Fermentation

La fermentation est un processus qui permet à certains êtres microscopiques vivants dans des milieux sans oxygène (anaérobie) comme des bactéries, des levures (champignons unicellulaires) de produire de l’énergie sous forme d’adénosine triphosphate (ATP) à partir de molécules organiques. Plus précisément, la fermentation est un mode de respiration cellulaire qui met en œuvre un système de transfert d’électrons reposant sur des petites molécules solubles du cytosol — souvent des acides organiques ou leurs dérivés — et non sur une chaîne respiratoire membranaire. La production d’ATP se fait souvent par phosphorylation au niveau du substrat. Dans la fermentation, la production d’ATP est plus faible car la dégradation des molécules organiques est partielle mais est en revanche plus rapide que par phosphorylation oxydative car elle se déroule dans le compartiment cellulaire où l’ATP est consommé.

La première étape commune à tous les modes de fermentation est la glycolyse qui convertit le glucose en pyruvate avec phosphorylation de deux molécules d’ADP (adénosine diphosphate) en ATP et réduction de deux molécules de NAD⁺ (oxydant) en NADH (réducteur) :

Le NADH doit être ré-oxydé en NAD⁺ (nicotinamide adénine nucléotide (coenzyme) pour permettre au métabolisme cellulaire de se poursuivre. La fermentation a pour fonction première d’assurer cette ré-oxydation, en transférant les électrons du NADH sur un récepteur d’électrons qui est ensuite éliminé de la cellule.
Il existe plusieurs types de fermentation : alcoolique, lactique, malolactique, acétique, propionique, butyrique et la méthanisation. 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. Plusieurs milliers d’aliments fermentés existent actuellement parmi lesquels : yaourts, fromages, saucisson, choucroute, pain, vin, cidre, bière mais aussi cacao, thé,café pour ne citer que quelques aliments courants.

Fermentation alcoolique

La fermentation alcoolique ou éthylique est la plus anciennement étudiée depuis la civilisation égyptienne. Elle correspond a la transformation des sucres en éthanol et dioxyde de carbone (anhydride carbonique). En 1789, Lavoisier montra que les quantités de carbone, d’hydrogène, d’oxygène de l’alcool et du gaz produits égalaient celles de ces éléments dans le sucre consommé. En 1810, Gay-Lussac définit l’équation chimique de la réaction globale :

La présence indispensable de levures pour la réalisation du processus était interprétée comme la nécessité d’un facteur physique mais sans rôle chimique. En 1837 et 1838, C. Cagniard de la Tour, T. Schwann et F. Kutzing publièrent leurs observations microscopiques et conclurent que la levure est un organisme vivant. Schwann nomme ce micro-organisme « champignon du sucre » et considère la fermentation comme « la décomposition du sucre par ce champignon, qui en retire le matériel nécessaire a sa croissance et a sa nutrition« . Ces nouveaux concepts rencontrèrent l’hostilité des « autorités » de l’époque, Wohler, Liebig, Berzelius.
A partir de 1857, Louis Pasteur, appelé par les brasseurs du nord de la France pour trouver les causes d’incidents de fabrication, étudia en détail le phénomène et aboutit aux conclusions suivantes : la fermentation se déroule en absence d’oxygène (anaérobiose) ; les levures demeurent parfaitement saines et se multiplient au cours du processus ; elles sont également capable de se multiplier en aérobiose.
En 1897, Buchner prépara un extrait de levures dépourvu totalement de cellules, extrait capable de transformer le glucose en éthanol et en CO2. Puis en 1905, Harden et Young fractionnèrent l’extrait obtenu par Buchner, nommé zymase, en une partie thermostable (cozy-mase) et une partie thermolabile (apozymase). Ces travaux sont parmi les plus importants de ceux qui ont contribué au développement de la biochimie et de l’enzymologie modernes. Ils ont permit d’établir définitivement les notions d’apoenzyme et de coenzyme; enfin leurs prolongements, par de nombreux chercheurs, aboutirent à la mise en évidence du processus fondamental de dégradation des glucides : la glycolyse.
Les agents de la fermentation alcoolique sont des champignons :

– principalement les levures (champignons endomycètes), parmi le très grand nombre d’espèces, la plus connue est Saccharomyces cerevisiae (levure de bière), dont certaines souches sont utilisées en brasserie et d’autres en boulangerie ; Saccharomyces ellipsoideus, agent de la vinification ; Saccharomyces fragilis, employée pour la seconde fermentation intervenant en champagnisation.

