Appli Ind 1

UTILISATIONS INDUSTRIELLES DES MICRO-ORGANISMES

I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE

II INDUSTRIES NON ALIMENTAIRES

III BIOTECHNOLOGIES

utilisant les produits des fermentations microbiennes

Appli Ind 2

UTILISATIONS INDUSTRIELLES DES MICRO-ORGANISMES

I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcoolisées

I-1a) le vinI-1b) le cidreI-1c) la bière

I-2) Le painI-3) L’industrie laitière

I-3a) les yaourtsI-3b) les fromages

I-4) Les autres aliments fermentésI-5) Divers

Appli Ind 3

II INDUSTRIES NON ALIMENTAIRES UTILISANT LES PRODUITS DE FERMENTATIONS

II-1) L’industrie chimiqueII-1a) alcool industrielII-1b) biocarburants et biogazII-1c) écoplastiques

II-2) Les antibiotiques

II-3) Divers

III BIOTECHNOLOGIESIII-1) Principes

III-2) Quelques exemplesIII-2a) médicamentsIII-2b) vaccins

Appli Ind 4

LES FERMENTATIONS MICROBIENNES� Processus naturel : les micro-organismes (bactéries, levures, moisissures) présents sur (dans) les matières premières les transforment en s’en nourrissant

� L’homme a maîtrisé ce processus naturel

� Nombreuses applicationsprincipalement agro-alimentaires

> 3500 aliments fermentés traditionnels ou industriels

� produits animaux : fromages, saucissons, yaourts…

� produits végétaux : vin, bière, choucroute, dérivés du soja

pain, café, thé, cacao…

� Intérêt double en agro-alimentaire:

� conservation des aliments : inhibition de la flore microbienne indésirable par les produits de fermentation (acides, alcools)

� transformation des aliments : modification des propriétés organoleptiques(texture, goût…)

Appli Ind 5

�Bref historique�Utilisation empirique depuis des millénaires : vin, bière, vinaigre

� Découverte des agents microbiens et des réactions métaboliques : XIXe siècle

Lavoisier, Gay-Lussac : chimistesPasteur : chimiste et microbiologiste

� Développement des applications industrielles : XXe siècleen chimie : première guerre mondiale (acétone)en agro-alimentaire principalement

Appli Ind 6

�Un peu de biochimie (métabolisme microbien)

Substrat organique Produits très divers d’intérêt industrielSource d’énergie enzymes + gaz +énergie

bactériennesou fungiques

En anaérobiose (absence d’oxygène) le plus souvent

Important dégagement gazeux : aspect d’un liquide en ébullition

Certaines fermentations sont néfastessurtout dans les aliments

Appli Ind 7

I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcoolisées

Fermentation alcoolique(principalement)Sucres ���� alcool éthylique = éthanol= C2H5OH

I-1a) le vinJus de raisin ����vin

�principale réaction de fermentation : Fructose et glucose ���� éthanol + CO2

100 à 250 g/L 60 à 170 g/L (6 à 17%)

� principaux micro-organismesLevuresœnologiquesPrésence naturellesur la peau des raisinsEspèces variant selon l’environnement et les cépagesPeuvent également être ajoutées au moût

Saccharomyces : S. ellipsoideus, S. oviformis, S. cerevisiaeTorulospora roseiKloeckera apiculata

Evolution de la flore au cours de la vinification : S. ellipsoideuset S. oviformissont les espècesles plus alcoologènes

Appli Ind 8

� réactions additionnellesLes produits formés sont les composants essentiels du « bouquet» du vin

Sucres glycérolAcides organiques acides organiques (lactique, succinique)dont acide malique autres alcools

aldéhydesPuis combinaison de ces produits ���� esters

Fermentation malolactique: permet de réduire l’acidité du vinAcide malique acide lactique2 à 5g/L < 1g/LCOOH-CHOH-CH 2-COOH COOH-CHOH-CH 3

Réaction assurée par des bactéries après la f. alcoolique: LactobacillusLeuconostoc

Appli Ind 9

Appli Ind 10

I-1) Les boissons alcooliséesI-1a) le vinI-1b) le cidre

Jus de pomme ���� cidreMêmes types de réactions que pour le vinDegré d’alccol plus faible : 2 à 5%

