Fermentation alcoolique

La bière, un produit de la fermentation alcoolique

La fermentation alcoolique est un processus biochi-mique par lequel des sucres (glucides, principalement leglucose) sont transformés en alcool (éthanol) dans unmilieu liquide, privé d'air.La réaction libère de l'énergie. La plupart des fermentsmicroorganiques (microbes) qui ont la capacité de fer-mentation alcoolique utilisent cette réaction pour gagnertemporairement de l'énergie quand l'oxygène nécessaireà la respiration cellulaire manque.

1 Histoire de la découverte

L'homme a utilisé la fermentation alcoolique par exempledans la fabrication de la bière ou celle du vin depuisdes millénaires, sans connaître les processus biologiquesprécis. En 1815, le chimiste français Joseph Louis Gay-Lussac a établi pour la première fois l'équation brutede la réaction chimique de la décomposition du glu-cose en éthanol. Puis se développèrent diverses concep-

tions sur le mécanisme de la fermentation. Tandis quedans les années 1830 Jöns Jakob Berzelius et Justus vonLiebig attribuaient, dans une « théorie mécaniste de lafermentation, » une action catalytique à certaines sub-stances, Charles Cagniard de Latour, Theodor Schwannet Friedrich Traugott Kützing pouvaient prouver, indé-pendamment les uns des autres, que des êtres vivants,notamment des levures, en étaient responsables[1]. LouisPasteur a aussi postulé en 1857 une « théorie vitalistede la fermentation » selon laquelle la fermentation al-coolique n'était possible qu'en liaison avec des cellulesvivantes. Le 11 janvier 1897, la controverse fut résoluepar Eduard Buchner, avec une publication sur la preuvede fermentation alcoolique au moyen d'extraits de levuresans cellules. Il rendit la matière zymase — identifiéemaintenant comme un mélange de diverses enzymes —responsable de la transformation du sucre en éthanol, etreçut en 1907 le prix Nobel de chimie « pour ses re-cherches en biochimie et la découverte de la fermenta-tion en l'absence de cellules. » Des recherches plus ap-profondies de Arthur Harden et William John Young(en) conduisirent à la découverte d'un produit intermé-diaire phosphorylé : l'ester de Harden-Young, aujourd'huiconnu sous le nom de fructose-1,6-bisphosphate. Hardenet Hans von Euler-Chelpin reçoivent ensemble en 1929aussi le prix Nobel de chimie « pour leurs travaux surla fermentation des sucres et les enzymes qui y parti-cipent. » Après que les réactions partielles ont été misesen évidence et que des schémas pour le déroulement dela fermentation ont été esquissés, Otto Heinrich Warburga identifié la coenzyme Nicotinamide adénine dinucléo-tide (NADH) comme composant essentiel du processusde fermentation. Dès 1937, Erwin Negelein (de) et HansJoachim Wulff réussissaient la cristallisation de l'enzymede fermentation alcool déshydrogénase[2].Aujourd'hui, les enzymes d'espèces diverses prenant partà la fermentation ont été isolées et caractérisées bio-chimiquement (Optimum de pH, de température, vi-tesse de réaction, taux de transformation). L'analyse dela structure cristalline a donné une première vision surleur structure spatiale moléculaire. On a des connais-sances sur les mécanismes de réaction. Au total, on estainsi dans la position de faire des comparaisons entreespèces[3],[4]. Les gènes décodés, qui contiennent la struc-ture de ces enzymes donnent des conclusions sur leur ori-gine évolutionnaire et leur fonction originelle éventuelle.

