-6-phosphate par l’intermédiaire de la fructose isomérase. Le fructose-6-phosphate est par la suite phosphorylé pour donner le fructose-1,6- bisphophosphate grâce à la phosphofructokinase. Il y a donc jusqu’à présent consommation de deux molécules d’ATP. Ensuite le fructose-1,6 bisphosphate se dissocie en deux molécules de triose qui se trouvent en équilibre entre elles, la dihydroxyacétone-phosphate (96,5 %) et le glycéraldéhyde-3 phosphate (3,5 %). Cette étape est assurée par une aldolase. Tout au long de la glycolyse, le dihydroxyacétone phosphate est converti en glycéraldéhyde-3 phosphate grâce à la triose phosphate isomérase. Le glycéraldéhyde-3-phosphate sera converti en acide-1,3- bisphosphoglycérique par la phosphoglycéraldéhyde déshydrogénase. A ce niveau, il y a réduction d’une molécule de NAD+ en NADH, H+ et formation de l’acide 3-phosphoglycérique ainsi que d’une molécule d’ATP par intervention de la phosphoglycérate kinase. Puis il y a formation de l’acide 2 phosphoglycérique grâce à la phosphoglycérate mutase. Ensuite l’énolase par élimination d’une molécule d’eau, nous donne l’acide phosphoénolpyruvique qui comporte une liaison riche en énergie qui permet par réaction avec une molécule d’ADP et en présence de la pyruvate kinase la formation d’une molécule d’ATP et de l’acide pyruvique (Nehme N, 2008).

En parallèle à la dégradation du glucose, le fructose présent dans le moût subit une phosphorylation pour donner le fructose-6-phosphate qui va rejoindre la voie de la glycolyse. La glycolyse amène à la formation de 4 molécules d’ATP, 2 molécules étant consommées pour la phosphorylation des sucres, il y a donc un gain de 2 molécules d’ATP par molécule de sucre métabolisé. De plus on a la formation de deux molécules de NADH, H+ qui doivent subir une ré-oxydation (Nehme N, 2008).

SUCRES FERMENTESCIBLES

La fermentation alcoolique est essentiellement une dégradation des sucres en alcool et en gaz carbonique au moyen des levures. Cependant tous les sucres ne peuvent pas se dégrader en alcool ; seuls les sucres fermentescibles le peuvent.

Glucose
Le glucose (ou dextrose) est un sucre monosaccharide (ose) donc un sucre simple, de la famille des aldo-hexoses. De formule brut C6H12O6, le glucose est sous forme cylindrique (pyranose) ; il possède plusieurs isomères tels que le fructose ou encore le mannose et seules leurs formules développées permettent de les différencier.

Monosaccharide présent naturellement dans l’organisme, le glucose est aussi un constituant de disaccharides et de polysaccharides (associé à d’autres sucres pour former par exemple le saccharose, ou plusieurs glucoses associés comme la cellulose) (Burillard et al.,2015). Le glucose est le sucre le plus facilement assimilé par la levure lors de la fermentation.

Fructose
Epimères avec le glucose, le fructose est un ose de la famille des cétoses. On le retrouve sous sa forme brute en abondance dans les fruits ou le miel (Sakina et al., 2017). De formule brute C6H12O6, il se différencie du glucose de par sa structure .

Le glucose et le fructose sont les sucres les plus fermentescibles ; cependant, la levure saccharomyces cerevisiae étant une levure glucophile, elle préfère le glucose au fructose. Ainsi durant la fermentation, le taux de conversion du glucose étant plus élevé que celui du fructose, la proportion de ce dernier augmente au fil de la fermentation ce qui fait qu’il devient en fin de compte le principal sucre disponible lors des dernières phases de la fermentation alcoolique, et ainsi les levures doivent alors fermenter ce sucre (Gafner J., 2011).

