Données sur les expériences de fermentation: histoire, mécanismes et enjeux industriels

Les premières traces de production de boissons fermentées datent de bien avant notre ère. En effet, c’est dans le sanctuaire de Göbekli Tepe, au sud de la Turquie qu’on a découvert d’immenses cuves capables de contenir 180 litres chacune avec, à l’intérieur, des résidus de bière. La levure responsable de la fermentation alcoolique est Saccharomyces cerevisiae. Sous son nom de dieu égyptien, se cache un micro-organisme, une levure particulière parmi tous les ferments, levains et levures utilisés depuis la haute Antiquité.

Saccharomyces cerevisiae est construit sur les racines grecques σάκχαρις, saccharo (sucre), μύκης, myces (champignon) et le mot latin cerevisia -ae, cervoise (mot d’origine gauloise désignant la bière). Suite aux travaux de Louis Pasteur, qui ont conduit à améliorer la culture de souches pures, la Grande-Bretagne a introduit en 1879 des cuves spécialisées pour la production de S. cerevisiae. Un peu plus tard, les États-Unis utilisaient des centrifugeuses pour les produire, c’est ainsi que la commercialisation de la levure moderne est devenue possible.

La fermentation alcoolique est un processus biochimique par lequel des sucres sont transformés en alcool dans un milieu liquide et en l’absence d’oxygène. Le vin c’est avant tout du raisin fermenté. Le rôle des levures est de transformer le saccharose contenu dans les baies de raisins en alcool. La réaction entraîne la production de dioxyde de carbone et d’Adénosine Triphosphate (ATP). Les molécules d’ATP fournissent l’énergie nécessaire aux réactions chimiques du métabolisme des levures, tandis que le dioxyde de carbone formera les bulles dans le champagne par exemple.

Il faut environ 220 grains, soit 1 kg de raisin pour faire une bouteille de vin. En théorie, plus le moût est sucré, plus le vin sera alcoolisé. La plupart des vins contiennent entre 11% et 15% d’alcool : il y a donc de l’alcool dans le vin, mais pas seulement ! Sans levures, pas de vin ! Ce sont des organismes essentiels pour la transformation alcoolique. Certaines levures sont présentes naturellement sur les peaux des baies de raisin mais aussi au chai (lieu où l’on emmagasine les alcools et les vins en fûts) : les levures indigènes. D’autres, exogènes, sont rajoutées en cave, soit dès le début du processus ou après une fermentation naturelle qui n’est pas arrivée à terme : les Levures Sèches Actives (LSA).

Beaucoup de viticulteurs pratiquent le levurage en ajoutant telle ou telle souche cultivée en laboratoire selon le cépage, la couleur et le profil de vin souhaité. Pour produire 1 degré d’alcool, il faut environ 17 grammes de sucre. Plus les raisins sont sucrés, plus le vin sera donc alcoolisé. Cependant, les levures s’épuisent dès que le vin atteint 15 degrés d’alcool. Le vigneron peut aussi choisir d’interrompre la fermentation en cours pour conserver une partie du sucre dans son futur vin, pour produire des vins doux par exemple. C’est donc la teneur en sucres résiduels non fermentés qui fera la différence entre le Gewurztraminer sec et moelleux. La date de vendange peut également influer sur ce paramètre.

Die ersten Spuren fermentierter Getränke findet man weit vor unserer Zeit. Es wurden riesige Behälter mit einem Fassungsvermögen von jeweils 180 Litern im Tempel Göbekli Tepe in der Südtürkei entdeckt. In diesen Behältern befanden sich Bierreste. Die für die alkoholische Fermentation verantwortliche Hefe ist Saccharomyces cerevisiae. Unter dem Namen eines ägyptischen Gottes verbirgt sich ein Mikroorganismus, eine besondere Hefe unter allen Fermenten, Sauerteigen und Hefen, die seit der Hochantike verwendet wurde.

Aufgrund Louis Pasteurs Forschungen, die zur Verbesserung der Kultur reiner Stämme führten, hat Großbritannien 1879 Spezialgefässe für die Herstellung von S. cerevisiae eingeführt. Wenig später verwendeten die Vereinigten Staaten Zentrifugen, um sie herzustellen, so dass die Kommerzialisierung moderner Hefen möglich wurde. Wein ist vor allem fermentierte Trauben. Die Rolle von Hefen besteht darin, die in Traubenbeeren enthaltene Saccharose in Alkohol umzuwandeln. Die Reaktion führt zur Produktion von Kohlendioxid und Adenosintriphosphat (ATP). ATP-Moleküle liefern die Energie für chemische Reaktionen im Hefestoffwechsel, während Kohlendioxid beispielsweise in Champagner Blasen bildet.

