Pilotage des fermentations en culture mixte

Monitoring of mixed culture fermentations

• Auteur / Autrice : Alexis Joran
• Direction : Hervé Alexandre, Géraldine Klein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies agro-alimentaires
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés Alimentaires et Microbiologiques (PAM) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Rozès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vittorio Capozzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Rozès, Marina Bély

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lachancea thermotolerans

Fermentation alcoolique

Moût

Saccharomyces cerevisiae

Vin

Mots clés libres

Vin

Levure

Interactions

Multiparamétrique

Cytométrie en flux

Automatisation

Wine

Yeast

Interaction

Multiparametric

Flow cytometry

Automation

Résumé

Les contraintes actuelles et futures liées au changement climatique et à l’évolution de la demande des consommateurs de vin conduisent la profession à envisager l’adoption de nouvelles pratiques pour répondre aux défis techniques posés par ce contexte : nécessité de garder un taux d’alcool constant malgré des moûts de plus en plus sucrés, recherche de profils aromatiques plus variés, tout en conservant une reproductibilité acceptable.La conduite de fermentations avec adjonction de levures non-Saccharomyces à l’espèce Saccharomyces cerevisiae classiquement utilisée pour conduire la fermentation alcoolique de façon maîtrisée, paraît être une alternative intéressante pour atteindre ces objectifs. Néanmoins, les nombreuses interactions existant entre ces différentes levures restent encore mal comprises, ce qui complexifie la maîtrise de ces cocultures.Un état de l’art a été effectué sur les interactions entre levures Saccharomyces et non-Saccharomyces et leurs conséquences sur les caractéristiques du vin obtenu, avec un focus sur les méthodologies utilisées pour étudier ces interactions. Cette étude bibliographique a permis de mettre en évidence une grande diversité de résultats selon les études considérées, et donc le possible impact des conditions de fermentation sur les interactions entre levures.Les travaux se sont donc orientés sur l’étude de l’impact de certaines conditions de fermentation sur les interactions entre Saccharomyces cerevisiae et Lachancea thermotolerans, une levure ayant des intérêts technologiques (acidification, composés d’arômes, bioprotection). Cette étude est effectuée via une approche globale multicritère (dynamique des populations, déroulement de la fermentation, production de composés d’arômes) s’appuyant sur un plan d’expériences. Les résultats montrent de multiples impacts des paramètres de fermentation, différents selon les variables étudiées. Les vitesses de croissance des levures sont impactées par la température, le ratio d’ensemencement et par une probable compétition pour l’azote. La persistance de Lachancea thermotolerans est modulée par trois facteurs en interaction entre eux : la température, le ratio d’ensemencement et l’oxygénation. La durée de fermentation est fortement impactée par la température. La production d’éthanol est influencée à la fois par le ratio d’ensemencement et l’oxygénation alors que la production d’acide lactique n’est impactée que par le ratio. Pour modifier la production de composés d’arômes, la température, le ratio d’ensemencement et parfois la concentration en azote constituent des leviers importants. Ces résultats illustrent la complexité de la maîtrise d’une fermentation en culture mixte, et la nécessité de trouver le meilleur compromis paramétrique permettant d’atteindre les objectifs techniques ciblés.Afin de contrôler ces cocultures, la maîtrise des dynamiques de population constitue donc un point clé puisqu’elles impactent à la fois le déroulé de la fermentation, les interactions et la qualité du vin. Un second axe de travail a donc été d’évaluer la possibilité d’utiliser une méthode de suivi en continu des populations microbiennes, donnant des résultats précis et avec le moins de délai possible. La faisabilité d’une automatisation de la cytométrie en flux dans le domaine œnologique a été validée : cette technologie permet de suivre en continu des populations bactériennes ou levuriennes, dans diverses situations et notamment dans le cadre de fermentations en culture mixte.Les deux volets de la thèse (impact des conditions de fermentation sur les interactions et automatisation de la cytométrie en flux) sont complémentaires et permettent d’entrevoir un pilotage en temps réel des conditions de fermentation en culture mixte avec des applications en recherche, en contrôle qualité voire en cuverie.

Current and future constraints linked to climate change and evolution of wine consumer demand are prompting the winemaking industry to consider adopting new practices to address the technical challenges resulting from this context. These challenges include the need to maintain a constant alcohol level despite increased sugar contents in the must, and to seek a wider diversity of aromatic profiles, while maintaining acceptable reproducibility.Fermentations with addition of non-Saccharomyces yeasts to the Saccharomyces cerevisiae species traditionally used to conduct alcoholic fermentation seem to be an interesting alternative to achieve these objectives. However, the numerous interactions between these different yeasts are still poorly understood, which complicates the control of these cocultures.A state-of-the-art review of the interactions occurring between Saccharomyces and non-Saccharomyces yeasts and their consequences on the characteristics of the resulting wine was conducted, with a specific focus on the methodologies used to study these interactions. This review pointed out the existence of a great diversity of results depending on the studies considered, and thus to a possible impact of fermentation conditions on the interactions between yeasts.This study therefore focused on studying the impact of selected fermentation conditions on interactions between Saccharomyces cerevisiae and Lachancea thermotolerans, a yeast with technological interests (acidification, aroma compounds, bioprotection). This study was carried out using a multi-criteria approach (population dynamics, fermentation progress, production of aroma compounds) based on an experimental design.The results show multiple impacts of the fermentation parameters, which differ depending on the variables studied. Yeast growth rates were affected by temperature, inoculation ratio and by a probable competition for nitrogen. The persistence of Lachancea thermotolerans was modulated by three interacting factors: temperature, inoculation ratio and oxygenation. The duration of fermentation is strongly affected by temperature. Ethanol production is influenced by both inoculation ratio and oxygenation, whereas lactic acid production is only affected by the ratio. To modify the production of aroma compounds, temperature, inoculation ratio and in some cases nitrogen concentration constitute significant levers. These results illustrate the complexity of controlling fermentation in mixed cultures, and the necessity to find the best parametric compromise to achieve the targeted technical objectives.In order to control these cocultures, the control of population dynamics is therefore a key point, as they impact both the fermentation process, microbial interactions and wine quality. A second line of work therefore aimed to evaluate the possibility of using a method of continuous monitoring of microbial populations, giving precise results with the least possible delay. The feasibility of automating flow cytometry in the oenological field was validated: this technology makes it possible to continuously monitor bacterial or yeast populations in various situations, particularly in the context of mixed culture fermentations.The two parts of the thesis (impact of fermentation conditions on interactions and automation of flow cytometry) are complementary, and allow to envision real-time control of fermentation conditions in mixed cultures, with future applications in research, quality control and even in the cellar.