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THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L"INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Mécanique Energétique Génie Civil et Procédés

Spécialité : Génie des Proc

édés et Environnement

Par M. Huberson AKIN

Titre de la thèse

Evolution du pH pendant la fermentation alcoolique de moûts de raisins : modélisation et interprétation métabolique S o u t e n u e l e 1 0 M a r s 2 0 0 8 1 0 h e u r e s d e v a n t l e j u r y c o m p o s d e M J e a n M i c h e l S A L M O N P r s i d e n t

M. Pierre STREHAIANO Directeur de thèse

M M X u n M i M E Y E R C o d i r e c t e u r d e t h s e M C h r i s t i a n L A R R O C H E R a p p o r t e u r M C d r i c B R A N D A M M e m b r e M G i l l e s T R Y S T A M M e m b r e M J a c q u e s B L O U I N M e m b r e

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I. Introduction.................................................................................................1

II. Eude bibliographique.................................................................................4

II.1. Acidité et pH des moûts et des vins........................................................................4

II.2. Les principaux constituants des moûts et des vins..................................................8

II.2.1. Les sucres du moût et leur utilisation...........................................................8

II.2.2. Les acides organiques...................................................................................9

II.2.2.1. Acides organiques des moûts....................................................10 II.2.2.2. Acides organiques issus de la fermentation alcoolique.............11

II.2.3. Alcools : éthanol.........................................................................................12

II.2.4. Polyalcools : glycérol.................................................................................13

II.3. Les substances azotées du moût et leur utilisation par la levure...........................13

II.3.1. Les différentes formes d"azote...................................................................13

II.3.1.1. Les ions ammonium...................................................................14

II.3.1.2. Les acides aminés......................................................................15

II.3.1.3. Les peptides et polypeptides (protéines)...................................16

II.3.2. Métabolisme des acides aminés.................................................................17

II.3.3. Evolution des constituants azotés du moût au vin......................................18

II.3.4. La matière minérale....................................................................................18

II.3.4.1. Les cations.................................................................................19

II.3.4.2. Les anions..................................................................................19

II.4. Les transports membranaires.................................................................................20

II.4.1. Les protéines membranaires de transports.................................................21

II.4.1.1. Les canaux.................................................................................21

II.4.1.2. Les pompes et les transporteurs.................................................22

II.4.2. Les différents types de transports...............................................................22

II.4.2.1. Les diffusions............................................................................23

i. La diffusion simple.........................................................................23

ii. La diffusion facilitée......................................................................23

II.4.2.2. Les transports actifs...................................................................24 i. Transport actif primaire..................................................................24 ii. Transport actif secondaire..............................................................25

II.4.3. Le transport des sucres...............................................................................26

II.4.4. Le transport des ions ammonium...............................................................27

II.4.5. Le transport des acides aminés...................................................................29

II.4.5.1. Le transporteur GAP..................................................................29 II.4.5.2. Les systèmes de transporteurs spécifiques................................30 II.4.6. Transport des peptides et des polypeptides................................................33

III. Matériels et méthodes...............................................................................34

III.1. La souche de levure...............................................................................................34

III.2. Les milieux d"activation........................................................................................34

III.3. Les milieux de fermentation..................................................................................35

III.3.1. Les milieux synthétiques............................................................................35

III.3.2. Le moût de raisins......................................................................................36

III.4. Le matériel de fermentation..................................................................................37

III.4.1. Les fermenteurs du laboratoire SPO-INRA de Montpellier.......................37 III.4.2. Les fermenteurs du laboratoire de génie chimique de Toulouse................38

III.5. Techniques analytiques.........................................................................................39

III.5.1. Concentration cellulaire.............................................................................39

III.5.2. Dosage des sucres totaux par la méthode du DNS.....................................40 III.5.3. Dosage des acides organiques, du glycérol et de l"alcool..........................41 i. Dosage à l"HPLC...........................................................................41 ii. Dosages enzymatiques au Mascot Plus..........................................41 - Dosage enzymatique acide malique par kit Mono réactif..................41 - Dosage colorimétrique acide tartrique par kit mono réactif..............42

