Relation entre la dynamique des populations microbiennes et les modifications physico-chimiques lors de l’élaboration de produits céréaliers fermentés ˸ cas du Gowé

Relationship between microbial population dynamics and physico-chemical changes during the development of fermented grain products˸ the case of Gowe

• Auteur / Autrice : Bettencourt de Jesus Munanga
• Direction : Gérard Loiseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie et Microbiologie
• Date : Soutenance le 12/12/2017
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Qualisud (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Galindo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Loiseau, Sabine Galindo, Djidjoho Joseph Hounhouigan, Monique Zagorec, André Lebert, Ivan Leguérinel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Djidjoho Joseph Hounhouigan, Monique Zagorec

Mots clés

Mots clés libres

Fermentation mixte

Saccharification

MModélisation mathématique

Bactérie lactique

Levure

Sorgho

Mixed fermentation

Saccharification

Mathematical modeling

Lactic acid bacteria

Yeast

Sorghum

Résumé

L’objectif général de ce travail est de proposer un modèle global de la fermentation du gowé, une boisson traditionnelle fermentée à base d’un mélange de farine de sorgho malté et non malté consommée au Bénin. Traditionnellement, lors de la fabrication réalisée à petite échelle, l’étape de fermentation est conduite par des souches de bactéries lactiques et de levures sauvages. La maitrise de l’étape de fermentation mixte conditionne l’obtention de gowé de qualité appréciée par les consommateurs. La stratégie de modélisation mise en œuvre est modulaire. Dans un premier temps, la modélisation de la croissance et de la production d’acide lactique de deux souches commerciales de bactéries lactiques (Lactobacillus brevis et Lactobacillus plantarum) a été réalisée, prenant en compte l’effet de la température, du pH, de la concentration en acide lactique. Le modèle de croissance des deux souches lactiques a été enrichi d’un modèle capable de prédire la valeur du pH lors de la fermentation du gowé en fonction de la production d’acide lactique. La seconde étape a été la modélisation de l’impact de la fermentation lactique, de la température, des teneurs en sucres, de la température de cuisson de la farine de malt, sur l’activité amylasique du malt. Le modèle agrégeant celui de la fermentation lactique et celui de la saccharification a été validé sur les données expérimentales recueillies lors de fabrication de gowé à l’échelle du laboratoire. La température de précuisson et de la fermentation apparaissent comme des leviers pour contrôler les teneurs en acide et en sucre du gowé. La croissance d’une souche commerciale de l’espèce Pichia kluyveri a été modélisée selon la même stratégie que celle utilisée pour les souches lactiques. L’inhibition de la croissance des souches lactiques par l’éthanol produit par la souche de levure et l’inhibition de la croissance de la souche de levure par l’acide lactique ont été modélisées. Le modèle global a été élaboré en intégrant les différents modèles précités en utilisant le logiciel Simulink (Matlab). Les résultats de fermentation de gowé, à l’échelle du laboratoire, inoculées avec la souche de Lactobacillus plantarum et celle de Pichia kluyveri ne remettent pas en cause la qualité du modèle global qui apparait comme un outil d’aide à la décision pour le choix des starters et des paramètres de conduite de la fermentation. Les résultats de ces fermentations de validation suggèrent le développement d’une microflore sauvage présente dans le sorgho qui interférait avec celui des souches sélectionnées. Les écarts observés entre les données expérimentales et les données prédites pourraient être la preuve d’interactions entre la souche lactique et celle de la levure non prises en compte par le modèle global. Des simulations ont montré qu’avec les starters utilisés, le temps de fermentations réalisées à 40°C pouvait être réduit à 15 heures, toute en produisant un gowé présentant de bonnes caractéristiques sanitaires et sensorielles.

The general objective of this work is to propose a global model of the fermentation of gowé, a traditional fermented drink made based on mixture of malted sorghum flour consumed in Benin. Traditionally, during small-scale production, the fermentation step is carried out by strains of lactic acid bacteria and wild yeasts. The control of mixed fermentation conditions production of gowé of quality appreciated by the consumers. The modelling strategy implemented is modular. In a first step, the modelling of lactic acid growth and production of two commercial strains of lactic bacteria (Lactobacillus brevis and Lactobacillus plantarum) was carried out, taking into account the effect of temperature, pH, and the concentration of lactic acid. The growth model of the two lactic strains was enriched with a model capable of predicting the pH value during gowé fermentation as a function of lactic acid production. The second step was the modelling of the impact of lactic fermentation, temperature, sugars content, cooking temperature of malt flour, on the amylase activity of malt. The model aggregating the lactic fermentation and the saccharification model was validated on the experimental data collected during the manufacture of gowé at the laboratory scale. The precooking and fermentation temperatures appear as levers to control the acid and sugar contents of the gowé. The growth of a commercial strain of the species Pichia kluyveri was modelled according to the same strategy as that used for the lactic strains. The inhibition of the growth of the lactic strains by the ethanol produced by the yeast strain and the inhibition of the growth of the yeast strain by lactic acid were modelled. The global model was developed by integrating the aforementioned models using Simulink software (Matlab). Laboratory-scale gowé fermentation results inoculated with the Lactobacillus plantarum strain and the Pichia kluyveri strain do not question the quality of the overall model as a decision support tool for choice starters and driving parameters of the fermentation. The results of these validation fermentations suggest the development of a wild microflora present in sorghum that interfered with that of the selected strains. The differences observed between the experimental data and the predicted data could be evidence of interactions between the lactic strain and that of the yeast not taken into account by the global model. Simulations have shown that with the starters used, the time of fermentations carried out at 40 ° C. could be reduced to 15 hours, while producing a gowé with good sanitary and sensorial characteristics.