Für die Herstellung einer Flasche Wein werden etwa 220 Körner oder 1 kg Trauben benötigt. Theoretisch: Um so alkoholischer ist der Wein, um so süßer ist die Maische. Die meisten Weine enthalten zwischen 11% und 15% Alkohol: Der Wein enthält also Alkohol, aber nicht nur! Ohne Hefen kein Wein! Sie sind essentielle Organismen für die alkoholische Transformation. Bestimmte Hefen kommen natürlicherweise auf den Schalen von Traubenbeeren vor, aber auch im Keller wo sich die einheimischen Hefen befinden. Andere Hefen, exogene, werden entweder zu Beginn des Prozesses oder nach einer natürlichen Fermentation, die nicht zu Ende gegangen ist, hinzugegeben: Aktive Trockenhefe. Viele Winzer fügen im Labor kultivierte Hefesorten hinzu, je nach Rebsorte, Farbe und gewünschtem Weinprofil.

Um 1% Alkohol zu produzieren, benötigt man ungefähr 17 Gramm Zucker. Je süßer die Trauben, desto alkoholischer wird der Wein. Die Hefen sind jedoch aufgebraucht, sobald der Wein 15% Alkohol erreicht. Der Winzer kann auch die laufende Gärung unterbrechen, um einen Teil des Zuckers in seinem zukünftigen Wein zu behalten, um beispielsweise süße Weine zu produzieren. Dieser Gehalt an nicht fermentiertem Restzucker macht den Unterschied zwischen trockenem und weichem Gewürztraminer aus. Das Erntedatum kann diesen Parameter ebenfalls beeinflussen. Bei einigen Weinen reifen die Trauben lange, damit sie sich stärker auf Zucker konzentrieren.

La fermentation c'est la conversion du sucre en éthanol et anhydride carbonique par des levures. Tout en faisant ceci, elles peuvent créer des gammes de saveurs différentes de celles existant au départ. Durant la fermentation, les levures transforment le sucre en l'alcool et anhydride carbonique en s'alimentant avec des série de sucres de plus en plus complexes, juste en brisant les molécules de sucre en d'autres composés qui leurs permettent de se développer. D'abord au menu on va trouver le glucose, avant de passer au maltose, puis au maltotriose. Selon la nature de la levure, ces sucres peuvent être "taclés" à différents taux, et pas toujours dans un ordre strict. Théoriquement 10 kg de sucre produiront 6,5 L d'éthanol et 4,9 kilogrammes d'anhydride carbonique.

Les levures sont des champignons unicellulaires. L'un des plus important utilisé pour préparer l'éthanol fait partie du genre saccharomyces, ils se multiplie pour donner une fermentation uniforme, rapide, et des rendements élevés en éthanol, il est très tolérant aux écarts de température, aux variations de pH, et aux concentrations élevées en éthanol. Les levures sont des organismes à respiration facultative - qui signifie qu'elles peuvent vivre avec ou sans oxygène. Dans un cycle normal de fermentation elles emploient de l'oxygène au début et continuent alors à prospérer une fois qu'il a été épuisé.

La levure ne consomme pas le sucre comme nourriture, mais d'autres aliments présent dans le moût. Au cours des années j'ai appris à nourrir les levures des groupes d'hydromel avec un mélange de Vegemite et de sels d'Epsom, ensuite bien aérer le moût avant d'activer les levures et d'ensemencer. Le processus implique deux phases distinctes de fermentation. La fermentation primaire a lieu pendant que la levure se multiplie rapidement dans un environnement aérobie au début et la colonie se fortifie. Dans ces deux étapes il y a une abondance d'anhydride carbonique rejeté qui aide au maintient de l'environnement anaérobie propice à la production d'alcool éthylique.