1

2 3 BASES BIOCHIMIQUES

2 Le rôle dans le métabolisme

La fermentation alcoolique est principalement utiliséepar diverses espèces de levures pour faire de l'énergie. Sielles ont de l'oxygène à leur disposition, elles oxydent lessucres par respiration cellulaire, et trouvent ainsi l'énergienécessaire à la vie. Les sucres sont alors complètementoxydés par une longue chaîne de réactions enzymatiques(glycolyse - décarboxylation du pyruvate - cycle de Krebs- chaîne respiratoire) en dioxyde de carbone et en eau,en consommant de l'oxygène. S'il n'y a pas d'oxygènedisponible, les levures ont dans la fermentation alcoo-lique une autre possibilité de fourniture d'énergie. Maiselles peuvent ainsi — par comparaison avec la respirationcellulaire — récupérer substantiellement moins d'énergiedu glucose, sous forme d'adénosine triphosphate (ATP) :par oxydation complète, une molécule de glucose four-nit 38 molécules d'ATP[5], mais par fermentation alcoo-lique seulement 2 molécules d'ATP. Ces deux moléculessont obtenues dans la glycolyse, la première étape de lachaîne de réactions aussi bien pour la respiration cel-lulaire que pour la fermentation. Les deux étapes sup-plémentaires de la fermentation, et donc la productiond'éthanol servent non pas à faire de l'énergie, mais à la ré-génération du cofacteur NAD+ utilisé par les enzymes dela glycolyse. Comme le NAD+ est disponible en quantitélimitée, il est transformé par les enzymes de fermentationde l'état réduit NADH en état oxydé NAD+ par réductionde l'acétaldéhyde en éthanol.Les levures sont donc des aérobies facultatifs. Quandl'oxygène est disponible, le glucose est métabolisé parvoie aérobie. En l'absence d'air, les levures doivent parcontre faire la fermentation alcoolique. Comme celle-ciproduit bien moins d'énergie que la respiration aérobie, lebesoin en glucose augmente considérablement. Ce phéno-mène est nommé effet Pasteur. En raison de la productiond'énergie limitée, les levures se multiplient en l'absenced'air bien moins vite qu'en sa présence. En plus, l'éthanolfabriqué joue le rôle de poison cellulaire.On a aussi observé la production d'éthanol par des le-vures, malgré la présence de suffisamment d'oxygène.Ceci se produit quand elles vivent dans un milieu sursu-cré, et que les enzymes de la respiration cellulaire sontsurchargées. Les levures consomment constamment lesucre, et le transforment par fermentation à côté de la res-piration. Il s’agit ici de l'Effet Crabtree[6].Outre les levures, beaucoup de bactéries pratiquent la fer-mentation alcoolique[7]. C'est ainsi que Sarcina ventriculiutilise la même voie enzymatique que la levure, tandis queZymomonas mobilis emprunte une autre voie. De même,on a pu démontrer dans certaines plantes de faibles pro-ductions d'éthanol sous l'action du manque d'oxygène[8].

3 Bases biochimiques

3.1 Réactions enzymatiques

Glycolyse

Décarboxylase du pyruvate

Pyruvate

Acétaldéhyde

Alcool déshydrogénase

Éthanol

Déroulement de la fermentation alcoolique

Les premières étapes de la fermentation alcooliquesont celles de la glycolyse. Chez la levure de boulan-ger (Saccharomyces cerevisiae), la voie suivie est cellede Embden-Meyerhof-Parnas, tandis que chez le Zy-momonas mobilis, une bactérie, c'est celle de Entner-Doudoroff[9]. Cette voie transforme une molécule de D-glucose en deux molécules de pyruvate. Le S. cerevi-siae fabrique deux molécules d'adénosine triphosphate(ATP) à partir de deux molécules d'adénosine diphos-phate (ADP) et de deux radicaux phosphate (Pᵢ) parphosphorylation. Chez Z. mobilis, une seule moléculed'ATP est formée. De plus, dans les deux voies, deux ionsNAD+ sont réduits en 2 molécules de NADH.Pour que la glycolyse puisse continuer à se faire, il faut

3.3 Régulation 3

que le NAD+ soit régénéré. Ceci se produit en conditionsanaérobies par la réaction de fermentation qui suit. Dechaque molécule de pyruvate, une molécule de dioxydede carbone est détachée par l'enzyme décarboxylase dupyruvate. Pour cette réaction, il faut comme coenzymesla thiamine pyrophosphate, un voisin de la vitamine B1

(ou thiamine) et deux ions magnésium. Ne pas confondrela décarboxylase du pyruvate avec le complexe pyruvatedéshydrogénase, qui joue un rôle central dans l'oxydationaérobie du pyruvate.L'acétaldéhyde produit lors de cette étape est très toxiquepour l'organisme, et est immédiatement transformé lorsde l'étape suivante. L'enzyme de catalyse alcool déshy-drogénase (EC 1.1.1.1) contient un ion zinc (Zn2+) quipolarise le groupe carbonyle de l'acétaldéhyde. Ceci per-met le transfert de deux électrons et d'un proton duNADH vers l'acétaldéhyde, ce qui le réduit en éthanol,et le NAD+ est régénéré. La glycolyse et les deux réac-tions suivantes prennent place dans le cytoplasme de lacellule.Pour la levure de boulanger, l'équation globale de la ré-action s’écrit :L'enzyme alcool déshydrogénase fait de l'éthanol par ré-duction de l'acétaldéhyde, mais peut aussi catalyser la ré-action inverse. Pendant la fermentation alcoolique, le pro-cessus de réduction de l'acétaldéhyde en éthanol est ma-joritaire. L'éthanol produit est alors excrété des cellulesvers le milieu environnant.L'oxydation de l'éthanol en acétaldéhyde a lieu par contrepar exemple dans la détoxication de l'éthanol dans le foie.L'acétaldéhyde est toxique, et constitue, à côté des alcoolsde fusel, la principale cause du mal de tête et de la nau-sée après une ingestion importante d'alcool (la fameuse« gueule de bois »). L'acétaldéhyde est oxydé en acideacétique par l'enzyme acétaldéhyde déshydrogénase.

