Le fermentation alcoolique en œnologie J.M. Sablayrolles UMR 1083 Sciences pour l'Oenologie Ethanol Acetate Glycerol Succinate Glucose Pyruvate Acetoin Butanediol 100% 27% 70% 179% 165% 11% <1% DHAP

Fermentation malolactique Récolte La vinification Egrappage Vins blancs Foulage Vins rouges Fermentation + macération Pressurage Pressurage Fermentation Fermentation malolactique (si souhaitée) Maturation Stabilisation Embouteillage ICBF-2008, Hyderabad

La fermentation alcoolique Levure Raisin - mout Mode de conduite

La levure œnologique . Capacités fermentaires + impact sur la qualité du vin . Fermentations spontanées – beaucoup de variétés (Hanseniaspora, Candida, Rhodotorula…) . Inoculation par des levures sèches (S. cerevisiae) 70-80 % des cuves (France) > 200 souches différentes . Marché France : 350 tonnes

 Métabolisme fermentaire 1 M Sucre  2M Ethanol + 2M CO2 Rendement : 92-93% (0.46 – 0.47 g CO2/ g Sucre Autres produits : . Biomasse : 3-5 g/l . Glycérol : 5-9 g/l . Acides organiques : 0.5 g/l . Autres composés Très peu d’impact sur le rendement (Parfois) une contribution forte aux caractéristiques organoleptiques (Quasi) absence d’oxygène + forte concentration en sucre  Métabolisme fermentaire

Négatif Positif Swiegers et al. (2005)

Le milieu Concentrations très élevées PH très bas (3-3.5) Azote assimilable limitant (généralement)

- Dans le moût : tous les nutriments nécessaires à la croissance des levures mais : . milieu “ difficile ” (pH, S, ...) . certains nutriments en quantités limitantes . milieu hétérogène (vinification en rouge)

- Une grande variabilité (exemple de la concentration en azote assimilable) Effet année Effet cépage

Le déroulement de la fermentation Importance de la phase stationnaire

Croissance et Vmax Azote assimilable Inhibition: ethanol Viabilité: O2 Time (days)

- Effet moût

Contrôle de la fermentation

Un objectif difficile Principal objectif : qualité du vin Analyse sensorielle : difficile, imprécis, long ‘Marqueurs de qualité ’: des avancées récentes, style de vin en partie ‘mesurable’: esters (caractère fruité), marqueurs spécifiques du cépage Importance de paramètres technologiques Achèvement de la fermentation (pb des arrêts defermentation) Durée de la fermentation (optimisation de l’utilisation des cuves) Energie pour la régulation de température Contraintes règlementaires Importance des pratiques traditionnelles Liste limitée (mais en évolution) des pratiques autorisées

Choix de la souche de levure Capacités fermentaires : limitation des risques d’arrêt de fermentation Impact sur les caractéristiques du vin : . de plus en plus recherché, notamment au niveau aromatique . Choix complexe (nombre de souches, impact sur la ‘typicité’?)

Température Un paramètre très important Production de 25-30 kcal/l Vins blancs 15-20 °C; vins rouges : jusqu’à 30°C Impact sur les caractéristiques du vin Basses températures : production d’aromes fermentaires (esters) Hautes températures : extraction des composés polyphénoliques (couleur, astreingence) Impact sur la cinétique fermentaire Vitesse de fermentation doublée si la température augmente de 8°C Généralement des conditions non isothermes

Ajout de nutriments Additifs très règlementés Principaux : . Azote assimilable Nammoniacal (surtout) + Naminé (sources complexes) Impact sur la vitesse de fermentation Le plus important (modèle) . Oxygène 5 – 20 mg/l Synthèse de composés lipidiques (stérols, acides gras insaturés) Effet sur la viabilité des levures

Importance des particules solides (lipides + effet physique) Autres nutriments Thiamine Importance des particules solides (lipides + effet physique) dCO2 /dt (g/l.h) Temps (h) Aguera et al. (2005)

Evolutions - Perspectives

De nouvelles souches Amélioration des souches . Meilleure compréhension du métabolisme : approches globales . Plusieurs souches OGM : fermentation malo lactique surproduction de glycérol - baisse de l’éthanol production de lactate (acidification) production d’enzymes spécifiques …… mais pbs d’acceptabilité (excepté aux USA et Canada) . Stratégies alternatives : croisement (exemples récents pour l’augmentation des aromes) adaptation évolutive Utilisation de cultures mixtes . Un moyen pour élargir la variété des aromes . Possibilité de mélanges entre S. cerevisiae et d’autres espèces (C. stellata, T. delbrukii, D. vanrijae, H. valbyensis …)