Principaux micro-organismes���� fermentation alcoolique

Kloeckerade diverses espècesSaccharomyces uvarumet S. ellipsoideus

���� fermentation malolactiqueLactobacillusde diverses espèces

Appli Ind 11

I-1) Les boissons alcooliséesI-1a) le vinI-1b) le cidreI-1c) la bière

Grain d’orge germés ���� bièreAromatisation par le houblon

2 différences avec le vin et le cidre :

� amidon (sucre complexe) au lieu de sucres simples dans la matière première����2 étapes

���� hydrolyse enzymatique de l’amidon ����jus sucré : le brassage

���� fermentation alcooliquedu jus sucré

�Ajout nécessaire des micro-organismesaprès le brassage

Saccharomyces cerevisiae: levure de bièreSaccharomyces carlsbergensis

Production très importante de CO2 : mousse abondante

Processus comparable pour l’obtention du saké : alcool de riz

Appli Ind 12

Appli Ind 13

I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcoolisées I-2) Le pain

Fermentation alcooliqueégalement

Levain ajouté à la pâte pendant le pétrissage : - Saccharomyces cerevisiae

-d’autres levures ou des bactéries peuvent être ajoutées (pains spéciaux)

Amidon ����sucres simples ���� alcool + CO2

Fait lever la pâte grâce au CO2Modification également du gluten et ainsi de la texture de la pâte

Cuisson : l’alcool s’évaporeles bulles de CO2 persistent

Appli Ind 14

I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcooliséesI-2) Le pain

I-3) L’industrie laitièreI-3a) les yaourts

�Les réactions chimiquesLes fermentations lactiquesLactose du lait ���� acide lactique : fermentation homolactiqueLactose du lait ���� acide lactique (produit principal)

+ alcools, + autres acides, + CO2 : fermentation hétérolactiqueex: kefir

Aliment « sucré »���� aliment acide

De plus ���� modification des protéines (caséine) par les mêmes micro-organismes ou par d’autres���� + modification des lipides

Aliment liquide ���� aliment solide

Appli Ind 15

� les principaux micro-organismes•••• Bactéries Gram + appelées ferments lactiques (~ 100 espèces) des genres suivants

Lactobacillus L. bulgaricus

Streptococcus pour f. homolactique S. thermophilus

Lactococcus

Bifidobacterium

Leuconostoc pour f. hétérolactiqueLactobacillus

Un yaourt contient 10 9 bactéries vivantes/g

• Dans certaines spécialités, on ajoute aux bactéries:- des levures (ex : kefir du Caucase)- des moisissures (ex: viili de Finlande)

Appli Ind 16

I-3b) les fromagesTransformations complexes du lait de vache,de chèvre, de brebis par les micro-organismes

� 3 étapes� production du caillé

Fermentation lactiquepar les bactéries lactiques(cf yaourts)

+ présured’origine animale ou fungique

Le lait coagule à pH <4,6 : caséine ���� gel + liquide (lactosérum = petit lait)

� égouttage du caillé•••• Lent ���� fromages frais (ex: fr.blanc)

fromages à pâte molle (ex: camembert, Munster, roquefort)

•••• Accéléré par pression ���� pâtes pressées (ex: St Nectaire); fr à pâte ferme (ex: Cantal)

•••• Accéléré par pression + cuisson ���� pâtes fermes cuites (ex: gruyère, Comté)

� salage et affinageAjout d’une flore spécifique à chaque fromage. Développement de la flore.Transformations microbiennes : Protéolyse, lipolyse, métabolisme des acides aminés, des composés soufrés…production d’arômes, de gaz, d’aldéhydes, d’alcools, d’ammoniac…

Appli Ind 17

L’affinage dure de 1 mois à 18 moisL’acidité du caillé diminue au cours de l’affinage : l’acide lactique est transformé par les micro organismes

� Exemples de micro-organismes� bactéries

� Bactéries lactiques : groupe prédominant: Streptococcus, LactobacillusLeuconostoc, Lactococcus

� Propionibacterium gruyères ���� beaucoup de gaz

�levuresSaccharomyces lactis

�MoisissuresPenicillium brie, camembert

roquefort, bleus…

Geotrichum camembert

Appli Ind 18

Appli Ind 19

I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIREI-1) Les boissons alcooliséesI-2) Le painI-3) L’industrie laitièreI-4) Les autres aliments fermentés

