FERMENTATIONS

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Il est actuellement difficile de donner une signification précise, du point de vue scientifique, au terme « fermentation », son sens ayant constamment évolué au cours du temps.

Il provient du verbe latin fermentare, qui signifie transformer certaines denrées alimentaires sous l'action d'un agent responsable, le ferment (fermentum). L'usage du levain pour la fabrication du pain, la consommation de boissons fermentées remontent à la période indo-européenne. Ces réactions s'accompagnent le plus souvent d'une émission de bulles de gaz, effervescence qui fut longtemps considérée comme la manifestation essentielle du phénomène : le jus de raisin est transformé en vin avec production d'un important dégagement gazeux.

La notion de fermentation fut ensuite étendue aux transformations de matières organiques n'impliquant pas obligatoirement un dégagement gazeux, comme la formation d'acide lactique dans le lait. Le caractère commun à ces processus est l'accumulation, à partir des matières décomposées, de produits caractéristiques : éthanol, acide lactique, acide propionique, etc. Le goût et l'odeur des produits obtenus étant le plus souvent agréables, la notion de fermentation fut opposée à celle de putréfaction, correspondant également à la transformation apparemment spontanée des matières organiques (en particulier des cadavres), mais avec production de substances nauséabondes.

Pasteur démontra que toutes ces transformations sont dues à des micro-organismes divers (levures, bactéries, moisissures) qui utilisent pour leur développement la matière et l'énergie produites par la dégradation des substances organiques. C'est en considérant ce dernier aspect du point de vue des processus biologiques se déroulant en absence d'oxygène, que Pasteur formula sa célèbre définition : « La fermentation est la vie sans air. » Actuellement, le terme d'anaérobiose paraît plus précis pour désigner ce mode de vie. Mais, dans cette conception, la notion de fermentation s'opposait à celle de respiration. Les deux phénomènes correspondent, en effet, aux processus de dégradation (catabolisme) fournissant d'une part l'énergie, d'autre part les matériaux permettant l'édification de nouveaux organismes. En aérobiose, il y a respiration : le déchet carboné est uniquement l'anhydride carbonique émis. En anaérobiose, il y a fermentation : les déchets carbonés sont, en plus, certains produits de fermentation qui s'accumulent.

Mais il existe des processus de transformation avec accumulation de produits carbonés, autres que le gaz carbonique, se déroulant en présence d'air et même l'exigeant. Il en est ainsi de la production d'acide acétique lors de la fabrication du vinaigre. Le terme de fermentation oxydative fut alors employé pour définir ce type de transformation.

De plus, l'utilisation des micro-organismes comme agents de fabrication industrielle a conduit les techniciens à donner au terme un sens beaucoup plus large, à savoir « tout processus au cours duquel est utilisé un micro-organisme spécifique pour produire en culture, dans des conditions données, à partir de matières premières (qui sont des produits agricoles bruts ou des sous-produits de l'industrie alimentaire tels que les mélasses), une substance chimique définie, cette substance ne pouvant être synthétisée par voie chimique ou cette synthèse étant d'un prix de revient trop élevé ». Ainsi la fabrication de la pénicilline, à partir du Penicillium notatum, est-elle considérée, du point de vue technologique, comme une fermentation.

Dans ce qui suit, on ne considérera que deux aspects de la notion de fermentation : le processus catabolique des organismes vivant en anaérobiose ; la synthèse biologique industrielle.

D'ailleurs, ces aspects se superposent, car des processus anaérobies sont utilisés à des fins industrielles.

Les processus cataboliques d'organismes anaérobies

Principales fermentations anaérobies

La fermentation alcoolique

La fermentation alcoolique est la plus anciennement étudiée. Elle correspond à la transformation des sucres en alcool éthylique et anhydride carbonique. Elle est utilisée pour la fabrication de toutes les boissons alcooliques (en particulier le vin). Par le gaz carbonique dégagé, elle intervient dans la levée de la pâte en boulangerie et en pâtisserie. Lavoisier montra que les quantités de carbone, d'hydrogène et d'oxygène de l'alcool et du gaz produits égalaient celles de ces éléments dans le sucre consommé. Gay-Lussac, en 1810, définit l'équation chimique de la réaction globale :

La présence indispensable de levures pour la réalisation du processus était interprétée comme la nécessité d'un facteur physique, mais ne jouant pas de rôle chimique. En 1837 et 1838, C. Cagniard de la Tour, T. Schwann et F. Kutzing publièrent séparément leurs observations microscopiques et conclurent que la levure est un organisme vivant qui se reproduit par bourgeonnement. Schwann nomme ce micro-organisme « champignon du sucre » et considère la fermentation comme « la décomposition du sucre par ce champignon, qui en retire le matériel nécessaire à sa croissance et à sa nutrition ». Les « autorités » de l'époque, Wöhler, Liebig, Berzelius, s'insurgèrent contre cette conception taxée de vitalisme. Selon eux, la levure devait intervenir par une action catalytique de surface ou par transmission de « vibrations moléculaires ».

Friedrich Wöhler

Photographie : Friedrich Wöhler

Le chimiste allemand Friedrich Wöhler (1800 - 1882). 

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À partir de 1857, Pasteur, appelé par les brasseurs du nord de la France pour trouver les causes d'incidents de fabrication, étudia en détail le phénomène et aboutit aux conclusions suivantes : le phénomène se déroule en absence d'oxygène ; les levures demeurent parfaitement saines et peuvent même se multiplier au cours du processus ; ces mêmes levures sont capables également de vivre et de se multiplier en aérobiose.

Les travaux de Büchner, qui, en 1897, prépara un suc de levures dépourvu totalement de cellules, mais capable de transformer le glucose en éthanol et en CO2, puis ceux de Harden et Young, qui, en 1905, fractionnèrent le suc obtenu par Büchner, nommé zymase, en une partie thermostable (cozy-mase) et une partie thermolabile (apozymase), sont parmi les plus importants de ceux qui ont contribué au développement de la biochimie et de l'enzymologie modernes. Ces travaux supprimèrent la distinction, admise alors, entre ferments organisés (les catalyseurs ne pourraient être que des êtres vivants) et ferments inorganisés (les catalyseurs étant des extraits) ; ils établirent définitivement les notions d'apoenzyme et de coenzyme ; enfin leur [...]

Eduard Buchner

Photographie : Eduard Buchner

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Fermentation : séquences de réactions

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Claude LIORET, « FERMENTATIONS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 29 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/fermentations/