– des moisissures (champignons filamenteux) (Aspergillus, Penicillium, Mucor).

Les substrats de la fermentation sont des sucres « fermentescibles » : saccharose, fructose, glucose, mannose, qui varient selon les agents de la fermentation. Pour que les sucres soient fermentescibles, la membrane des cellules doit être perméable, des perméases, enzyme trans-membranaire qui facilite le passage des molécules. Ainsi le saccharose est hydrolysé a l’extérieur des cellules, par une b-fructosidase secrétée par celles-ci. Certains micro-organismes peuvent dégrader l’amidon : dans les brasseries, ce polyholoside est d’abord hydrolysé par les amylases végétales formées au cours de la germination des grains d’orge (maltage); puis les produits résultant de cette action enzymatique sont fermentés par les levures.
Cette fermentation est utilisée pour la fabrication de toutes les boissons alcooliques et le gaz carbonique dégagé permet la levée de la pâte en boulangerie et en pâtisserie. La pratique de vinification, dite de « macération carbonique », correspond a une fermentation due à la présence de champignons à la surface du raisin.

Fermentation lactique

La fermentation lactique ou lacto fermentation est une fermentation qui fait intervenir des bactéries lactiques. Ces bactéries transforment le glucose, l’adénosine diphosphate (ADP) et le phosphate en acide 2-hydroxypropanoïque (acide lactique) et de l’adénosine triphosphate (ATP). Le milieu s’acidifie progressivement et empêche la prolifération des autres micro-organismes, notamment les micro-organismes pathogènes ou indésirables comme les moisissures.
La fermentation lactique est un mode de fermentation qui nécessite des glucides et des bactéries spécifiques et induit la formation d’acide lactique. Dans certaines conditions, l’activité musculaire peut aussi produire de l’acide lactique. Il existe deux types de fermentation : homolactique et hétérolactique, donne de l’acide 2-hydroxypropanoïque (acide lactique), de l’éthanol et du dioxyde de carbone (CO2).

Fermentation homolactique

Dans cette fermentation, tout le pyruvate produit par glycolyse donne de l’acide 2-hydroxypropanoïque (acide lactique) qui acidifie le milieu et provoque la coagulation de la caséine. L’acidification du milieu permet l’élimination d’autres bactéries, éventuellement pathogènes.

Il y a fermentation homo-lactique quand la quantité d’acide lactique est très supérieure (de l’ordre de 80% des sucres fermentés) a celle des autres produits formés (acide acétique, acide formique, éthanol). La manifestation la plus connue de la fermentation homo-lactique est l’altération du lait.
Les bactéries responsables sont du genre streptococcus, lactobacillus et Thermobacteri. Elles fermentent en général le glucose, le fructose, le mannose, le galactose, le saccharose et le lactose. La proportion d’acide lactique formé varie en fonction du pH (87% a pH 5, 61% a pH 9 pour Streptococcus faecalis).
La fermentation lactique joue un rôle dans de nombreux domaines. Les yaourts sont obtenus a partir de lait bouilli, refroidi, ensemencé avec deux bactéries exclusives, Lactobacillus bulgaricus et Streptococcus thermophilus, et incubé 3 à 4 heures a 40 °C. La fabrication de la choucroute est réalisée par fermentation lactique en présence de 2 a 3% de chlorure de sodium. Le processus est arrêté lorsque la teneur en acide lactique atteint environ 1,5%. Lors de l’ensilage des produits agricoles, la fermentation lactique est favorisée pour empêcher le développement d’autres micro-organismes pouvant provoquer la putréfaction des produits ensilés. La présence de ferments lactiques dans la flore intestinale est très favorable a un bon fonctionnement de l’intestin.

