La fermentation est un processus d'oxydoréduction biologique où le substrat de départ, par exemple le glucose, est oxydé en molécule(s) servant d'accepteur terminal d'électrons, par exemple le pyruvate (2-oxo-propanoïque) pour la réoxydation des coenzymes réduits (NADH et ferrédoxines réduites). Les molécules issues de cette transformation sont libérées dans le milieu. L'énergie de ces réactions d'oxydoréduction est récupérée sous forme d'ATP en général, en quantité limitée. Les molécules issues de fermentation sont généralement des acides ou des alcools, le dihydrogène et le dioxyde de carbone.
Le substrat de départ n'est que partiellement transformé contrairement aux respirations dans lesquelles l'accepteur terminal d'électrons est généralement minéral, en particulier le dioxygène, et le substrat entièrement oxydé en dioxyde de carbone. Les fermentations ont lieu chez des levures et des bactéries, ainsi que dans les cellules musculaires en anaérobiose. Leur caractérisation au XIXe siècle contribua à la découverte des enzymes. Si le substrat de départ est le glucose, la voie utilisée est en général la glycolyse produisant de l'ATP par phosphorylation au niveau du substrat et du pyruvate, tant pour les fermentations que les respirations.
Habituellement, les organismes fermentaires ne disposent pas de chaine respiratoire. Le schéma ci-dessous résume la plupart des fermentations. Les exemples qui suivent montrent la grande complexité des voies empruntées selon les microorganismes en cause et leur environnement. Le rendement énergétique de la fermentation est sensiblement inférieur à celui de la respiration aérobie : seules deux molécules d'ATP sont produites par molécule de glucose fermentée (fermentation lactique ou éthanolique). Ceci vient du fait que les produits de la fermentation sont encore riches en énergie : l'éthanol, par exemple, est un combustible susceptible d'être utilisé comme biocarburant à la place de l'essence pour alimenter des moteurs à combustion interne - on parle de bioéthanol.
La fermentation alcoolique est réalisée notamment par les levures et convertit des glucides tels que le glucose, le fructose et le saccharose - diholoside formé des deux précédents - en éthanol CH3CH2OH et dioxyde de carbone CO2 avec production d'une faible quantité d'énergie métabolique sous forme d'ATP. La fermentation lactique est une voie métabolique, réalisée par certaines bactéries et certaines cellules animales, qui convertit des glucides tels que le glucose, d'autres hexoses et des diholosides formés d'hexoses en lactate CH3CHOHCOO− avec production d'une faible quantité d'énergie métabolique sous forme d'ATP. Elle a lieu en général en anaérobiose et permet la réoxydation des coenzymes réduits (NADH) permettant à la glycolyse de se poursuivre. À titre de comparaison, en présence d'oxygène (O2), la respiration produit jusqu'à 36-38 moles d'ATP à partir d'une mole de glucose, soit environ 18-19 fois plus que la fermentation. Elle mobilise un appareil enzymatique plus complexe (voir le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire).
En termes évolutifs, la fermentation est privilégiée tant qu'il existe de grandes quantités de sucre et peu d'oxygène, ce qui correspond aux conditions de vie avant l'apparition de l'oxygène dans l'atmosphere. Dès que le sucre se raréfie et/ou que l'oxygène devient abundant, comme cela a débuté il y a environ deux milliards d'années et s'est achevé il y environ 250 millions d'années, intervient la respiration cellulaire ainsi que les organismes capables de la mettre en œuvre. La fermentation butanoïque produit de l'acide butanoïque à partir de l'acétyl-CoA. Elle est réalisée par des bactéries. Elle permet de stabiliser les vins de garde.
Il ne s'agit pas réellement de fermentation mais d'une décarboxylation de l'acide malique en acide lactique dans certains processus; le processus est membranaire et permet le transfert de protons utilisés par la pompe à protons. Le terme fermentation est parfaitement inapproprié pour cette oxydation. Fermentation : fabrication de bio-éthanol. La fermentation alcoolique ou fermentation éthylique est réalisée par de nombreux organismes vivants (rares bactéries, levures) de manière permanente ou occasionnelle dans des milieux dépourvus d'oxygène. La propriété de certaines levures à transformer le sucre (saccharose) en éthanol comme seul produit de fermentation est utilisée par l'homme dans la production de boissons alcooliques et pour la fabrication du pain. Ce phénomène est scientifiquement connu depuis les travaux des chimistes Jean-Antoine Chaptal, Gay-Lussac, Pasteur et Buchner qui mettra en évidence le caractère enzymatique de la transformation du sucre en éthanol. La fermentation lactique est très utilisée en fromagerie.