III.5.4. Dosage de l"azote.......................................................................................42

i. Dosage des ions ammonium (NH4 ii. Dosage de l"azote alpha aminé.......................................................43 iii. Dosage des acides aminés..............................................................43

III.5.5. Dosage du CO

2 dégagé...............................................................................46

IV. Modèle de calcul du pH............................................................................48

IV.1. pH et composés des moûts de raisins....................................................................48

IV.1.1. Le sucre......................................................................................................49

IV.1.2. L"alcool......................................................................................................49

IV.1.3. Les composés acides : acides organiques...................................................50

IV.1.4. Les sources azotées....................................................................................51

IV.1.4.1. Les ions ammonium (NH

IV.1.4.2. Les acides aminés des moûts de raisins...................................53

IV.1.5. Conclusion..................................................................................................57

IV.2. Equations du modèle du calcul du pH...................................................................57

IV.2.1. Notion de potentiel d"hydrogène (pH).......................................................57

IV.2.2. Loi de conservation de la matière..............................................................59

IV.2.2.1. L"ammoniac.............................................................................60 IV.2.2.2. Les acides organiques..............................................................61

IV.2.2.3. les acides aminés......................................................................61

IV.2.3. Equations constitutives...............................................................................62

IV.2.3.1. Masse volumique.....................................................................62 IV.2.3.2. Notion de force ionique............................................................63 IV.2.3.3. Evaluation du coefficient d"activité.........................................63 i. Loi de Debye-Hückel.....................................................................64 ii. Convention de MacInnes................................................................65 IV.2.3.4. Constante diélectrique..............................................................66 IV.2.3.5. Constantes de dissociation des acides organiques...................67

IV.2.4. Equations de contraintes.............................................................................69

IV.2.4.1. Equations d"équilibres chimiques............................................69 i. Acides organiques..........................................................................69

ii. Les acides aminés...........................................................................70

iii. Dissociation de l"eau......................................................................71 IV.2.4.2. Electroneutralité d"une solution...............................................71

IV.3. Formulation et résolution du modèle....................................................................72

IV.3.1. Formulation du modèle..............................................................................72

IV.3.2. Méthode de résolution et diagramme du modèle.......................................75

IV.4. Validation du modèle............................................................................................76

IV.4.1. Simulation du pH de milieux synthétiques composés................................76

IV.4.2. Ajout de composés à différentes concentrations sur moût réel..................78

IV.4.3. Ethanol : Comparaison pH mesuré et simulé.............................................78

IV.4.4. Acides organiques : Comparaison pH mesuré et simulé............................79

IV.5. Conclusion.............................................................................................................80

V. Application du modèle de calcul du pH..................................................81 V.1. Fermentation sur moût synthétique avec NH4 + comme seule source azotée........81

V.1.1. Résultats et discussion................................................................................82

V.1.2. Comparaison pH expérimental et simulé...................................................83

V.2. Fermentation sur moût synthétique avec des acides aminés comme seule

source azotée.........................................................................................................85

V.2.1. Résultats de la fermentation et discussions................................................85

V.2.2. Hypothèses sur l"impact de l"assimilation des acides aminés sur l"évolution

du pH..........................................................................................................91

V.2.3. Simulation de la cinétique du pH expérimental.........................................94

V.3. Fermentation sur moût synthétique contenant du NH4 + et des acides

aminés : milieu MS300.........................................................................................95

V.3.1. Résultats de la fermentation et discussions................................................96

V.3.2. Analyse comparative des cinétiques sur les trois milieux synthétiques de V.3.3. Evaluation de la proportion des acides aminés en fonction de leur charge.

