CM7 - Révision : Biotechnologies et procédés biologiques en agroalimentaire

Ce cours aborde des techniques et concepts fondamentaux pour comprendre et exploiter le vivant, notamment à travers la séparation des molécules, le rôle des levures dans les fermentations, et les biotechnologies appliquées à la boulangerie. Ces connaissances sont essentielles pour maîtriser les procédés industriels liés à la production alimentaire et à la purification des biomolécules.

1. Séparation et purification : principes chromatographiques

La séparation et la purification des mélanges complexes sont des étapes clés en biologie et chimie pour isoler des molécules d’intérêt. Ces processus reposent sur l’équilibre entre deux phases distinctes :

• Phase stationnaire : phase fixe, souvent solide, choisie selon la nature des composés à séparer.
• Phase mobile : phase liquide ou gazeuse qui traverse la phase stationnaire, emportant les composants à séparer.

Mécanismes d’interaction

La séparation chromatographique s’appuie sur des interactions spécifiques entre les molécules et les phases :

• Adsorption : accumulation des molécules à la surface de la phase stationnaire.
• Échange d’ions : échange réversible d’ions entre la phase stationnaire chargée et la phase mobile.
• Exclusion stérique : séparation basée sur la taille des molécules, où des billes poreuses retiennent plus longtemps les petites molécules.
• Affinité : interaction biologique spécifique entre un ligand fixé sur la phase stationnaire et la molécule cible, très utilisée pour purifier des protéines comme les anticorps monoclonaux.

Types de systèmes chromatographiques

• Phase mobile : sa composition peut être constante (isocratique) ou varier dans le temps (gradient d’élution), adaptée à la polarité des molécules et au détecteur.
• Phase stationnaire : diversité importante pour optimiser la résolution.

Conclusion

La chromatographie est un processus d’adsorption-désorption répétée qui permet de répartir les composés entre deux phases, assurant leur séparation et purification. Cette technique est au cœur des analyses biochimiques et pharmaceutiques.

@docDiapos du 10_11_2025.pdf

2. Levures : acteurs essentiels des fermentations agroalimentaires

Les levures sont des micro-organismes unicellulaires utilisés depuis l’Antiquité dans la fabrication de nombreux produits alimentaires fermentés. Elles jouent un rôle central dans la vinification, la panification, la brasserie, la fromagerie et la production de boissons fermentées.

Caractéristiques générales

• La majorité des levures appartiennent à une flore saprophyte ubiquiste.
• Deux espèces sont reconnues comme sûres par la FDA :
  • Saccharomyces cerevisiae (la plus utilisée et étudiée)
  • Kluyveromyces fragilis
• D’autres levures comme Candida utilis, Yarrowia lipolytica et Geotrichum candidum interviennent dans des applications spécifiques.
• Reproduction par bourgeonnement, observable au microscope optique.

Fermentation alcoolique

La fermentation alcoolique est la transformation du glucose en éthanol, dioxyde de carbone et énergie selon la réaction :

[Formule mathématique]

• La fermentation spontanée démarre avec des levures sauvages, puis Saccharomyces domine pour atteindre des degrés alcooliques de 11-15°, voire 18°.
• Levure idéale en vinification : fermentation rapide à basse température, résistance à l’alcool (alcoolorésistance), tolérance au SO₂ et au facteur Killer (toxine levurienne).
• Influence sur la fermentation malolactique, en synergie ou inhibition avec les bactéries lactiques.

Cas particulier du saké

Le saké illustre une fermentation en deux étapes :

1. Aspergillus oryzae (Koji) dégrade l’amidon du riz en sucres fermentescibles grâce à ses amylases.
2. Saccharomyces cerevisiae fermente ces sucres en alcool et composés aromatiques.

Le processus dure environ 45 jours, avec un contrôle rigoureux de la température, suivi d’une filtration et pasteurisation.

Autres boissons fermentées

• Cidre : fermentation du jus de pomme par Saccharomyces cerevisiae var. uvarum et autres levures, avec clarification naturelle (défécation).
• Vin : fermentation alcoolique suivie souvent d’une fermentation malolactique par Oenococcus oeni pour adoucir le vin.
• Bière : nécessite une hydrolyse préalable de l’amidon d’orge par des amylases issues du maltage avant fermentation par les levures.