Fermentation hétérolactique

Dans cette fermentation, on obtient de l’acide lactique, de l’éthanol et du CO2

Les bactéries responsables de la dégradation des héxoses (sucres à 6 atomes de carbone) sont du genre Lactobacillus, Leuconostoc. Certains pentoses (sucres à 6 atomes de carbones) sont parfois fermentés et donnent alors une molécule d’éthanol et une molécule d’acide lactique. Outre ces produits, qui représentent plus de 80% des sucres utilisés, on obtient également de l’acide éthanoïque (acétique) et du glycérol.
Les fermentations hétéro-lactiques interviennent également en fromagerie.

Contraction musculaire et fermentation lactique

La fermentation lactique est une réaction chimique qui peut se dérouler dans les cellules musculaires en privées d’oxygène. Le muscle squelettique au repos consomme 54,4 kJ/kg (13,0 kcal/kg) par jour. L’activité musculaire consomme une grande partie de l’énergie mais les muscles ne peuvent pas stocker très longtemps l’énergie produite par voie aérobie qui nécessite du glucose et de l’oxygène apporté par la circulation sanguine. Dans ce cas on obtient du pyruvate, substrat du cycle de Krebs. Si la quantité d’oxygène apportée est insuffisante en cas d’effort bref et intense ou quand le débit maximum d’oxygène est atteint, alors que du sucre reste disponible, les cellules musculaires pour produire de l’énergie réalisent la fermentation lactique. Après une activité intense, l’augmentation de la concentration en ions lactates dans les cellules musculaires est une des raisons de la fatigue. Les ions lactates changent le pH intracellulaire et modifient de fait les conditions de fonctionnement enzymatiques de la cellule qui ne peut plus travailler correctement.
Enfin, au cours des processus anaérobies présidant a la contraction musculaire, le glycogène est transformé en acide lactique, lequel est ultérieurement oxydé au cours des processus aérobies. Au cours des processus anaérobies présidant à la contraction musculaire, le glycogène (polymère glycosylé) libère du glucose qui après glycolyse forme deux molécules de pyruvate qui se transforment en acide lactique. Ce dernier est ensuite oxydé au cours des processus aérobies.
La rigidité cadavérique est due a la dénaturation des protéines musculaires par l’acide lactique accumulé.

Fermentation malolactique

La fermentation malolactique ou seconde fermentation intervient après la fermentation alcoolique. C’est la transformation de l’acide malique en acide lactique et rejet de CO2 par des bactéries lactiques comme par exemple Oenococcus oeni.

Ce type de fermentation intervient dans la vinification des vins rouges pour réduire l’acidité apportée par l’acide malique au contraire de celle des vins blancs et rosés.

Fermentation acétique

C’est à Louis Pasteur (1808-1873) que nous devons la découverte de la nature biochimique du processus de la fermentation acétique qui donne de l’acide acétique ou vinaigre. Sur la base des recherches de Pasteur, à partir de 1865, la production industrielle du vinaigre a connu un grand essor. La fermentation acétique fait suite à la fermentation alcoolique puisque c’est à partir de l’éthanol qu’on obtient de l’acide acétique.

Les bactéries acétiques constituent la famille des  Acetobacteraceae. Les bactéries du vinaigre « Acetobacter aceti » se développent à la surface de vin non bouché où elles forment une couche à la surface appelée « mère du vinaigre ». Cette bactérie utilise pour vivre l’énergie libérée par l’oxydation (processus aérobie). 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 résulte de la transformation. Acetobacter est apportée par des petites mouches « mouches du vinaigre ou drosophiles » qui sont fortement attirées par le vin placé à l’air libre.
Selon le produit de départ on peut obtenir différents vinaigres comme : le vinaigre d’alcool, de vin rouge, le vinaigre balsamique à partir de jus de raisin blanc , le vinaigre de Xérès , le vinaigre de cidre à partir de pommes, le vinaigre de malt obtenu à partir du jus d’orge germée, le vinaigre de riz, le vinaigre de miel fabriqué uniquement avec de l’eau et du miel,

Fermentation propionique

La fermentation propionique transforme le lactose en acide propanoïque, acide éthanoïque (acétique), CO2 et H2.

L’acide propanoïque (ou propionique) et l’acide éthanoïque (acétique) 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 anaérobies qui engendrent ce type de fermentation sont les bactéries propioniques du genre Propionibacterium.