V.3.4. Simulation de la cinétique du pH expérimental.........................................99

V.4. Cas de la fermentation alcoolique sur moût réel.................................................100

V.4.1. Résultats de la fermentation et discussions..............................................101

V.4.2. Evaluation de la proportion des acides aminés en fonction de leur charge V.4.3. Simulation de la cinétique du pH expérimental.......................................104

VI. Conclusions et perspectives...................................................................107

References bibliographiques.........................................................................110

LISTE DE FIGURES

Figure II.1. Flux diffusif selon la loi de Fick

(http://www.sciencebio.com/FacBio/BioCell/Membrane/FBMF5.htm) 23 Figure II.2. Schéma d"un transports actif primaire : cas de la pompe Na +-K+. On a une sortie de 3 Na

+ pour une entrée de 2 K+. 25

Figure II.3. Schéma d"un transports actif secondaire : antiport et symport actifs 25

Figure II.4. Simulation du taux spécifique de production de protons (qH+, mmol h-1 par g de

biomasse). Source d"azote : ion ammonium (Castrillo J.I et coll., 1995). 28

Figure II. 5. Schéma de fonctionnement de l"uniport électrophorétique accumulatif responsable de l"entrée de l"ion ammonium chez Saccharomyces cerevisiae (Salmon J.M.,

1998). 28

Figure II.6. Schéma de fonctionnement du symport électrophorétique accumulatif responsable de l"entrée d"acide aminé chez Saccharomyces cerevisiae (Salmon J.M., 1998). 32

Figure III.1. Les différents types de fermenteurs utilisés dans cette étude. 38

Figure III.2. Correction du CO2 dégagé par extrapolation linéaire 47

Figure. IV.1. Cinétique classique du pH lors d"une fermentation alcoolique sur du moût de

raisins blancs par Saccharomyces cerevisiae (pH initial : 3,32 ; Température : 20°C) 48

Figure IV.2. Evolution du pH en fonction du degré alcoolique du moût de raisins blancs. Test

réalisé à 20°C. 50

Figure IV.3. Test d"ajout d"acide succinique dans un moût de raisins blancs à différents

degrés d"alcool réalisé à 20°C. (pH à ±0,05). 51

Figure. IV.4. Courbe de titrage acido-basique de 1L de solution à 1M de NH

4+ : évolution des

proportions des formes acido-basiques. 52

Figure. IV.5. Evolution des proportions des formes acido-basiques des acides alpha aminés. \b \b\b \b!""""""""""""""##"

Figure IV.6. Digramme de calcul du pH de moûts synthétiques et naturels 76

Figure.V.1. Evolution de l"éthanol, de la biomasse, du dioxyde de carbone, du pH et de l"ammonium au cours de la fermentation alcoolique sur milieu MS_NH

4. 82

Figure.V.2. Evolution de l"acide malique, de l"acide citrique, de l"acide succinique, de l"acide acétique et du pH au cours de la fermentation alcoolique sur milieu MS_NH

4. 82

Figure. V.3. Comparaison des évolutions de pH expérimental et simulé. Fermentation sur

milieu MS_NH4. 84

Figure.V.4. Evolution de l"éthanol, de la biomasse, du dioxyde de carbone, du pH et de l"ammonium au cours de la fermentation alcoolique sur milieu MS_AA. 86 Figure.V.5. Evolution de l"acide malique, de l"acide citrique, de l"acide succinique, de l"acide

acétique et du pH au cours de la fermentation alcoolique sur milieu MS_AA. 86

Figure.V.6.a. Taux d"avancement de la consommation des acides aminés mono acide et

mono amine 88

Figure.V.6.b. Taux d"avancement de la consommation des acides aminés di acides et leur

amides 88

Figure.V.6.c. Taux d"avancement de la consommation des acides aminés di aminés et de la

proline 89

Figure.V.6.d. Taux d"avancement de la consommation des acides aminés aromatiques et

soufrés 89

Figure. V.7. Comparaison des évolutions de pH expérimental et simulé. Fermentation sur

milieu MS_AA : cas de l"hypothèse 2. 92

Figure. V.8. Comparaison des évolutions de pH expérimental et simulé. Fermentation sur

milieu MS_AA : cas de l"hypothèse 3. 95

Figure.V.9. Evolution de l"éthanol, de la biomasse, du dioxyde de carbone, de l"ammonium, de l"azote alpha aminé et du pH au cours de la fermentation alcoolique sur milieu MS_300. 96
Figure.V.10. Evolution de l"acide malique, de l"acide citrique, de l"acide lactique, de l"acide succinique, de l"acide acétique et du pH au cours de la fermentation alcoolique sur milieu

MS_300. 96

Figure V.11. Evolution du pH au cours d"une fermentation alcoolique sur différentes sources azotées. ( ) acides aminés ; () ions ammonium ; (X) acides aminés + ions ammonium.