3.2 Conditions de la fermentation

La fermentation alcoolique ne peut se produire que souscertaines conditions :

• Température :

• trop froid (10 °C), le processus est très ralentivoire incomplet

• trop chaud (au-delà de 45 à 50 °C), les levuresmeurent, le milieu devient inapte à leur survie.La formation d'alcool pendant la fermentationlimite encore plus fortement la capacité de ré-sistance à la température de Saccharomycescerevisiae. On considère, en vinification, que30 °C - 32 °C est une température maxi-male, au delà de laquelle le risque d'arrêt dela fermentation est très élevé. De plus en plusde vinificateurs travaillent d'ailleurs, en vinrouge, à des températures proches de 25 °C

grâce à la maîtrise permise par l'installationd'échangeurs thermiques immergés (appeléscouramment « drapeaux ») dans les cuves devinification

• Oxygène : Bien que la fermentation soit un phé-nomène anaérobie, les levures ont besoin d'un peud'oxygène pour se multiplier et synthétiser desstérols qui permettent une meilleure résistance àl'éthanol (et donc une survie améliorée).

• Azote assimilable : Il provient des raisins ou de leurmoût mis à fermenter. Il est nécessaire pour assu-rer la production de protéines, donc la multiplicationdes levures. Dans les zones les plus méridionales, ilest souvent en quantité insuffisante par rapport auxbesoins de la population de levures : la carence ab-solue est fixée autour de 150 mg/ℓ (pour fermenter200 g de sucres /ℓ) avec des besoins qui croissent enfonction de la quantité de sucres à fermenter. Unecarence peut conduire à plusieurs résultats souventnégatifs pour la qualité des vins obtenus : productionde composés soufrés malodorants (odeurs soufrées,« de réduit », de chou...), ralentissement des finsde fermentation ou arrêt de fermentation avec pré-sence de sucres résiduels. Ces deux dernières situa-tions induisent une élévation des risques de multipli-cation d'espèces indésirées à ce stade de la vinifica-tion : bactéries lactiques, bactéries acétiques, levurescontaminantes (Brettanomyces bruxellensis principa-lement).

• Alcool : C'est un antiseptique, même pour les mi-croorganismes qui l'ont produit. Passée une certaineconcentration (de 14 à 16 %), il agit comme unpoison pour les levures. Les boissons de plus hautdegré alcoolique sont produites par distillation.

Dans la fermentation alcoolique par les levures, desproduits annexes indésirables sont également produits,comme le méthanol, et autres alcools comme le 1-butanol, l'alcool amylique et des hexanols. Leur forma-tion ne suit pas la voie métabolique décrite ici, maisils viennent par exemple de la décomposition d'amino-acides. Dans le corps, le méthanol est oxydé par l'enzymealcool déshydrogénase en formol très toxique. Si l'on boitbeaucoup d'alcool de mauvaise qualité (avec une grandeproportion de méthanol), il se produit dans le corps unegrande quantité de formol, qui endommage des protéinestrès sensibles, notamment les senseurs de l'œil, et il peutse produire dans le pire des cas des crampes musculaires,la cécité et finalement la mort.

3.3 Régulation

La régulation, c'est-à-dire le changement entre respi-ration cellulaire aérobie et fermentation anaérobie est

4 3 BASES BIOCHIMIQUES

Formaldéhyde

.

Méthanol

Dégradation du méthanol dans le corps, catalysée par l'alcooldéshydrogénase (ADH)

un thème de recherches actuel. On ne peut pas établirde schéma de régulation selon le système « Changerl'interrupteur quand il manque X. » Il y a déjà des diffé-rences entre diverses variétés de levures, sans parler desplantes et des bactéries. Mais les chercheurs sont près detrouver la solution du problème[10]. Un rôle essentiel estjoué par les concentrations en oxygène et en glucose.En outre, il y a par exemple chez S. cerevisiae deux gènespour l'enzyme alcool déshydrogénase cytosolique, et doncdeux enzymes légèrement différentes, ADH1 et ADH2.Les deux enzymes peuvent transformer l'acétaldéhydeen éthanol et réciproquement. Mais de petites diffé-rences dans leur structure moléculaire donnent à cesréactions des vitesses différentes : ADH1 transforme

l'acétaldéhyde en éthanol plus vite, tandis qu'ADH2 ef-fectue plus vite la réaction inverse. La présence des en-zymes est régulée par des facteurs de transcription, quidirigent la lecture des gènes[11]. L'ADH1 est toujours pré-sente. Si le niveau de glucose tombe de façon drastique,alors s’enclenche la synthèse de l'enzyme ADH2, qui peutmétaboliser l'éthanol pour faire de l'énergie (en présenced'oxygène), et maintient ainsi la levure en vie. La levurepeut aussi faire de l'éthanol quand suffisamment de sucreest présent, et décomposer cet éthanol plus tard quandelle a un besoin urgent d'énergie. Du point de vue del'évolution, elle a ainsi un avantage : elle empoisonne tousles concurrents à la nourriture avec de l'éthanol, puis uti-lise ce dernier elle-même. La naissance des deux gènesADH1 et ADH2 est probablement due à la duplicationd'un même gène origine. Chez d'autres espèces, il existemême plus de deux alcool déshydrogénases.

