LES FERMENTATIONS

FERMENTATIONS

1) Définition :
Les fermentations résultent de l'action d'enzymes microbiennes sur un substrat organique. Ces réactions biologiques qui dégradent le substrat sont des réactions d'oxydo-réduction se produisant à l'abri de l'air (anaérobiose) et qui dégagent peu d'énergie.

2) Fermentations et alimentation :
L'homme a mis à profit les phénomènes de fermentation pour conserver certains aliments et en transformer d'autres en améliorant leurs qualités nutritionnelles ou organoleptiques*.
De très nombreux aliments fermentés existent actuellement (plusieurs milliers) parmi lesquels pêle-mêle : yaourts, fromages, saucisson, choucroute, pain, vin, cidre, bière mais aussi cacao, thé, café pour ne citer que quelques aliments courants dans nos régions.

2-1) Quelques types de fermentation dans l'alimentation :
Suivant la nature des produits issus de la réaction enzymatique, on distingue plusieurs types de fermentation :

- Fermentation lactique : Il se forme de l'acide lactique à partir du glucose.

L'acide lactique ayant comme formule semi-développée :

Remarque : La fermentation malolactique est un cas particulier, l'acide lactique se formant au détriment de l'acide malique qui donne à un vin par exemple une acidité ("sa verdeur") la plupart du temps non souhaitée (vins rouges de qualité).

- Fermentation alcoolique : Il se forme de l'éthanol à partir du glucose.

- Fermentation acétique :Il se forme de l'acide éthanoïque à partir de l'éthanol.

Remarquons que cette fermentation est aérobie, l'oxydation nécessitant l'oxygène de l'air pour avoir lieu.

- Fermentation propionique : De l'acide propanoïque , de l'acide éthanoïque ainsi que du CO₂et du dihydrogène se forment.

- Fermentation butyrique : Il se forme de l'acide butanoïque, du CO₂et du dihydrogène à partir de l'acide lactique déjà formé par fermentation lactique :

2-2) Quelques applications des différentes fermentations - Les microorganismes utilisés :

- Fermentation lactique :
Elle intervient dans l'élaboration des yaourts, des laits fermentés, des saucissons, de la choucroute, du levain pour le pain, de certains fromages.

Elle est homolactique quand sous l'action de bactéries homofermentaires l'acide lactique est majoritaire.
Parmi les bactéries homofermentaires des bactéries des genres Lactococcus, Lactobacillus et Streptococcus.

Elle est hétérolactique quand sous l'action de bactéries hétérofermentaires on obtient de l'acide lactique et d'autres produits, éthanol, acide éthanoïque, dioxyde de carbone.
Parmi les bactéries hétérofermentaires des bactéries des genres Leuconostoc et certains Lactobacillus.

- Fermentation malolactique :
La gestion de la fermentation malolactique est un des axes majeurs du travail du vin.
Elle est recherchée dans la vinification des vins rouges et au contraire évitée pour les vins blancs et rosés pour lesquels on souhaite garder l'acidité apportée par l'acide malique.
Les bactéries utilisées sont du genre Oenococcus (Oenococcus oeni par exemple).

- Fermentation alcoolique :
L'éthanol de l'ensemble des boissons alcoolisées provient de la fermentation du glucose apporté par les plantes, sous l'effet de la zymase, une enzyme produite par des levures (levure de bière : Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, des champignons microscopiques).
Les solutions glucosées aqueuses qui contiennent plus de 100 à 250g de sucre par litre, ne fermentent plus. Les solutions que l'on obtient peuvent atteindre une concentration maximale en alcool de 15% en volume ; un taux plus important empêcherait la fermentation.
Les plantes ne contiennent, pour la plupart, que peu de glucose, car elles transforment un excédent de cette substance d’assimilation en amidon insoluble ; cet amidon est stocké dans la graine et transformé en sucre lors de la germination par l’enzyme amylase et il est ainsi disponible pour la plante mais aussi pour la fermentation alcoolique.
On appelle l’orge germé, du malt, qui est la matière bien connue servant à la fabrication de la bière.
Le whisky écossais provient de l’orge et le whisky canadien, du maïs.
On utilise pour la fermentation alcoolique, en complément du malt, de l’amidon de pomme de terre.
On utilise fréquemment pour obtenir des eaux-de-vie des fruits à pépins ou à noyaux comme par exemple la prune, la cerise, la pomme et la poire.