Un contrôle optimisé Intérêt du suivi en ligne de la cinétique fermentaire Précision – vitesse de fermentation Intérêt microbiologique Intérêt technologique Suivi en ligne CO2, densité, refractometrie… Base de données Contrôle à distance Applications industrielles (exemple en Champagne)

30 fermenteurs fermentors 30 30 3500 fermentations 1100 fermentations Fig 1 1 a Fig 1 a 1100 fermentations 450 fermentations Fig 1 16 cuves 16 tanks

Notion de ‘pilotage’ des fermentations Suivi en ligne de la cinétique Nouvelles stratégies de contrôle Contrôle cuve par cuve Prise en compte de la variabilité des moûts (dCO2/dt) max Régulation de dCO2/dt) par la température Détection des carences en azote Plus pertinent que la régulation de température? . Métabolisme . Pertes des aromes Addition . seulement si besoin . au meilleur moment

Vers un contrôle prédictif Suivi en ligne Contrôle Base de données Physiologie levurienne Modélisation Thermique des cuves Simulation Contrôle Commercialisation par Vivélys d’un logicile qui intégère la notion de carence en azote Simulateur Sofa (hors ligne) aide à la décision

Modélisation : pour une meilleure gestion de la cuverie et des frigories Cuverie et groupe frigorique : parfois limitants Intérêt d’un outil de simulation : . à but pédagogique . pour l’aide à la décision . plus tard : dans le logiciel de contrôle-supervision

Modèle cinétique Modèle thermique . Principaux mécanismes physiologiques . Validé dans de nombreuses situations . Exception : arrêts de fermentation Malherbe et al., 2004; Colombie et al., 2005, Colombie et al., 2007, Goelzer et al., 2009 Modèle thermique . Composition du moût (importance de [Nass.]) . Profil de temperature . Cinétique fermentire . Besoin en frigories

Quel effet d’une augmentation de température (16 vs 16-22)? Nass = 170mg/l 27% 36%

Quel effet d’un ajout d’azote (400 mg/l DAP) ? Nass = 100mg/l Température: 20°C 38%

Vers la prise en compte d’aspects qualitatifs Composés aromatiques Importance des composés aromatiques Variétaux : liés au cépage, libérés par la levure Fermentaires Elevage : réactions post fermentaires Aromes fermentaires Important dans les vins jeunes Les plus abondants

Suivi en ligne de la synthèse des alcools sups et esters (16 composés) Suivi fin (1 point par heure) : Vitesses – flux métaboliques . Informations sur le métabolisme Phases de production à rendement constant Chronologie : Synthèse des alcools supérieurs avant les esters Phases exponentielles simultanées et très courtes . Lien avec le métabolisme azoté Propanol : synthèse uniquement en présence d’azote Relation acide aminé précurseur – alcool supérieur Compréhension et modélisation À partir suivi phase gaz, on ^peut être capable de calculer le reste Pukkie sur 3, bientôt accessible sur 10

Equilibres gaz – liquide Bilans Prise en compte pour le contrôle (pertes) C° gaz Intérêt de mesurer dans la phase gaz + Métabolisme de la levure C° liquide Connaissances sur concentrations dans les phases liquides Intérêt organoleptique

= Température Coefficient de partage (ki) C°gaz Etude des équilibres gaz - liquide Coefficient de partage (ki) = C° liquide Composition de la phase liquide (effet matrice)

< 10% pour tous les composés = 20°C (293 K) Sensibilité de ΔΗvap à E Sensibilité de kià E, T= Tref ΔΗvap à E=0 lnki à E=0, T= Tref Erreur moyenne entre mesure et prédiction < 10% pour tous les composés Possible de modéliser l’équilibre gaz-liquide

Pertes Modèle Suivi en ligne C°gas dCO2/dt EtOH ki

Pertes relatives (% de la production totale) Fermentations Hexanoate d’éthyle Isobutanol Isotherme Pred. Exper. IF-20-A 44.6 44.4 0.55 0.54 IF-20-B 46.2 45.3 0.63 IF-30 70.7 71.0 1.33 Anisotherme AF-15-30 54.2 54.3 0.66 0.65 AF-20-30 66.3 64.7 0.93 1.01 Pertes très importantes pour l’hexanoate d’éthyle

Fermentation anisotherme 15°C – 30°C Hexanoate d’éthyle Isobutanol Temps (h)

Fermentation anisotherme 15°C – 30°C Hexanoate d’éthyle Production Pertes Temps (h)

Effet de la température x 1.3 Hexanoate d’éthyle x 2.5 Surestimation importante de l’effet température

Vers la modélisation de la cinétique de synthèse Impact de l’environnement et du mode de conduite Modélisation (à but de contrôle) Extension du modèle cinétique (En parallèle : biologie des systèmes) Couplage avec modèle physico-chimique

Conclusion