3.4 Bilan énergétique

Comme nous l'avons vu, sous conditions anoxiques, larespiration cellulaires avec la phosphorylation d'ADP enATP de la chaîne respiratoire ne fonctionne pas, la seulesource d'énergie dans ces conditions est la glycolyse avecformation d'ATP par phosphorylation du substrat. Elle nefournit que 2 molécules d'ATP par molécule de glucose,tandis que la respiration cellulaire en fournit 38.Si la décomposition du glucose en pyruvate venait à s’ar-rêter, le processus s’arrêterait vite, parce que la glyco-lyse utiliserait tout le NAD+ disponible. Cette substancen'existe qu'en traces dans la cellule, et doit être constam-ment régénérée. C'est pourquoi dans la fermentation al-coolique, le pyruvate est décarboxylé et l'acétaldéhydeest réduit en éthanol par le NADH, avec oxydation duNADH en NAD+. En prenant la chaîne de réaction glo-bale du glucose à l'éthanol, il ne se produit pas de NADH,riche en énergie.Si l'on considère le carbone, son nombre d'oxydationpasse de 0 dans le glucose à +4 dans une molécule dedioxyde de carbone et à −2 dans chacune des 2 mo-lécules d'éthanol. La fermentation alcoolique constitueainsi une dismutation, un cas particulier des réactionsd'oxydoréduction.La variation de l'enthalpie libre dans la fermentation al-coolique s’élève sous les conditions standard, sauf à pH 7au lieu de 0, à ΔG0' = - 218 kJ par mole de glucose, eten cas de respiration cellulaire à - 2822 kJ par mole deglucose. Les conditions standard sont : température 25°C, pression 1,013 bar, concentration des matières parti-cipant à la réaction 1 mol/ℓ, à l'exception de l'eau, pourlaquelle on prend 55,6 mol/ℓ (eau pure), et pour les gaz,pour lesquels la concentration correspond à l'équilibreavec une pression partielle de 1 bar dans la phase gazeuse.Pour les systèmes biologiques, la concentration des ionsH+ ne peut être 1 mol/ℓ correspondant au pH 0, non tolé-rée par les êtres vivants, mais 10−7 mol/ℓ correspondantau pH 7. Si les conditions réelles dévient de ces conditions

3.6 Une autre voie 5

standard, la variation d'enthalpie libre peut aussi déviersubstantiellement de la valeur standard. Dans les systèmesvivants, les conditions ne sont pas standard en règle gé-nérale, et elles changent souvent pendant le métabolisme.La variation d'enthalpie libre sous les conditions standardn'offre donc chez les êtres vivants qu'un point de repèrepour la quantité d'énergie libérée dans une chaîne méta-bolique.

3.5 Autres substrats

β-D-Fructose

β-D-Galactose

Outre le glucose, d'autres sucres simples peuvent être sou-mis à glycolyse, et donc subir la fermentation alcoolique.Cependant, la plupart des levures ont une affinité particu-lière pour le glucose (elles sont « glucophiles »), si bienque par exemple pendant la fermentation alcoolique dumoût de raisin, qui contient en parties égales du glucose et

Saccharose

du fructose, le glucose est transformé préférentiellement.Quand le vin terminé est doux, c'est-à-dire que tout lesucre n'est pas transformé en alcool, la plus grande partiedu sucre restant est du fructose. Ceci est particulièrementintéressant pour les diabétiques.Le D-fructose peut d'une part être phosphorylé par unehexokinase, la première enzyme de la glycolyse, commele glucose, et être ainsi entraîné sur la voie de la gly-colyse, mais d'autre part, il peut être transformé parl'enzyme fructokinase en fructose-1-phosphate, à son tourclivé par une aldolase en dihydroxyacétone-phosphate,ultérieurement isomérisé en glycéraldéhyde 3-phosphate,et du glycéraldéhyde. Ce dernier va être phosphory-lé en glycéraldéhyde-3-phosphate. Le glycéraldéhyde-3-phosphate rejoint la voie principale de la glycolyse.Le D-galactose est transformé par les étapes galactose-1-phosphate et uridine diphosphate galactose en glucose,qui rejoint la glycolyse.À côté des sucres simples, les disaccharides peuvent aussiêtre utilisés, dans la mesure où les enzymes nécessaires àleur hydrolyse en sucres simples sont présentes. C'est ainsique le saccharose est hydrolysé par l'invertase en ses com-posants : glucose et fructose, qui subissent la glycolyse,comme décrit ci-avant. De même, le lactose est hydro-lysé par la lactase en glucose et galactose. Ceci est vraiégalement pour les polysaccharides. Par exemple, pourutiliser l'amidon des céréales, on peut amener les grainesà germer. L'enzyme amylase produite alors par la plantehydrolyse l'amidon en maltose, qui peut être à son tourtransformé par la levure.