Fermentation butyrique

Au cours de fermentation butyrique, le glucose est transformé en acide éthanoïque (acétique), acide butanoïque (butyrique), dioxyde de carbone et hydrogène par certaines des bactéries anaérobies du genre Clostridium.

L’acide butanoïque est présent dans le beurre et la sueur. Il est responsable de l’odeur putride et du goût piquant de certains fromages à pâte cuite.

Méthanisation

La méthanisation ou digestion anaérobieest le processus biologique naturel de dégradation de la matière organique en absence d’oxygène. Elle se produit dans certains sédiments, les marais, les rizières, les décharges, ainsi que dans le tractus digestif de certains animaux : insectes (termites) ou vertébrés (ruminants…). Une partie de la matière organique est dégradée et les molécules obtenues sont minéralisées en méthane et en CO2, une autre est utilisée par les micro-organismes méthanogènes pour leur croissance et reproduction. La décomposition n’est pas complète et laisse le « digestat » (comparable à un compost). La méthanisation microbienne joue dans la nature un rôle important dans le cycle du carbone mais participe au réchauffement climatique.
La production de biogaz se déroule en quatre phases successives : hydrolyse, acidogénèse, acétogénèse et méthanogénèse.

Hydrolyse

La matière organique complexe (lipides, polysaccharides, protéines, etc) est tout d’abord hydrolysée en molécules simples (monomères) par des bactéries qui appartiennent aux genres Clostridium, Bacillus, Ruminococcus, Enterobacteroïdes, Propionibacterium et Butivibrio. Des composés, telles la lignine, la cellulose ou les graisses difficilement ou lentement hydrolysables, rendent cette étape limitante parce que « trop lente ». Dans le cas d’un mélange de déchets solides, l’hydrolyse a lieu à des vitesses différentes selon la bio-accessibilité des composants de la biomasse. En revanche, dans les milieux homogènes et plus liquides, elle est simultanée.

Acidogenèse

Lors de cette étape, des espèces microbiennes dites acidogènes utilisent les monomères de l’hydrolyse pour produire des alcools et des acides organiques, ainsi que du dihydrogène et du dioxyde de carbone. Cette étape est beaucoup plus rapide que la précédente.

Acétogenèse

Cette étape permet la transformation des divers composés issus de la phase précédente principalement les acides propanoïque et butanoïque et l’éthanoïque en acétate, le dioxyde de carbone et dihydrogène. Parmi les bactéries acétogènes, on distingue :

• les OHPA (« Obligate Hydrogen Producing Acetogens », bactéries anaérobies strictes productrices obligées d’hydrogène capables de produire de l’acétate et de l’H2 à partir des métabolites réduits issus de l’acidogenèse tels que le propionate et le butyrate. L’accumulation d’hydrogène entraîne l’arrêt de l’acétogenèse par ces bactéries, ce qui implique la nécessité d’une élimination constante de l’hydrogène produit.

• Les bacteries acétogènes non syntrophes (non symbiotiques obligatoires) dont le métabolisme est majoritairement orienté vers la production d’acétate. Elles se développent dans les milieux riches en dioxyde de carbone. Les bactéries « homo-acétogènes » font partie de ce groupe, elles utilisent des acides organiques ou de l’hydrogène et du dioxyde de carbone pour produire de l’acétate. Elles ne semblent pas entrer en compétition pour l’hydrogène avec les archées (anciennement appelées archéobactéries) méthanogènes hydrogénotrophes et sont présentes en quantité beaucoup plus faible dans les biotopes anaérobies.

Méthanogenèse

Cette dernière étape aboutit à la production de méthane et de CO2. Elle est assurée par des micro-organismes anaérobies stricts qui appartiennent aux archées. Deux groupes d’archées produisent le méthane :

• les hydrogénotrophes à partir du dioxyde de carbone et de dihydrogène

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O 

• les espèces acétotrophes à partir de l’acétate

CH3COOH → CH4+ CO2

La méthanisation est aussi une technique mise en œuvre dans des méthaniseurs où l’on accélère et entretient le processus pour produire un méthane utilisable. Des déchets organiques (ou produits issus de cultures énergétiques, solides ou liquides) peuvent ainsi fournir de l’énergie.