D"après M.J. Torija et coll. (2003) Manque 1 courbe. 98

Figure. V.12. Comparaison des évolutions de pH expérimental et simulé.

Fermentation sur milieu MS300. 100

Figure.V.13. Evolution des sucres totaux, de l"éthanol, de la biomasse, du dioxyde de carbone, de l"ammonium, de l"azote alpha aminé et du pH au cours de la fermentation

alcoolique sur milieu MR. 101

Figure.V.14. Evolution du glycérol, de l"acide malique, de l"acide citrique, de l"acide succinique, de l"acide acétique et du pH au cours de la fermentation alcoolique sur milieu

MR. 101

Figure. V.15. Comparaison des cinétiques du pH expérimental et simulé.

Fermentation sur milieu MR. 105

LISTE DE TABLEAUX

Tableau II.1. Produits secondaires formés par S. cerevisiae à différents pH du moût. 6

Tableau II.2. Fractions azotées de moûts de raisins. 14

Tableau II.3. Composition moyenne en acides aminés de moûts Australiens (d"après

Gockowiak et Henschke) 15

Tableau II.4. les 20 Acides aminés essentiels 16

Tableau II.5. Récapitulatif des systèmes de transport des acides aminés chez saccharomyces

cerevisiae. Le nombre de protons échangés par types de transporteurs est aussi indiqué. 31

Tableau III.1. Composition du milieu Levain 34

Tableau III.2. Composition du milieu de pré-levain 34

Tableau III.3. Composition du milieu Levain 35

Tableau III.4. Composition du milieu synthétique de base. 36

Tableau III.5. Composition en matière azotée des milieux synthétiques 36

Tableau III.6. Composition du moût de raisins blancs fournie par SOPAGLY 37 Tableau III.7. Tampons de citrate de lithium (www.biochrom.uk ) utilisés dans le dosage des

acides aminés au Biochrom 30 46

Tableau IV.1. Evolution du pH en fonction de la concentration en ions ammonium du moût

de raisins blancs. Test réalisé à 20°C. (pH précision : ±0,05). 53

Tableau IV.2. Liste des 20 acides aminés représentés dans le code génétique avec leur pK

dans une solution aqueuse. (Jukes T.H. et Schmidt L.A. (1934)) 56

Tableau IV.3. Paramètres de calcul de coefficients de dissociation d"acides organiques. T=20°C in water-ethanol solution, ** T=25°C in water (Usseglio-Tomasset and Bosia, 1978) 69

Tableau IV.4. Variables intervenant dans le modèle de calcul du pH. 72

Tableau IV.5 : système d"équations à résoudre. Les fonctions m i(mH+,I) sont consignées dans

le tableau IV.4. 75

Tableau IV.6. Comparaison pH expérimentaux et calculés de différents milieux synthétiques

77
Tableau IV.7. Comparaison du pH expérimental et simulé par le modèle en fonction de la

concentration en éthanol 78

Tableau IV.8. Comparaison du pH expérimental et simulé par le modèle en fonction de la

concentration en acide succinique à 0 et à 12% d"éthanol. 79

Tableau V.1. Quantité d"azote assimilable apportée par chacun des acides aminés dans le

milieu MS_AA. 90

Tableau V.2. Proportions des acides aminés suivant leur charge dans le milieu MS_AA initial

au pH de 3,23 93

Tableau V.3. Concentration d"acides aminés en fonctions de leur charge. 94

Tableau V.4. Proportions d"acides aminés en fonctions de leur charge dans le milieu MS300 ;