3.6 Une autre voie

La bactérie Zymomonas mobilis est en mesure de produirede l'éthanol à partir du glucose. Cependant, elle n'utiliseque la moitié de la voie métabolique décrite auparavant.Au lieu de glycolyse, le glucose est transformé en pyru-vate et glycéraldéhyde-3-phosphate par la voie d'Entner-Doudoroff[12]. Le glycéraldéhyde-3-phosphate peut êtreintroduit dans la glycolyse et aussi dégradé en pyruvate.Les deux dernières étapes de la fermentation alcooliquecorrespondent à celles des levures. Ceci conduit avec unemolécule de glucose à une seule molécule d'ATP. Mais lafermentation se déroule plus vite avec cette voie qu'avec

6 6 UTILISATION PAR L'HOMME

celle utilisée par les levures, et conduit à une plus grandeconsommation de glucose. Z. mobilis est utilisé pour lafabrication du pulque à partir du jus d'agave.

4 Sous-produits de la fermentation

Les sous-produits de la fermentation sont produits à côtéde l'éthanol et du dioxyde de carbone pendant la fermen-tation. Certains de ces produits sont aussi désignés paralcools de fusel[13].On peut même les mettre en évidence dans la fermen-tation d'une solution de glucose pur. Dans la brasserie,la différence de goût entre le moût et la bière montreque des sous-produits de fermentation ont été produits. Ilscontiennent par exemple des alcools plus élevés, commele propan-1-ol, l'isobutanol, l'alcool amylique chiral (2-méthylbutan-1-ol), le 3-méthylbutan-1-ol, ainsi que desalcools aromatiques comme le 2-phényléthanol, le tyrosolou le tryptophol. En outre, on trouve des esters carboxy-liques, comme l'acétate d'éthyle, l'acétate de phényle oul'acétate de pentyle. Également, des composés carbonyléscomme des aldéhydes, comme éthanal, propanal, butanalou furfural, ainsi que des cétones ou doubles cétones.Des composés soufrés, comme l'hydrogène sulfuré H2S,le dioxyde de soufre SO2, le mercaptan éthylique et leméthylmercaptan apparaissent en petites quantités.En outre on trouve des acides organiques, comme l'acideacétique, l'acide lactique, l'acide pyruvique, l'acétolactate,et des acides gras (de C4 à C12).Des alcools multiples comme la glycérine, le butane-2,3-diol et le pentane-2,3-diol peuvent se trouver aussi dansles sous-produits de la fermentation alcoolique.Les matières énoncées plus haut ne sont que les plus im-portantes de chaque groupe.

5 Occurrence naturelle

On trouve partout dans la nature des micro-organismes.C'est ainsi que les fruits sont couverts de bactéries etde levures, que l'on ne peut pas complètement enleverpar simple lavage. Si le fruit reste dans un environne-ment chaud après cueillette, les microbes se multiplient.Ils détruisent la structure des cellules et s’introduisent àl'intérieur du fruit colonisé. On le trouvera par exemplesur une pomme à un endroit plus mou ou une tache brune.Pendant le processus de destruction, il peut se produire,surtout à l'intérieur du fruit, un manque d'oxygène. Les le-vures présentent changent alors leur métabolisme en fer-mentation alcoolique. Il est donc possible que des fruitsqui se gâtent contiennent de l'alcool.Jusqu'au XXe siècle, on n'ajoutait pas de levure supplé-mentaire dans la fabrication du vin. Jusqu'au milieu duXIXe siècle, on ne savait même pas que c'étaient des le-

