Cette fermentation complexe met en jeu plusieurs substrats carbones et azotés transformés par des levures floculantes en éthanol, CO2, glycérol et de nombreuses autres molécules peu concentrées qui caractérisent le goût et l'arôme de la bière. Le manque de connaissance de base en microbiologie et la quasi inexistance de capteurs directs représentent un handicap pour la surveillance, l'optimisation et l'automation de la fermentation en vue d'obtenir une bière aux qualités gustatives constantes. L’objectif de ce travail est d'apporter une contribution pour améliorer les connaissances sur le comportement de la levure en fermenteur discontinu, développer des nouveaux capteurs directs, proposer un modèle mathématique précis qui, jumelé à une technique de filtrage numérique élaborée, permette d'estimer les variables d'état non mesurées.
Fondements biologiques et physiologie des levures utilisées en brasserie
La première partie est consacrée à l'étude cinétique de croissance et de floculation des levures, d'assimilation des sucres et de production des principaux métabolites avec des conditions opératoires variables (température, pH, agitation, nature du sucre et âge de culture des levures). Les levures Saccharomyces cerevisiae, utilisées en brassage et en vinification, sont des unicellulaires eucaryotes qui peuvent floculer et forment des amas soit spontanément, soit suite à l’ajout de divers composés. Les levures sont facilement cultivables et observables au microscope. Deslevures Saccharomyces cerevisiae sont mises en suspension dans de l’eau tiède et sucrée. Après quelques dizaines de minutes, on observe un virage coloré de l’éthylotest placé à la sortie de l’erlenmeyer. Par ailleurs, le gaz contenu dans le ballon trouble l’eau de chaux.
La fermentation alcoolique est le résultat de la transformation des sucres en alcool par les levures, mais ce processus est bien plus complexe qu’il n’y paraît. Dans les moûts riches en sucre, les enzymes impliqués dans le processus de respiration sont inhibés; c’est le phénomène de répression catabolique. Lors de la fermentation, le glucose subit la glycolyse et aboutit à la production d’ATP, de coenzymes réduits et de pyruvate, qui est ensuite décarboxylé pour former le CO2 et l’éthanol via la réduction du dihydroxyacétone‑phosphate en glycérol dans certains flux redox. Le glycérol joue un rôle important dans la balance rédox durant le métabolisme fermentaire et contribue aussi à la protection osmotique des levures.
Rôle du glycérol dans la balance redox et la stabilité sensorielle
La fermentation alcoolique est globalement équilibrée en termes redox, la production d’éthanol consommant le NADH issu de la glycolyse. Cependant, lorsque des niveaux de NADH excèdent la capacité de l’oxydation via la respiration, du glycérol est produit pour rétablir l’équilibre redox, via la réduction du dihydroxyacétone-phosphate. Cette voie est proportionnelle au statut redox du milieu et conditionne l’ampleur de la production de glycérol par les souches utilisées. Le glycérol contribue également à la stabilité osmotique face à la forte concentration en sucres du moût et peut influencer subtilement le profil sensoriel de la bière finale.
Impacts des conditions opératoires sur le métabolisme et le glycérol
Le rendement de la fermentation alcoolique est inférieur à celui de la respiration cellulaire, mais la vitesse de production d’ATP par fermentation est beaucoup plus rapide, notamment grâce à la concentration élevée d’enzymes glycolytiques et fermentaires dans le cytosol. Les conditions d’oxygénation modérée et les concentrations initiales en glucose influencent fortement l’équilibre entre fermentation et respiration, ce qui peut moduler la proportion de glycérol produite. Plus la fermentation est rapide et courte, plus la part de glycérol peut être relativement faible et inversement lorsque l’oxygénation est insuffisante ou que les conditions rythme l’achèvement de la fermentation.
La bière ambrée, caractérisée par un profil aromatique riche, est un bon exemple d’interactions entre matière première, techniques de brassage et métabolismes levuraires. Le choix des malts, les températures de fermentation et le moment du transfert influencent non seulement l’alcool et le CO2, mais aussi les composés volatils et non volatils qui dérivent du métabolisme des voies mitochondriales et cytosoliques. Le glycérol, bien que minoritaire par rapport à l’éthanol, peut influencer la sensation en bouche et l’équilibre des arômes, notamment dans les fermentations à densité élevée et en pressurisation.
Capteurs directs et modélisation kalmanienne
Une des difficultés majeures réside dans la surveillance en continu des paramètres critiques tels que l’éthanol et le CO2 dissous. L’étude des capteurs directs pour mesurer ces variables est primordiale pour automatiser et stabiliser les fermentations. Les connaissances acquises servent alors à définir et à mettre au point un modèle physiologique et un capteur logiciel par la méthode de Kalman, permettant d’estimer les variables d’état non mesurées à partir de mesures indirectes et d’un filtrage numérique élaboré.
Parcours de la fermentation brassicole et biosynthèse des arômes
La fermentation alcoolique est la voie préférentielle de production d’ATP chez S. cerevisiae et a lieu lorsque la levure est en anaérobiose ou en présence de forte concentration de glucose. Le « effet Pasteur » décrit la promotion de la respiration mitochondriale par l’oxygène lorsque les conditions sont adaptées, tandis que l’« effet Crabtree » montre l’inhibition de la respiration par une abondance de glucose. En brassage, les conditions qui permettent la respiration ne sont généralement pas réunies, favorisant une activité fermentaire élevée et le développement d’arômes propres à chaque profil de bière.
La fermentation malolactique peut également intervenir dans certains vins et influence les profils aromatiques par la conversion du malate en lactate, un exemple de l’impact complexe des microorganismes sur le produit final. Dans le domaine bière-vin, les composants aromatiques issus des acides organiques (citrique, malique, tartrique) et des anthocyanes ou tanins jouent un rôle dans la couleur et le bouquet, et ces éléments varient avec le terroir et les pratiques œnologiques ou brassicoles.
Application pratique et perspectives
Dans l’univers de la bière, l’ambré est une référence de complexité aromatique, obtenue par un assemblage spécifique de malts et par des fermentations hautes visant une production d’esters et d’autres composés aromatiques qui enrichissent le profil. La fermentation principale transforme les sucres dissous en alcool et CO2, puis la lie se forme et la maturation suit, avec diffusion des tanins et interactions avec le bois lors de l’élevage. La maîtrise des paramètres de fermentation et l’évaluation des capteurs directs permettront de mieux prévoir les arômes et l’équilibre en glycérol, éthanol et CO2 pour une bière constante en qualité et en goût.
Tableau récapitulatif des points clés
| Élément | Description |
|---|---|
| Substrats principaux | Glucose, autres sucres dans le moût |
| Produits majeurs | Éthanol, CO2, glycérol, arômes variés |
| Rôle du glycérol | Balance redox; osmoprotection; influence sensorielle |
| Capteurs | Mesures directes d’éthanol et CO2 dissous; capteur logiciel Kalman |
| Conditions optiques | Oxygénation modérée, température, pH, agitation |
Potentiel graphique et multimédia
Pour illustrer les échanges métaboliques et les balances redox, des schémas des voies glycolytique et fermentaire peuvent être insérés, ainsi que des images montrant les levures en culture et les cuves de fermentation.
Absorption et métabolisme de l'éthanol | Métabolisme de l'alcool
Des études historiques montrent que la production de glycérol est liée au statut redox et que l’on peut estimer des rapports glycérol/éthanol dépendant des conditions et des souches, bien que des variations importantes existent selon les souches, les nutriments et l’oxygénation.
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