Modélisation de la synthèse des arômes durant la vinification

Modeling the synthesis of aroma during winemaking

• Auteur / Autrice : François Beaudeau
• Direction : Cesar Arturo Aceves Lara, Carine Bideaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénieries microbienne et enzymatique
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Carole Molina-Jouve
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Bernard, Alberto Tonda, Alain Vande Wouwer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie

Vinification

Mots clés libres

Modélisation

Processus biologiques

Vinification

Biological processes

Winemaking

Modelization

Résumé

Même si la viticulture représente une faible part de la surface agricole mondiale, le marché du vin représente une part importante de la valeur économique de la production agricole. La fermentation alcoolique, étape clé de la vinification, fait l’objet de recherche pour améliorer les qualités du vin. Dans ce contexte, le projet StarWine a pour but d’améliorer les connaissances de l’effet de l’azote initial et ajouté et de la température sur la production d’arômes pendant la fermentation alcoolique et de proposer une stratégie de conduite pour contrôler le profil aromatique du vin. Cette thèse a eu pour but de construire un modèle de la synthèse des arômes prenant en compte la température et un ajout d’azote pendant la fermentation, modèle qui sera utilisé pour construire la loi de commande pour la gestion du profil aromatique des vins. Il existe peu de modèle, dans la littérature, de la cinétique principale et un seul modèle de la synthèse des arômes lors de la fermentation œnologique. De plus, aucun de ces modèles ne prend en compte l’ajout d’azote en cours de fermentation alors que c’est une pratique courante chez les vignerons. Le modèle construit durant cette thèse ne prend en compte que cinq arômes (alcool isoamylique, isobutanol, acétate d’isoamyle, hexanoate d’éthyle et octanoate d’éthyle) ayant une grande importance sur le profil aromatique du vin et considérés comme représentatifs de l’ensemble des arômes. La calibration et la validation du modèle a ont été effectuées grâce à des données de fermentations réalisées au laboratoire SPO de l’INRAe de Montpellier et à l’unité expérimentale Pech Rouge de l’INRAe à Gruissan avec la souche EC1118 de la levure œnologique Saccharomyces cerevisiae, à différentes températures (entre 18 et 28°C), avec différentes concentrations initiales en azote (de 70 à 210 mg/L) et des ajouts d’azote réalisés à 20 g/L de CO2 dégagé de différentes concentrations (entre 50 et 150 mg/L). Dans un premier temps, deux modèles de la cinétique principale ont été élaborés (consommations du sucre et de l’azote et productions de la biomasse, de l’éthanol et du CO2) pour des fermentations à 24°C. Ces modèles considèrent l’azote intracellulaire, ce qui permet d’avoir une croissance résiduelle malgré la carence en azote, et l’activité cellulaire qui permet de tenir compte de la perte d’activité métabolique en cours de fermentation. Un modèle a été sélectionné par rapport à l’adéquation aux données de validation et à la sensibilité des modèles. Puis l’effet température sur la cinétique principale a été intégrée dans ce modèle. Ce modèle permet de simuler correctement les cinétiques principales lors de fermentations œnologiques anisothermes. Un modèle de la synthèse des arômes a ensuite été construit pour compléter le modèle de la cinétique principale. Pour les cinq arômes, le modèle élaboré présente une discontinuité lors de l’ajout d’azote. Pour l’acétate d’isoamyle, un modèle sans discontinuité a été également proposé mais il présente des capacités de prédiction moins bonnes que le modèle avec discontinuité. Le modèle complet (cinétique principale et production des arômes) permet de simuler de manière correcte les productions de CO2, éthanol, acétate d’isoamyle, isobutanol, alcool isoamylique et hexanoate d’ethyle pour des fermentations isothermes entre 18 et 28°C. Par contre il devra être améliorer pour la prédiction des concentrations en octonoate d’éthyle et également pour la prise en compte de la variation de température en cours de fermentation.

Even if viticulture represents a small part of the world's agricultural surface, the wine market represents an important part of the economic value of agricultural production. Alcoholic fermentation, a key step in wine making, is the subject of research to improve the qualities of wine. In this context, the StarWine project aims to improve the knowledge of the effect of initial and added nitrogen and temperature on the production of aromas during alcoholic fermentation and to propose a strategy to control the aromatic profile of wine. The aim of this thesis was to build a model of aroma synthesis considering temperature and nitrogen addition during fermentation, which will be used to build the control law for the management of the wine aroma profile. In the literature there are few models of the main kinetics of oenological fermentation and only one model of the synthesis of aromas during the oenological fermentation. Moreover, none of these models considers the addition of nitrogen during fermentation, although this is a common practice among winemakers. The model built during this thesis only considers five aromas (isoamyl alcohol, isobutanol, isoamyl acetate, ethyl hexanoate and ethyl octanoate) which are of great importance on the aromatic profile of the wine and considered as representative of all aromas. The calibration and validation of the model were carried out using fermentation data from the SPO laboratory of INRAe in Montpellier and the Pech Rouge experimental unit of INRAe in Gruissan with the EC1118 strain of the oenological yeast Saccharomyces cerevisiae, at different temperatures (between 18 and 28°C), with different initial nitrogen concentrations (from 70 to 210 mg/L) and nitrogen additions made at 20 g/L of released CO2 of different concentrations (between 50 and 150 mg/L). First, two models of the main kinetics were developed (sugar and nitrogen consumption and biomass, ethanol and CO2 production) for fermentations at 24°C. These models consider the intracellular nitrogen, which allows to have a residual growth in spite of the nitrogen deficiency, and the cellular activity which allows to consider the loss of metabolic activity during fermentation. A model was selected based on fit to validation data and model sensitivity. Then the temperature effect on the main kinetics was integrated in this model. This model allows to simulate correctly the main kinetics during anisothermal oenological fermentations. An aroma synthesis model was then built to complete the main kinetics model. For the five aromas, the model developed shows a discontinuity upon the addition of nitrogen. For isoamyl acetate, a model without discontinuity was also proposed but it presents less good prediction capabilities than the model with discontinuity. The complete model (main kinetics + aroma production) allows to simulate correctly the production of CO2, ethanol, isoamyl acetate, isobutanol, isoamyl alcohol and ethyl hexanoate for isothermal fermentations between 18 and 28°C. However, it should be improved for the prediction of ethyl octonoate concentrations and also for taking into account the temperature variation during the fermentation.