vures qui produisaient l'alcool. On utilisait simplementla donnée naturelle que les liquides sucrés commencentaprès quelque temps à former de l'alcool. Pour la fabri-cation du vin, ceci est encore en partie laissé à la nature.Après le pressurage des raisins en moût, les levures si-tuées initialement sur les peaux se distribuent dans le li-quide et commencent une fermentation spontanée. Sansaddition de levures sélectionnées, ceci dure un peu pluslongtemps, car la concentration des levures naturelles esttrès faible au début, mais le vin acquiert une note plus in-dividuelle. Les variétés de levures diffèrent selon le ter-roir des raisins, ce qui fait qu'un vin produit par ce procé-dé peut être classé au goût selon son terroir. Les espècesde levures couramment présentes sont Kloeckera apicula-ta et Saccharomyces exiguus. Si le vigneron fait confianceaux levures naturelles, il court évidemment le risque qued'autres levures ou bactéries vivant sur les peaux de rai-sin prennent le dessus pendant la fabrication, et gâtent lemoût. C'est pourquoi diverses variétés de levures sont sé-lectionnées pour donner à chaque vin son arôme typique.Ces levures sélectionnées ne comprennent qu'une variétéde levure, et sont souvent spécialisées pour une sorte deraisins. Depuis que l'on sait utiliser la lyophilisation pourla conservation des levures, ces levures sélectionnées sontdisponibles dans le commerce en grandes quantités, ellesse conservent plusieurs mois, et se manipulent facilement.Si on les introduit dès le début de la fermentation, le ni-veau d'alcool monte rapidement, et les micro-organismesnuisibles sont éliminés.

6 Utilisation par l'homme

6.1 Boissons

Chaudière de brasserie pour la préparation du moût

Il y a une multiplicité indescriptible de boissons alcoo-liques, dont le contenu en alcool est toujours déterminépar la fermentation alcoolique. Une condition détermi-nante est une matière première sucrée.

Bières Pour la bière, la matière première est la cé-

6.1 Boissons 7

Récipients de fermentation en cuves de bois traditionnelles pourla fermentation du moût dans la fabrication du vin rouge.

Récipients de fermentation en acier inoxydable dans un établis-sement vinicole

réale, qui contient beaucoup d'amidon. On fait ger-mer cette céréale, ce qui provoque la décomposi-tion de l'amidon en sucres, notamment le maltose,par des enzymes sécrétées par la céréale elle-même.La céréale ainsi transformée s’appelle malt. Les en-zymes sont alors dégradées par la chaleur. Cette opé-ration s’appelle le touraillage. Le malt ainsi produitest chauffé avec du houblon dans l'eau, pour dis-soudre les sucres produits. Le mélange ainsi obtenu,le moût, est débarrassé de la plupart des produitsinsolubles qu'il contient, ensemencé avec de la le-vure, et conduit ainsi à la fermentation, qui décom-pose le maltose en éthanol et dioxyde de carbone.On utilise deux types de levures : S. cerevisiae pourla fermentation haute, menée autour de 20 °C, où lalevure retient une partie du gaz, et finit par flotterà la surface, ou bien Saccharomyces uvarum pour lafermentation basse, menée au-dessous de 10 °C, etoù la levure tombe au fond en fin de fermentation,d'où le nom. L'éthanol reste dans la bière, le dioxydede carbone en partie, d'où le caractère mousseux etpétillant de la bière.

Vin La matière première pour la fabrication du vin est

le jus sucré du raisin. La levure peut fonctionnerjusqu'à une concentration de 250 g/ℓ de sucre. Au-dessus, la pression osmotique est trop importante,et l'eau sort des cellules. Pour conserver l'eau autantque possible, la levure produit des solutés, princi-palement de la glycérine. La levure peut faire fer-menter le sucre jusqu'à une concentration maximaleen alcool : au-dessus, la levure meurt, parce quel'éthanol est toxique pour les cellules. La valeur li-mite dépend de la variété, et se situe entre 5 %et 23 %. Dès la fermentation, le contenu en étha-nol protège le vin des moisissures et autre micro-organismes indésirables. Vers la fin, la fermentationest souvent maintenue en atmosphère réductrice,par isolation de l'air, afin que l'acétaldéhyde soithydrogéné en éthanol et dioxyde de carbone. Ceci aaussi l'avantage d'empêcher l'oxydation des arômes,ainsi que l'oxydation de l'alcool en acide acétiquepar des bactéries. Il se dégage encore du dioxyde decarbone[14].

Les arômes issus du raisin ou arômes variétaux sont ditsprimaires ; ils sont dits secondaires lorsqu'issus de la fer-mentation ; ceux qui se développent au cours de l'élevagedu vin ou de l'évolution en bouteille, sont dits tertiaires.

Mousseux La base de la fabrication des mousseux estune deuxième fermentation alcoolique. Pour cela,on utilise un vin produit selon la méthode habi-tuelle, on rajoute des levures et le taux de sucreest élevé soit par interruption de la première fer-mentation, avant complète consommation du sucre,soit par addition de sucre ou de moût[15]. Pendantcette deuxième fermentation, le taux d'alcool du vinaugmente, et il se produit du dioxyde de carbonequi est maintenu dans le liquide par un bouchagehermétique[16].