Limites de la fermentation alcoolique

• Certaines levures sont osmophiles, supportant jusqu’à 65-70 % de sucre.
• La toxicité de l’alcool limite la fermentation au-delà de 13-14 % d’alcool.
• Le taux maximal d’alcool dans une boisson fermentée est généralement de 18-19 %.

Ces processus soulignent l’importance de maîtriser les interactions entre levures, enzymes et bactéries pour obtenir des boissons fermentées de qualité.

3. Biotechnologies en boulangerie : du grain au pain

La fabrication du pain repose sur l’utilisation de farine, levure ou levain, sel et eau. La farine est obtenue par broyage de céréales, principalement le blé, riche en gluten, une protéine essentielle à la panification.

Le gluten : structure et propriétés

Le gluten est composé principalement de deux protéines :

• Gliadine : confère extensibilité à la pâte.
• Gluténine : apporte élasticité et résistance.

Lorsqu’il est hydraté, le gluten forme un réseau élastique et visqueux capable d’emprisonner le gaz carbonique produit lors de la fermentation, permettant à la pâte de lever.

Les interactions responsables sont :

• Liaisons disulfures intermoléculaires : élasticité.
• Liaisons non covalentes : viscosité.

Classification des farines

Les farines sont classées selon leur teneur en son et minéraux, symbolisée par la lettre T :

Fermentation et rôle des levures

La fermentation alcoolique menée par Saccharomyces cerevisiae produit du dioxyde de carbone qui fait lever la pâte. Une fermentation lactique par des lactobacilles peut aussi intervenir, notamment dans les levains.

La production de gaz dépend de la concentration en sucres fermentescibles, issus de la dégradation de l’amidon par les amylases.

4. Les amylases : enzymes clés de la dégradation de l’amidon

Les amylases hydrolysent les molécules d’amidon en rompant les liaisons glycosidiques par addition d’eau, générant des sucres simples fermentescibles.

Types d’amylases

• Bêta-amylase

  • Agit sur les extrémités des chaînes d’amidon.
  • Libère des unités de maltose (deux molécules de glucose liées).
  • Produite par bactéries, champignons et plantes, mais pas par les animaux.
  • pH optimal acide (4,0 - 5,0).

• Alpha-amylase

  • Coupe les liaisons internes alpha-1,4 glycosidiques n’importe où dans la chaîne.
  • Produit maltose, maltotriose, glucose et dextrines.
  • Agit sur amylose et amylopectine.
  • pH optimal neutre (6,7 - 7,0), nécessite calcium (métalloenzyme).

Importance en boulangerie

• Saccharomyces cerevisiae ne peut pas hydrolyser directement l’amidon ou les dextrines.
• Les amylases présentes dans la farine dégradent l’amidon en sucres fermentescibles.
• Avec la montée des blés hypodiastasiques (pauvres en enzymes), on ajoute des alpha-amylases bactériennes ou fongiques pour assurer la levée de la pâte.

Cette synergie enzymatique garantit la qualité et le volume du pain.

@docDiapos du 10_11_2025.pdf

Conclusion : Synthèse des savoirs pour maîtriser les procédés biologiques

• La chromatographie permet la séparation fine des molécules grâce à des interactions spécifiques entre phases stationnaire et mobile.
• Les levures, notamment Saccharomyces cerevisiae, sont des micro-organismes essentiels dans la production de boissons fermentées et la boulangerie, transformant les sucres en alcool ou en gaz carbonique.
• La maîtrise des fermentations repose sur la compréhension des interactions microbiennes, enzymatiques et chimiques, ainsi que sur le contrôle des conditions de culture.
• Les amylases jouent un rôle central dans la transformation de l’amidon en sucres fermentescibles, indispensables à la fermentation et à la qualité des produits finis.

Ces connaissances intégrées permettent d’optimiser les procédés industriels et artisanaux, garantissant des produits alimentaires sûrs, savoureux et de qualité.

@docDiapos du 10_11_2025.pdf