Ma référence est A.J. après environ 30 minutes, la levure commence à se reproduire rapidement et le nombre de cellules de levure augmente exponentiellement. De l'anhydride carbonique est libéré en grande quantité, il bouillonne à travers la boisson alcoolisée. Pendant que la fermentation a lieu, les cellules de levure ont tendance à se regrouper ensemble (floculer). La dernière phase est une phase stationnaire où les aliments deviennent rares, et le taux de croissance ralentit. Une fois que les nutriments sont épuisés, la fermentation « stationne » ou devient lente, il est alors trop tard pour fournir les aliments ou de la nouvelle levure. Si ceci se produit trop tôt pendant la fermentation, alors vous avez des ennuis.

C'est parce que quand une levure est privée d'aliments, elle se développe aussi bien qu'il est possible avec ce qui est disponible, et ensuite la croissance marque un palier. Ces cellules se rassemblent ensuite avec un taux de protéines moins satisfaisant du à un manque d'azote. Leur contenu en enzymes est moins bon, et elle ne métabolisent pas bien du tout. Les cellules en développement ont une production d'éthanol ~33 x plus rapide que celles qui ne se développent pas. Un ajout à ce stade ne réinitialise pas la croissance des cellules plus anciennes. À ce moment-là le milieu est plus haut en alcool et encore déficient en nutriments. Quelques cellules ont même pu mourir. Même un ajout à la fois d'aliments et de nouvelles levures n'obtiendra pas une remise en marche de l'activité.

La levure de boulangers produira un maximum d'environ 14% d'alcool, alors que les « turbos » peuvent produire jusqu'à 20% d'alcool. Évidemment vous emploierez différentes quantités de sucre pour l'un ou l'autre cas. Ce n'est pas que la Turbo fournit un % plus élevé à partir de moins de sucre, son avantage est qu'elle peut manipuler des concentrations plus élevées. Par conséquent vous finissez avec plus d'alcool dans votre moût de 20L, parce que vous pouvez mettre plus de sucre. Employer seulement la Turbo si vous recherchez un alcool « neutre ». Tout en fabriquant l'éthanol, les levures feront également de très petites quantités d'autres composés organiques - comprenant d'autres alcools, aldéhydes, esters, etc. Ceux-ci sont connues comme « cogeners » ou « huiles de fusel ». C'est la présence de ces derniers qui donnent à l'alcool sa saveur.

* aération et agitation accrues (info personnelle ! Le facteur le plus courant de limitation de la croissance des levure est un manque d'azote. L'azote représente approximativement 9% de la masse des cellules. La façon la plus courante de l'ajouter est l'ion d'ammonium, sous forme de sels comme les sulfates et les phosphates (le phosphore représente approximativement 1-2% de la masse des cellules, et le soufre 0.3-0.5% ainsi ceux-ci sont vraiment utiles - c'est une manière sympathique de fournir ces trois éléments). Les bactéries peuvent doubler leur nombre toutes les 20-30 minutes, mais les levure mettent 3 heures. Une autre technique à privilégier est d'employer beaucoup de levure - si vous utilisez de la levure de boulangers, employez au moins 150g pour 20L de moût.

Parlons un tout petit peu du choix de quelles levures employer. Je suis personnellement enclin à employer des levures « Turbo », qui sont préemballées avec tous les aliments etc. nécessaires. Ceci parce que je fais toujours des moûts eau-sucre pour des alcools neutres purs, et moi je la trouve facile, pratique, et fiable. Je ne cherche pas à la réutiliser une deuxième fois et puisque je distille seulement tous les 2 mois je ne peux pas avoir des ennuis de stockage comme si je conservais plus longtemps.

Comment savez-vous que la fermentation est terminée ? 1. 2. 3. 4. 5. La levure, comme un simple organisme vivant qu'elle est, a quelques besoins alimentaires complexes, certainement plus que seulement du saccharose. Comme il y a une grande variété de levures, elles ont des besoins qui diffèrent largement. L'alcool produit l'est toujours par la famille des saccharomyces, qui ont été, ainsi que leurs besoins, leur métabolisme et leur adaptation à l'environnement, le sujet de beaucoup d'études. Il y a les mécanismes métaboliques « habituels » pour la fermentation du jus de raisin, du moût de bière, etc., par des membres spécifiques de la famille des saccharomyces (par exemple bayanus ou capensis dans le vin, les cerevisae et le carlsbergensis/uvarum pour la bière). Tous ces mécanismes exigent la présence de sucres particuliers et d'éléments nutritifs à des doses moyennes (jus de raisin ou de pomme, moût de malt, etc.) parce que leurs levures spécifiques sont parfaitement adaptées à ces environnements. Il n'y a rien d'autre que l'alcool produit par les levures qui peut prospérer dans un milieu privé de nutriments comme le moût sucré (saccharose). Tous les membres de la famille des saccharomyces sont adaptés aux nutriments de ces riches environnements comme ceux déjà cités, et il n'y a aucune autre organisme sur terre qui s'adapte et subit des mutations aussi aisément et rapidement que la levure, elle est un « cobaye » naturel dans les études cellulaires sur la mort qui sont en cours dans l'espoir de combattre le cancer.