I-4a) végétaux�choucroute

f. lactique du chou par Leuconostocet Lactobacillus���� pH<2 Flore naturelle du chou+ NaCl 2 à 3% pour freiner le développement des Gram –

� olives, pickles (concombres, cornichons)Augmentation progressive du salage juqu’à 16% (saumure)f. lactiqueLactobacillus plantarumprincipalement

� sauce sojaFermentation d’un mélange salé de graines de soja et de blépar Aspergillus oryzae

Appli Ind 20

� vinaigreFermentation acétiqueJus de raisin ���� vin ���� vinaigreSucres éthanol acide acétique CH3-COOHAcetobacter, Gluconobacter

� divers végétaux fermentésThé (feuilles), café (grains), cacao (fèves), manioc, igname, maïs, soja

I-4b) produits animaux� saucissons, jambons fumés

f. lactiquePediococcus cerevisiae ; Lactobacillus plantarum

� préparations asiatiques de poissonf. lactiques ou f. complexes par bactéries et moisissures

I-5) Divers produits des fermentations microbiennesArômesAcide glutamique : acide aminé produit par Corynebacterium glutamicumAcide lactique, acide citrique, acide fumarique : conservateurs

Appli Ind 21

I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE

II INDUSTRIES NON ALIMENTAIRES UTILISANT LES PRODUITS DE FERMENTATIONS

II-1) L’industrie chimiqueII-1a) solvants

Fermentation acétone-butylique→ Production d’acétone (A) + butanol (B) +

���� soit éthanol (fermentation ABE)���� soit isopropanol (fermentation ABI)

� Substrats végétaux : maïs et autres céréales, pommes de terre, topinambours, mélasse de canne à sucre, cellulose

� Bactéries : Clostridium dont C. acetobutylicum

autres bacilles Gram+ et Gram –

Appli Ind 22

II-1b) biocarburants et biogazAlternative à la pétrochimie? Problèmes de coût ?

� bioéthanolProduction d’éthanol par des levures (Saccharomyces) et/ou des bactéries

� « Filière sucre » : substrats végétaux contenant des (poly)saccharides : jus de betterave, mélasse de canne à sucre , amidons de blé, maïs …, paille, bois

� Utilisation dans l’industrie chimique

� Utilisation dans l’essence tel quel ou sous forme d’éthyltertiobutyléther(ETBE) ���� soit en faible proportion (5-25%)

���� soit en forte proportion (85%) voire pur

� biogazFermentation méthanique → production de méthane(65%) + CO2 (34%)� Phénomène naturel des marécages, rizières, décharges : ++++� Fermentation industrielle en « digesteur » par addition de bactéries: +� Substrats végétaux et animaux riches en glucides (amidon, cellulose) :

fumiers, lisiers, boues d’épuration, déchets agricoles, ordures ménagères� Récupération et valorisation des gaz (chaudières, moteurs, électricité,

transports…): +

Appli Ind 23

II-1c) écoplastiquesMatières plastiques biodégradables produites par fermentation bactérienne de sucres : amidon de pomme de terre, lactosérum, glucoseAlcaligenes eutrophus

II-2) Les antibiotiquesSusbstances antimicrobiennes produites par des micro-organismesProduction industrielle en « fermenteurs » et purification

MoisissuresPenicillium ���� pénicillinesCephalosporium���� céphalosporines

BactériesStreptomyces���� nombreuses familles d’antibiotiquesBacillus

II-3) Divers exemplesVitamines : riboflavine, ββββ−−−−carotène moisissuresHormones, hormones de croissance végétale moisissuresImmunosuppresseur : cyclosporine moisissuresInsecticides moisissuresEnzymes variées moisissures, bactériesPolysaccharides (dextranes, xanthanes) bactéries

Appli Ind 24

III BIOTECHNOLOGIESIII-1) Principes

� Modification du génome des micro-organismes par mutationIntérêt : améliorer leur métabolisme naturelEx : production d’alcool

�Introduction de gène(s) chez un micro-organismeConfère de nouvelles propriétés au micro-organisme : il va exprimer le produit de ces gènesIntérêts - améliorer une production : rendement, qualité

- produire pour la première fois par voie microbiologique

III-2) Quelques exemplesII-2a) médicaments

Hormone de croissance; InsulineInterféronAntibiotiques; Antitumoraux

II-2b) vaccinsHépatite B