Alchimie de la séparation et fermentation procédés : histoire, types, et applications modernes

La fermentation est probablement la plus ancienne des biotechnologies. A l’origine, l’humain l’a utilisée pour se nourrir. Mais aujourd’hui, ses champs d’application sont beaucoup plus vastes. Petit rappel historique.

Histoire et évolution de la fermentation

Du néolithique à nos jours : conservation et transformation. Ce sont les Sumériens qui, il y a environ 8000 ans, ont été les premiers à utiliser la fermentation de manière régulière. Ensuite, au fil des siècles, l’humain a appris à maîtriser la fermentation, souvent de manière empirique, pour conserver les aliments, fabriquer du fromage ou encore transformer les viandes, les fruits et les légumes.

Pasteur et la découverte du principe scientifique de la fermentation. En 1857, Pasteur a réfuté la théorie de la génération spontanée et a montré que les micro-organismes à l’origine de la fermentation se développaient grâce aux spores présentes dans l’air et sur les aliments. Il a démontré que les levures pouvaient vivre sans oxygène et a résumé que « La fermentation, c’est la vie sans air ».

La fermentation après Pasteur. Les progrès du XXe siècle ont étendu les applications aux domaines de la chimie, du médicament et de l’industrie, ouvrant la voie à des biotechnologies blanches et à des procédés industriels de plus en plus sophistiqués.

Les ferments et leurs déclencheurs

Les micro-organismes évoqués sont appelés ferments et se répartissent en trois grandes familles : les bactéries, les levures et les moisissures. Les bactéries lactiques (Lactobacillus) interviennent notamment dans la charcuterie, les fromages ou les légumes lacto-fermentés; les levures se développent avec ou sans oxygène et servent à la panification et à la fermentation alcoolique; les moisissures, qui nécessitent l’oxygène, participent à l’affinage de certains fromages et à la production d’arômes alimentaires. L’ensemble de ces ferments a besoin d’eau et des plages de température typiques entre 4°C et 75°C pour se développer et donner des fermentations variées.

Le principe fondamental reste que la fermentation transforme les matières premières grâce à l’action de micro-organismes, qui consomment des substrats, produisent des sous-produits et peuvent libérer des gaz, des alcools ou des acides. Cette transformation est utilisée non seulement pour la conservation, mais aussi pour développer des saveurs, des textures et des profils nutritionnels.

Les différentes formes de fermentation et leurs usages

La fermentation dans l’industrie alimentaire. Elle s’inscrit dans la continuité des premières expérimentations néolithiques et des apports de Pasteur.

Fermentation lactique

Obtenue grâce à des bactéries, elle est la plus utilisée pour transformer et conserver des matières premières comme le lait ou la viande. L’acide lactique produit stoppe le processus de putréfaction et les ferments lactiques permettent de produire des fromages, yaourts, charcuterie et légumes lactofermentés. Ces techniques sont aujourd’hui accessibles chez soi grâce à des yaourtières ou des kits de choucroute et de pickles.

Fermentation alcoolique

Provient essentiellement des levures et n’est pas réservée au brassage de la bière ou au vin: elle sert aussi à fabriquer du pain. Les levures transforment le glucose en CO₂ et en alcool, qui fait lever la pâte et libère de l’énergie. Pour le vin et la bière, les vignerons et brasseurs choisissent les souches selon les arômes et le degré d’alcool souhaités. Des avancées de biotechnologies blanches permettent la sélection et la culture de levures spécifiques, améliorant rendements et biosécurité.

Fermentation acétique

Utilisée pour fabriquer le vinaigre à partir de diverses matières premières (raisins, riz, pommes, fruits rouges, céréales, etc.). La fermentation acétique transforme l’alcool en acide acétique grâce à des bactéries acétiques, formant la « mère de vinaigre » à la surface des jus alcoolisés.

Fermentation propionique

Utilisée dans l’industrie laitière pour les fromages à trous comme le gruyère: le CO₂ produit crée les fameuses cavités dans le fromage.

Fermentation malolactique

Processus biologique qui désacidifie le vin grâce à des bactéries et enrichit le profil aromatique par les co-produits de biosynthèse, apportant stabilité microbiologique surtout dans les vins rouges.

Autres secteurs d’application

Chimie et matériaux. La fermentation permet la production de solvants comme le butanol et l’acétone, d’enzymes (cellulase, pectinase), et de polymères biodégradables pour des emballages écologiques.