Levures Pour la production de boissons alcoolisées, onutilise des levures sélectionnées. Selon les condi-tions de fermentation, on choisit une souche appro-priée pour obtenir le résultat souhaité. Pour protégerles matières sensibles à la chaleur, on peut conduirela fermentation à basse température (15-20 °C) pardes « levures à froid. » Pour le porto et le xérès, quiatteignent un taux d'alcool jusqu'à 16 %, il faut uti-liser des levures tolérantes à l'alcool. À la fin de lafermentation, le contenu final en alcool est détermi-né par l'addition d'alcool neutre. Une nouveauté dumarché est la « turbolevure », qui possède une to-lérance à l'alcool supérieure, et peut aller dans lesconditions optimales jusqu'à 20 %. Ceci ne peut êtreatteint en partant de jus de fruit pur. Il faut ajouterdu sucre. Les turbolevures sont surtout utilisées pourfaire un alcool relativement insipide, destiné à êtredistillé. On les utilise par exemple pour la fabrica-tion de la vodka. On ne peut pas les utiliser pourla fabrication de liqueurs de fruits, car il est illégal

8 7 RÉFÉRENCES

d'ajouter du sucre dans la matière première pour cesliqueurs.

Spiritueux Toutes les boissons ayant un taux d'alcoolsupérieur à 20 % atteignent ce taux par distillation,ou par mélange avec de l'alcool neutre, qui est lui-même obtenu par distillation ou cristallisation del'eau de matières fermentées,.

6.2 Autres aliments

Grains de kéfir - une communauté de bactéries et de levures

Un des terrains d'application les plus importants est laboulangerie. La levure de boulanger (S. cerevisiae) est uti-lisée pour la fabrication de presque toutes les espèces depains et de gâteaux traditionnels à la pâte levée, pour fairelever la pâte. Ceci se produit par la fermentation alcoo-lique qui dégage de fines bulles de dioxyde de carbone ausein de la pâte, et peut substantiellement en augmenter levolume. L'éthanol produit est vaporisé dans le processusde cuisson, tandis que les levures meurent à cause de lahaute température.Un aliment alcoolisé est le kéfir, fait à partir de lait. Pourle faire, on utilise des « grains de kéfir, » un mélangede levures et de bactéries vivant en symbiose. Le lactosecontenu dans le lait est transformé par les bactéries enacide lactique, par fermentation lactique, puis par les le-vures en éthanol par fermentation alcoolique. Le kéfir aun taux d'alcool inférieur à 1 %. Chez les peuples de lasteppe asiatique, on boit traditionnellement du koumis,lait de jument fermenté.

6.3 Industrie

À l'époque de la raréfaction et d'un épuisement à termedes ressources en pétrole, l'éthanol gagne de l'importancecomme carburant. En outre, il est utilisé dans de nom-breux procédés techniques, comme matière premièrepour des synthèses chimiques, ou sert à la désinfection.Cet éthanol est aussi élaboré par fermentation alcoo-lique par de la levure. Les matières premières sont icides céréales à bas coût, ou des pommes de terre, dont

l'amidon est décomposé en sucres par des enzymes fa-briquées industriellement. Ici aussi, la fermentation nepeut pas dépasser un contenu en alcool égal à 23 %.La distillation fractionnée fournit un contenu de 96 %(azéotrope). Comme un alcool fabriqué de cette manièreserait consommable, il est soumis dans la Communau-té Européenne aux droits d'accise, et éventuellement àdes taxes complémentaires. Une exception est faite pourl'éthanol utilisé comme carburant. De même, l'accise nedoit pas être payée pour l'alcool dénaturé, qui n'est pasconsommable.

6.4 Utilisation des déchets

Le résidu solide composé par les déchets insolubles dela fabrication de l'éthanol, contient les déchets végétauxpartiellement ou non hydrolysés et les levures. Il a doncune teneur accrue en protéines et peut être utilisé pourl'alimentation animale.

7 Références• (de) Cet article est partiellement ou en totalité is-

su de l’article de Wikipédia en allemand intitulé« Alkoholische Gärung » (voir la liste des auteurs).