- Fermentation acétique :
C'est à Louis Pasteur (1808-1873) que nous devons la découverte de la nature biochimique du processus de formation du vinaigre. A partir de 1865, sur la base des recherches de Pasteur, la production industrielle de vinaigre a connu un grand essor. La bactérie du vinaigre "aceto-bacter" se développe dans le vin non bouché. Les petites mouches qui sont fortement attirées par le vin placé à l'air libre et qu'on appelle mouches du vinaigre (drosophiles) véhiculent l'aceto-bacter. Les bactéries de l'acide acétique forment une couche à la surface que l'on appelle la mère du vinaigre. L'aceto-bacter utilise pour vivre l'énergie libérée par l'oxydation. Les processus qui ont lieu en présence d'oxygène de l'air sont dits aérobies. Toute solution alcoolique diluée peut donner de l'acide acétique ; dans ce cas le taux d'alcool correspond à la quantité d'acide acétique qui résultera de la transformation.

- Fermentation propionique :
L'acide propionique (ou propanoïque) et l'acide éthanoïque sont responsables de la flaveur des fromages à pâte cuite et le gaz carbonique responsable de l'ouverture de ces fromages (Comté, Gruyère et Emmental).
Les bactéries qui produisent ce type de fermentation sont les bactéries propioniques ( genre Propionibacterium).

- Fermentation butyrique :
L'acide butyrique est responsable de l'odeur putride et du goût piquant de certains fromages à pâte cuite.
Cette fermentation a lieu sous l'effet des bactéries Clostridium butyricum .

3) Les fermentations dans l'industrie non alimentaire :

3-1) Les biocarburants :
Trois procédés :
- On extrait de la betterave à sucre ou de la canne à sucre, des jus sucrés que l'on fait fermenter.
- On extrait des matières amylacées (amidon...) de céréales (froment, maïs). Ces matières sont hydrolysées en milieu acide pour obtenir du glucose que l'on fait fermenter.
- D’un point de vue chimique on peut, dans des conditions très particulières, parvenir à transformer du bois (matières ligno-cellulosiques) en sucres fermentescibles, comme le fait par exemple la Suède. Cette technique est encore sujet de recherches.

L'éthanol et l'ETBE qui peut en dériver sont de bons carburants (Pouvoir calorifique élevé : 21700kJ/kg pour l'éthanol, 28900kJ/kg pour l'ETBE contre 35600kJ/kg pour l'isooctane). On les mélange à l'essence (5% d'éthanol dans le biocarburant commercialisé en France, 15% d'ETBE dans le biocarburant commercialisé dans le reste de l'Europe). Jusqu'à 20% d'éthanol, les moteurs classiques fonctionnent sans problème, au delà une adaptation de ces moteurs est nécessaire.

3-2) Les polymères dégradables :
Une industrie des polymères dégradables se développe dans l'optique d'un développement durable, à partir de monomères ou de synthons obtenus par fermentation.
On prépare ainsi les polymères :

- PLA , poly(lactide) utilisé notamment en chirurgie pour des implants. Le polymère qui se déforme dès 50°C, est dégradable dans l'organisme par hydrolyse des fonctions esters, les métabolites naturels étant l'acide lactique et l'acide glycolique, le terme ultime de la dégradation étant CO₂ et H₂O. Le monomère est l'acide lactique obtenu par fermentation lactique du D-glucose issu de l'amidon de maïs.

- SORONA ®, polyester obtenu par polymérisation du propane-1,3-diol (ou PDO) avec l'acide téréphtalique ou TPA, est utilisé pour fabriquer des pièces d'automobiles ou des textiles de hautes performances.
On l'utilise aussi en cosmétologie.
On peut produire le PDO à partir du glucose (obtenu souvent à partir de l'amidon de maïs) fermenté par une bactérie (non pathogène) génétiquement modifiée. On peut aussi l'obtenir par fermentation du glycérol industriel non raffiné (sous-produit de la production industrielle de biodiesel) suivie d'une étape de purification.
Le PDO est un synthon à 3 carbones, base de départ de nombreuses synthèses.

- PBS (PolyButylène Succinate : Acide succinique et butanediol) et PBSA ( PolyButylène Succinate Adipate : Acide succinique, acide adipique et butanediol ).
Ce sont des polyesters biodégradables obtenus à partir de l'acide succinique, qu'on peut produire à partir du glucose (provenant de l'amidon de blé, de maïs ou de résidus ligno-cellulosiques ou provenant des sucres de la canne à sucre ou de la betterave) par métabolisme bactérien (fermentation) ; Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniproducens mais aussi Escherichia Coli sont les principales bactéries utilisées.
L'acide succinique est un synthon à 4 carbones, base de départ de nombreuses synthèses.

*caractère d'un produit pouvant être apprécié par les sens humains : toucher, saveur, odorat....