Ces « manières » impliquent presque toujours une perte des qualités comestibles du produit fermenté parce que les composés des produits chimiques fabriqués par les levures affamées et maltraitées forment généralement des liens azéotropiques avec la molécule d'éthanol, qui est le produit que vous concentrez quand vous distillez une substance contenant de l'alcool. Je comprends que les plus populaires levures « turbo » ne soient ni plus ni moins que des souches de saccharomyces particulières bien conditionnées et qui incluent la nécessité toute nue que cette levure devra fermenter seulement des groupes basés sur le saccharose. C'est pourquoi vous les mecs trouvez la notion de re-ensemencement avec de la levure aussi étrangère. Je crois que les turbos sont une très bonne chose pour l'industrie des levures et vraiment elle a mérité cette chance. Mais je pense qu'il faudrait aussi essayer de sensibiliser un peu plus le consommateur avec un équilibre plus raisonnable sur les prix. En conséquence c'est une notion qui je crois inciterait les gens à améliorer les produits distillés de façon exponentielle.

La suite décrit des cas et pratiques variés, comme des exemples de souches et usages industriels, le contrôle qualité et les enjeux de durabilité. À l’échelle industrielle, la stabilité génétique des souches est cruciale: les souches peuvent être polyploïdes ou aneuploïdes et nécessitent des garde-fous rigoureux pour garantir des performances constantes. Des banques de souches et des séquençages permettent de vérifier la viabilité et la stabilité des lignées avant et pendant les process. La culture et la multiplication des levures à grande échelle reposent sur un enchaînement de propagations en milieux adaptés, avec contrôle du niveau de sucre pour éviter l’effet Crabtree et optimiser la biomass. Le pilotage des fermentations intègre aujourd’hui l’intelligence artificielle, les jumeaux numériques et l’analyse des données en temps réel pour améliorer la performance et la traçabilité.

Les procédés soutiennent une économie circulaire et une réduction de l’empreinte environnementale grâce à la valorisation de la chaleur fatale et au recyclage des eaux, tout en explorant de nouvelles sources de carbone et des substrats variés. Dans ce cadre, les interactions entre science, ingénierie et pratiques agricoles s’inscrivent dans une dynamique durable et compétitive à l’échelle mondiale.

Aspects techniques et applications

La fermentation alcoolique transforme les sucres en alcool et en CO2, avec des variations selon les souches et les conditions. Les énergies et les nutriments fournis déterminent la vitesse et l’issue des réactions métaboliques. Des paramètres critiques comme la température, le pH, l’oxygénation et l’alimentation en nutriments doivent être ajustés avec précision pour optimiser la croissance et la production d’éthanol. Les levures industrielles doivent produire de la biomasse, des métabolites et des protéines dans des conditions répliquées et contrôlées, afin d’assurer une production fiable et conforme.

Dans le domaine du vin, la teneur en sucres résiduels et le choix de levures déterminent le profil des vins secs ou doux. L’utilisation de levures indigènes ou exogènes modifie les saveurs et les arômes, et les pratiques de levurage influencent le caractère final du produit. Les distillateurs et l’industrie des carburants utilisent des souches spécialisées capables de tolérer des températures et des concentrations élevées d’éthanol, avec des rendements importants et des exigences de purification et de downstream processing.

Les innovations récentes portent sur l’intégration de l’IA et des jumeaux numériques dans le pilotage des fermentations, l’optimisation des souches par criblage à haut débit, et la mise en place de procédés durables, notamment la récupération de chaleur et le recyclage de l’eau. Ces approches permettent d’améliorer l’efficacité, la reproductibilité et la durabilité des fermentations industrielles.

Tableau synthèse (résumé des mécanismes et paramètres clés)

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