[1] (en) E. Racker, « History of the Pasteur effect and itspathobiology », Mol Cell Biochem, vol. 5, no 1–2, 1974,p. 17–23 (PMID 4279327, DOI 10.1007/BF01874168)

[2] (de) E. Negelein et H.J. Wulff, « Diphosphopyridinpro-teid, Alkohol, Acetaldehyd. », Biochemische Zeitschrift,Berlin, Springer, vol. 293, 1937, p. 352-389 (ISSN 0366-0753)

[3] (en) W. Furey et et al., « Structure-function relationshipsand flexible tetramer assembly in pyruvate decarboxylaserevealed by analysis of crystal structures. », Biochimica etbiophysica acta, Berlin, Springer, vol. 1385, no 2, 1998, p.253-270 (ISSN 0167-4889, PMID 9655915)

[4] (en) H. Eklund et et al, « Crystallographic investigations ofalcohol dehydrogenases. », EXS, Berlin, Birkhäuser, vol.71, 1994, p. 269-277 (ISSN 1023-294x, PMID 8032158)

[5] (en) P.C. Hinkle, « P/O ratios of mitochondrial oxidativephosphorylation. », Biochimica et biophysica acta, Berlin,Springer, vol. 706, no 1-2, 2005, p. 1-11 (ISSN 0167-4889, PMID 15620362)

[6] (en) J.P. van Dijken, R.A. Weusthuis et J.T. Pronk, « Ki-netics of growth and sugar consumption in yeasts. », An-tonie Van Leeuwenhoek. International journal of generaland molecular microbiology., Dordrecht, Springer, vol.63, no 3-4, 1993, p. 343-352 (ISSN 0003-6072, PMID8279829)

[7] (en) K. Tonomura, « Ethanol fermentation in bacteria. »,Seikagaku. The journal of Japanese Biochemical Society.,Tokyo, Gakkai, vol. 59, no 10, 1987, p. 1148-1154 (ISSN0037-1017)

9

[8] (en) Kimmerer et McDonald, « Acetaldehyde and EthanolBiosynthesis in Leaves of Plants. », Plant Physiology., Ro-ckville Md, vol. 84, no 4, 1987, p. 1204–1209 (PMCID1056752)

[9] (de) Katharina Munk (dir.), Taschenlehrbuch Biologie :Mikrobiologie, Stuttgart, Thieme Verlag, 2008 (ISBN978-3-13-144861-3), p. 378–379

[10] (en) J. Piskur et et al, « How did Saccharomyces evolveto become a good brewer ? », Trends in Genetics, Am-sterdam, Elsevier, vol. 22, no 4, 2006, p. 183-186 (ISSN0168-9525, PMID 16499989)

[11] (en) J. Blom, M.J. De Mattos et L.A. Grivell, « Redi-rection of the Respiro-Fermentative Flux Distribution inSaccharomyces cerevisiae by Overexpression of the Tran-scription Factor Hap4p. », Applied and environmental mi-crobiology, Washington DC, vol. 66, no 5, 2000, p. 1970-1973 (ISSN 0099-2240, lire en ligne)

[12] (en) T. Conway, « The Entner-Doudoroff pathway, his-tory, physiology and molecular biology. », Federationof European Microbiological Societies, Oxford, Blackwell,vol. 9, no 1, 1992, p. 1-27 (ISSN 0168-6445, PMID1389313)

[13] (de) Waldemar Ternes, Lebensmittel-Lexikon, Behr, 2005, 2134 p.

[14] Dittrich et Großmann 2005, p. 39

[15] Dittrich et Großmann 2005, p. 22

[16] Dittrich et Großmann 2005, p. 42

8 Bibliographie

• (de) Gerolf Annemüller, Hans J. Manger et PeterLietz, Die Hefe in der Brauerei. : Hefemanagement-Kulturhefe - Hefereinzucht - Hefepropagation imBierherstellungsprozess, Berlin, Versuchs- u. Leh-ranstalt f. Brauerei (VLB), 2005 (ISBN 3-921690-50-1)

• (de) Ernst E. Bruchmann, Angewandte Bioche-mie. Lebensmittelchemie, Gärungschemie, Agrar-chemie., Stuttgart, Ulmer, 1976 (ISBN 3-8001-2301-0) (un peu dépassé).

• (de) Helmut Hans Dittrich et Manfred Großmann,Mikrobiologie des Weines, Stuttgart, Verlag EugenUlmer, 2005, 3e éd. (ISBN 978-3-8001-4470-9)

• (de) Adam Maurizio, Geschichte der gegorenen Ge-tränke, Sändig, 1993 (ISBN 3-253-02199-8) (Repro-duction)

• (de) Lubert Stryer, Biochemie, Heidelberg, Spek-trum, 2007, 6e éd. (ISBN 978-3-8274-1800-5)

9 Voir aussi• (de)« Einflussfaktoren der Gärung », Wissen-

schaftszentrum Weihenstephan

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10 Sources, contributeurs et licences du texte et de l’image

10.1 Texte• Fermentation alcoolique Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fermentation_alcoolique?oldid=116742847Contributeurs :Alno, Abraha-

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10.2 Images• Fichier:Ale_Bitter.jpg Source : https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/Ale_Bitter.jpg Licence : CC-BY-SA-3.0 Contri-buteurs : ? Artiste d’origine : ?

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