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N° d"ordre :
THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L"INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Mécanique Energétique Génie Civil et ProcédésSpécialité : 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 tM. 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 ebrought to you by COREView metadata, citation and similar papers at core.ac.ukprovided by Institut National Polytechnique de Toulouse (Theses)
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.............11II.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...................................................................14II.3.1.2. Les acides aminés......................................................................15
II.3.1.3. Les peptides et polypeptides (protéines)...................................16II.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.................................................22II.4.2. Les différents types de transports...............................................................22
II.4.2.1. Les diffusions............................................................................23
i. La diffusion simple.........................................................................23ii. La diffusion facilitée......................................................................23
II.4.2.2. Les transports actifs...................................................................24 i. Transport actif primaire..................................................................24 ii. Transport actif secondaire..............................................................25II.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................................................33III. 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................38III.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..............42III.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..............................................................43III.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...................................53IV.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..............................................................61IV.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...................67IV.2.4. Equations de contraintes.............................................................................69
IV.2.4.1. Equations d"équilibres chimiques............................................69 i. Acides organiques..........................................................................69ii. Les acides aminés...........................................................................70
iii. Dissociation de l"eau......................................................................71 IV.2.4.2. Electroneutralité d"une solution...............................................71IV.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................................76IV.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............................79IV.5. Conclusion.............................................................................................................80
V. Application du modèle de calcul du pH..................................................81 V.1. Fermentation sur moût synthétique avec NH4 + comme seule source azotée........81V.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 seulesource 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"évolutiondu pH..........................................................................................................91
V.2.3. Simulation de la cinétique du pH expérimental.........................................94
V.3. Fermentation sur moût synthétique contenant du NH4 + et des acidesaminés : 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.......................................104VI. 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 debiomasse). 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). 32Figure 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 deraisins 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. Testréalisé à 20°C. 50
Figure IV.3. Test d"ajout d"acide succinique dans un moût de raisins blancs à différentsdegrés 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 NH4+ : 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_NH4. 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_NH4. 82
Figure. V.3. Comparaison des évolutions de pH expérimental et simulé. Fermentation surmilieu 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"acideacétique 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 etmono amine 88
Figure.V.6.b. Taux d"avancement de la consommation des acides aminés di acides et leuramides 88
Figure.V.6.c. Taux d"avancement de la consommation des acides aminés di aminés et de laproline 89
Figure.V.6.d. Taux d"avancement de la consommation des acides aminés aromatiques etsoufrés 89
Figure. V.7. Comparaison des évolutions de pH expérimental et simulé. Fermentation surmilieu MS_AA : cas de l"hypothèse 2. 92
Figure. V.8. Comparaison des évolutions de pH expérimental et simulé. Fermentation surmilieu 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. 96Figure.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 fermentationalcoolique 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 milieuMR. 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"aprèsGockowiak et Henschke) 15
Tableau II.4. les 20 Acides aminés essentiels 16
Tableau II.5. Récapitulatif des systèmes de transport des acides aminés chez saccharomycescerevisiae. 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 desacides aminés au Biochrom 30 46
Tableau IV.1. Evolution du pH en fonction de la concentration en ions ammonium du moûtde 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
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