Les yaourts sont obtenus à partir de lait pasteurisé puis refroidi et ensemencé avec deux souches de bactéries, L. Bulgaricus et Streptococcus thermophilus, et incubée selon le procédé de fermentation et le produit à fermenter. La fabrication de la choucroute est réalisée par fermentation lactique en présence de 2 à 3 % de chlorure de sodium. La présence de ferments lactiques dans la flore intestinale serait très favorable à un bon fonctionnement de l’intestin. Enfin, au cours des processus anaérobies présidant à la contraction musculaire, le glycogène libère du glucose et les étapes suivantes mènent à l'acide lactique qui peut être oxydé ensuite lors des processus aérobies. La fermentation lactique est une réaction chimique pouvant se dérouler en cas de privation d'oxygène dans les cellules musculaires. Les muscles ont besoin d'énergie et l'augmentation des ions lactates est liée à la fatigue après l'effort.
Des colonies de bactéries acétiques interviennent en vinaigrerie dans l'acescence de solutions aqueuses contenant de l'éthanol. Les espèces Acetobacter aceti, Gluconobacter oxydans et autres interviennent; une colonie peut former une biofilm significatif et produire de l'acide acétique en présence d'oxygène. La fermentation est une des étapes de la fabrication de la bière où le moût est ensemencé de levures pour transformer les glucides en alcool et CO2. Parmi les lactose et lactates, le fromage et les yaourts restent des produits emblématiques issus de la fermentation. Dans le traitement des déchets organiques et la production d'énergie renouvelable, la méthanisation permet de transformer la matière organique en biogaz; elle précède ou accompagne la fermentation et produit méthane et CO2.
La fermentation précède la maîtrise humaine de ce procédé: fruits fermentent naturellement, le levain naît d'un mélange eau-farine en fermentation spontanée, et les laits fermentés résultent des micro-organismes présents dans le lait. L'utilisation humaine de la fermentation est ancienne et s'est développée de manière indépendante dans plusieurs régions; elle remonte au Paléolithique pour la conservation et au Néolithique pour la fabrication de boissons comme bière et vin. Elle contribue à la detoxification de plantes et à l'acidification, à la maturation de la viande, à l'apport par les agents fermentaires de vitamines et à l'augmentation de la biodisponibilité des minéraux par des processus comme la réduction des phytates par la phytase des lactobacilles du levain.
La fermentation de précision révolutionne le monde de l’industrie en permettant de produire des protéines alternatives et d’améliorer le goût et la texture des aliments. Qu’est-ce que la fermentation de précision ? Définition et principes: elle utilise des micro-organismes hôtes comme des « usines cellulaires » pour produire des molécules organiques spécifiques avec une pureté élevée. On insère des séquences d'ADN dans le génome de l’hôte et on optimise les conditions de culture pour obtenir la molécule cible. Cette approche permet de produire des protéines de lait sans lactose, du collagène sans animaux et d’autres ingrédients fonctionnels.
Phases du processus et applications industrielles
Les phases du processus de production de précision se décomposent en trois segments: phase amont, fermentation, et phase aval (DSP). La phase amont sélectionne la cible moléculaire et la souche hôte et prépare le milieu de culture; la fermentation se déroule dans des bioréacteurs sous atmosphère contrôlée avec une gestion précise des gaz, température et pH; la phase aval assure la séparation et la purification de l’ingrédient cible.
Applications dans l'alimentation: protéines alternatives (ex: caséine sans animal), ingrédients fonctionnels (enzymes, vitamines), et améliorations de goût et texture. Avantages: efficacité, durabilité, qualité et constance, flexibilité et innovation. Le rôle des gaz dans la fermentation de précision est crucial: O2 pour respiration, CO2 comme régulateur de pH et en tant que substrat carboné, N2 pour créer une atmosphère inerte.
Impact environnemental et défis: la fermentation peut contribuer à la durabilité (biocarburants, valorisation des déchets), mais elle demande beaucoup d’eau et d’énergie et peut générer des résidus. Des approches comme la CCU (capture et utilisation du carbone) visent à transformer le CO2 en substrats utiles via des micro-organismes et des procédés électrochimiques micro-bioélectrochimiques (MES). Plusieurs entreprises avancent dans la CCU alimentaire, illustrant une nouvelle économie circulaire.
Exemples pratiques: fermentation dans l'industrie alimentaire (panification, vinification, choucroute, yaourt, fromage) et dans l'industrie biotech (biocarburants, enzymes, protéines). La méthanisation et la fermentation associée permettent aussi la production de biogaz et de digestats utilisables en agriculture. La fermentation de précision, via des souches et gènes spécifiques, ouvre des perspectives pour une production alimentaire durable sans dépendance animale et sans déforestation.
Pour nourrir le monde de demain, des perspectives de développement incluent l’amélioration de l’efficacité des procédés, la réduction des émissions et l’intégration de CCU comme complément à l’agriculture. Les outils d’ingénierie métabolique et les systèmes microbien mobilisent le potentiel de CO2 comme matière première et source d’énergie, avec des applications dans l’alimentation et la santé humaine et animale.
Cycles biogéochimiques - Cycle du carbone
La technique moderne de fermentation de précision s’appuie sur une programmation génétique avancée et sur des partenariats industriels afin de développer une chaîne de valeur durable autour de la production d’ingrédients alimentaires et pharmaceutiques. La fermentation et les micro-organismes constituent ainsi des leviers majeurs pour une économie circulaire et pour une sécurité alimentaire renforcée.
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