Outre ces deux oses précités, nous pouvons retrouver plusieurs autres sucres fermentescibles dont : le saccharose (unités de glucose et de fructose), le maltose, le maltotriose (trois unités de glucose), etc.

LEVURES 

Catalyseurs indispensables en fermentation éthanoïque, les levures sont des champignons microscopiques (micro-organismes) aux dimensions variables, généralement entre 3 et 7μm, différentes par leur caractères botaniques, morphologiques et biochimiques. L’utilisation des levures est très ancienne et date de l’Egypte antique où les Egyptiens, sans connaître la fermentation utilisaient la levure pour fabriquer leur pain. C’est grâce à Louis Pasteur en 1857 que l’on a réellement compris le rôle de la levure dans la fermentation alcoolique (Burillard et al., 2015) ; car il montra la relation qui existe entre la présence de ferments vivants et la transformation du sucre au cours de la fermentation. « La fermentation est corrélative de la vie sans air » a dit Pasteur ; ce sont les levures qui, dans ces conditions, décomposent le sucre avec formation d’alcool et dégagement de gaz carbonique (Castro M., 2007).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LA FERMENTATION ALCOOLIQUE
1.1 DEFINITION
1.2 HISTORIQUE
1.3 PROCESSUS DE LA FERMENTATION ALCOOLIQUE
1.3.1 Glycolyse
1.3.2 Fermentation alcoolique
1.4 SUCRES FERMENTESCIBLES
1.4.1 Glucose
1.4.2 Fructose
1.5 LEVURES
1.6 PARAMETRES INFLUENTS SUR LA FERMENTATION ALCOOLIQUE
1.6.1 Température
1.6.2 Azote assimilable et autres nutriments
1.6.3 Concentration initiale du substrat
1.6.4 Potentiel d’hydrogène (pH) du milieu
1.6.5 Quantité de levure
1.7 ETHANOL
1.7.1 Présentation de la molécule
1.7.2 Propriétés physiques
1.7.3 Propriétés chimiques
1.7.4 Domaines d’utilisation
1.8 REACTEUR DE FERMENTATION ALCOOLIQUE
1.8.1 Mode Batch (discontinu)
1.8.2 Mode Fed batch (semi continu)
1.8.3 Mode continu (chemostat)
CHAPITRE 2 MODELISATION EXPERIMENTALE PAR LES PLANS FACTORIELS
2.1 MODELISATION
2.2 MODELE
2.3 NOTIONS DE MODELISATION EXPERIMENTALES PAR LES PLANS
D’EXPERIENCES
2.3.1 Planification d’essais et analyse de données
2.3.2 Modélisation mathématique
CHAPITRE 3 MATERIEL ET METHODES
3.1 DEMARCHE METHODOLOGIQUE
3.2 CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE DE LA MATIERE PREMIERE
3.2.1 Echantillonnage
3.2.2 Méthodes d’analyse des matières premières
3.3 PLANIFICATION DES ESSAIS DE FERMENTATION ALCOOLIQUE SELON LE PLAN FACTORIEL
3.3.1 Définition des paramètres expérimentaux, réponses et du domaine expérimental
3.4 PROCEDURE DE FERMENTATION ALCOOLIQUE
3.4.1 Matériel
3.4.2 Protocole expérimental
3.5 CALCULS DES REPONSES ET TRAITEMENT DES RESULTATS
CHAPITRE 4 PRESENTATION ET ANALYSE DES RESULTATS
4.1 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES
4.1.1 Humidité et du taux de cendres dans le sucre
4.1.2 Répartition granulométrique
4.1.3 Caractéristiques de l’eau
4.2 RESULTATS BRUTS DES ESSAIS DE FERMENTATION ALCOOLIQUE
4.3 MODELISATION EXPERIMENTALE
4.3.1 Modélisation et prédiction du taux d’alcool au cours du temps
4.3.2 Modélisation et prédiction du brix au cours du temps
CONCLUSION GENERALE  
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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