pH initial égal à 3,42. 99

TableauV.5. Comparaison des proportions d"acides aminés selon le milieu. 103

Tableau V.6. Proportions d"acides aminés en fonctions de leur charge dans le milieu MR; pH

initial égale à 3,32. 104

1

I. Introduction

Dans un marché mondial de commercialisation des vins de plus en plus concurrentiel, la tendance actuelle pour les producteurs est d"augmenter leur compétitivité en limitant les

pertes, en produisant le plus rapidement possible des vins aux caractéristiques répondant à un

cahier des charges précis. Dans cet objectif, améliorer la maîtrise du procédé de fabrication

est devenue obligatoire pour les producteurs. Ainsi, depuis quelques décennies, de nombreuses études sont menées sur le processus fermentaire dans le domaine oenologique. Effectuée pendant des siècles de façon empirique, la fermentation alcoolique lors de l"élaboration du vin reste encore aujourd"hui mal maîtrisée. Cette étape de fermentation alcoolique est complexe car elle fait intervenir de nombreux processus biologiques, chimiques, physiques qui entraînent une évolution continuelle de la

composition et des propriétés physico-chimiques du milieu. Le potentiel d"hydrogène (pH) est

une des variables utilisées pour caractériser ces propriétés des milieux. Relativement facile à

mesurer, le pH est utilisé dans de nombreux domaines comme variable opératoire,

caractérisation du produit fini ou encore à des fins de contrôle qualité. De nombreuses études

se sont attachées à corréler sa valeur à des lois cinétiques de réactions, des qualités

organoleptiques de produits ou encore des activités enzymatiques. En oenologie, l"influence du pH est bien connue sur quelques aspects. Citons : - La contamination des moûts de raisins et vins par des microorganismes indésirables

(bactéries, levures Brettanomyces) est facilitée par des valeurs élevées de pH (au-delà

de pH = 4).

- L"efficacité du sulfitage pour éviter ces contaminations est également conditionnée par

la valeur du pH. Plus le pH est bas, plus l"action du dioxyde de soufre ajouté est efficace.

L"acidité du vin constitue une de ses caractéristiques de base, tant sur le plan analytique que

sensoriel. Elle conditionne le déroulement de la fermentation malo-lactique (FML), la conservation du vin, le pouvoir antiseptique de l"anhydride sulfureux, la clarification du vin.

Même si l"on ne peut pas corréler totalement pH et acidité perçue à la dégustation, la

connaissance du pH donne tout de même des informations sur les propriétés organoleptiques du vin.

Tout au long de la chaîne d"élaboration, les paramètres acidité totale et pH sont les indicateurs de "

l"état de santé » du produit et de son équilibre. Cependant, la valeur du pH d"un moût et son évolution au cours de la fermentation alcoolique est mal connue et surtout mal expliquée. S"il est généralement admis que le pH 2

d"un vin se situe généralement entre 3 et 4 suivant les vins et les conditions de fermentations,

peu d"études se sont consacrées à sa variation en cours de procédé. C"est à cette

problématique que nous nous intéresserons dans ce travail. Afin de restreindre la difficulté du

problème, nous nous sommes limités dans un premier temps à des fermentations alcooliques de moûts de raisins pour vins blancs dont la technologie est plus simple que pour la vinification en rouge. En blanc la fermentation se fait en phase liquide homogène alors qu"en

rouge, elle est hétérogène (liquide/solide).. Les principales questions qui se sont posées à nous

au début de cette étude et auxquelles nous tenterons de répondre dans ce manuscrit sont : - Quelle est l"importance des variations de pH au cours des fermentations alcooliques ? - Quelle est qualitativement son évolution ? - Est-il possible d"expliquer cette évolution ? Quels sont les phénomènes physiques, chimiques et biologiques responsables de ces variations ? - Enfin, peut-on quantitativement relier ces phénomènes aux valeurs de pH obtenues ? Peut-on alors proposer un modèle mathématique calculant l"évolution du pH en cours de fermentation ?quotesdbs_dbs22.pdfusesText_28

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