Santé et pharmacie. On y produit des hormones comme l’insuline et l’hormone de croissance, des antibiotiques comme la pénicilline, et des probiotiques pour aliments et compléments.

Agriculture et environnement. Engrais organiques, conservation des fourrages, biopesticides naturels, et traitements des eaux usées avec des systèmes de bioremédiation utilisant des microorganisms pour dégrader les polluants et les huiles minérales présentes dans les sols et les eaux.

Fermentation de précision et BGene

Chez BGene, dans le laboratoire « La Brasserie », la fermentation est appliquée à des sucres de deuxième génération avec l’adaptation du génome de levures et bactéries et l’optimisation de leur environnement de croissance pour produire à grande échelle des composés cosmétiques, fragrances et arômes. Cette approche, appelée fermentation de précision, favorise la production de molécules odorantes et d’ingrédients cosmétiques respectueux de l’environnement, en réduisant l’utilisation de ressources naturelles et en évitant dérivés pétroliers ou pétrochimie. L’objectif est de réduire l’eau et les terres agricoles par rapport aux productions classiques et de viser la neutralité carbone.

Le principe de la fermentation de précision repose sur une compréhension fine du mode de vie des micro-organismes et de leurs environnements optimaux. Il s’agit de déterminer ce que chaque micro-organisme peut produire, à quelle vitesse et dans quelles quantités, puis d’ajuster nutriments et conditions (température, pH, oxygène) pour augmenter la biomasse et accélérer les procédés.

Exemple et bénéfices: l’extraction continue du bioréacteur peut maximiser la production d’ingrédients et limiter la toxicité des molécules produites par les micro-organismes. Des systèmes d’extraction, comme l’extraction réactive avec membrane, permettent de récupérer sélectivement les molécules produites, tout en permettant aux microbes de continuer à croître. Des procédés d’extraction ont été validés pour des composés organiques volatils (COV) tels que le 2-phényléthanol et l’acétate d’éthyle, utilisés comme arômes et solvants. Les COV peuvent être produits par divers microorganismes, et leur toxicité peut être mitigée par le couplage extraction- fermentation.

Applications culinaires et culturelles

La fermentation est une alchimie culinaire qui transforme les ingrédients bruts, enrichit les saveurs, améliore la digestibilité et augmente la valeur nutritionnelle des aliments. Répartie à travers les cultures du monde, elle donne des produits emblématiques tels que yaourt, fromage, choucroute, kimchi, miso, shoyu, kombucha, kéfir, bière et pain.

Le kimchi reste un pilier de la culture gastronomique coréenne, avec une préparation méticuleuse et une pâte d’assaisonnement appelée yangnyeom. La cuisine japonaise tire parti du Koji (Aspergillus oryzae) pour des misos et sauces soja, et le Koji peut être cultivé avec des méthodes traditionnelles ou des approches plus technologiques.

Des pratiques régionales montrent l’ampleur et la diversité des fermentations: chicha en Amérique du Sud, fromages et affinages européens, et la lacto-fermentation qui aide à la conservation et à l’amélioration des profils nutritionnels et aromatiques. Chaque région possède ses traditions, ses croyances et ses techniques spécifiques, qui forment une riche mosaïque de savoir-faire en fermentation.

Impact et perspectives

La demande mondiale croissante de produits biosourcés et durables stimule le développement de la fermentation à grande échelle. Pour assurer robustesse et compétitivité, les procédés de fermentation sont souvent couplés à des pré/post-traitements et optimisés selon des critères techniques, économiques et environnementaux. La fermentation extractive émerge comme une stratégie clé pour augmenter les rendements et réduire les inhibitions liées à l’accumulation de certains métabolites.

En résumé, la fermentation n’est pas qu’un art ancien de conservation. C’est une science dynamique qui évolue d’un savoir-faire ancestral à une technologie de pointe, capable de produire des ingrédients cosmétiques, pharmaceutiques, alimentaires et énergétiques tout en préservant les ressources et l’environnement.

Tableau synthèse des types de fermentation et applications:

Le texte ci-contre interroge aussi les dimensions ethnoculturelles et historiques, montrant que la fermentation est, à travers le monde, une pratique qui conjugue savoir-faire et innovation, et qui continue d’évoluer avec les technologies modernes et l’attention croissante à l’environnement.

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