V i n i f i c a t i o n

Transcription

1 Vinification continue par des levures immobilisées : perspectives d industrialisation de ce nouveau procédé par C. Kassim (1, 2), M. Alliet (1, 2), J.L. Favarel (3), P. Strehaiano (1, 2) et P. Taillandier (1, 2) (1) Université de Toulouse, Laboratoire de Génie Chimique UMR 5503, INP - ENSIACET, 4 allée Emile Monso Toulouse cedex (2) CNRS ; Laboratoire de Génie Chimique ; BP 84234, F Toulouse cedex 4 (3) Le Matériel PERA, Route d Agde Florensac Résumé : Après avoir développé à l échelle laboratoire un procédé de vinification continue avec un mélange de S.cerevisiae et Sch.pombe immobilisées dans de l alginate de calcium, une validation à plus grande échelle a été réalisée. Celle-ci s est déroulée en deux étapes. À l échelle pilote (1,7 hl), les résultats sont semblables aux résultats obtenus au laboratoire : 28,5 h de temps de vinification sont nécessaires à la production d un vin à moins de 10 g/l de sucres résiduels et 0,5 g/l d acide malique. À l échelle industrielle (120 hl), les temps de vinification sont de l ordre de 3 jours, ce qui reste performant par rapport aux temps de vinification nécessaires dans le cas d un procédé classique, pour un produit comparable. D un point de vue organoleptique, les profils des vins obtenus sont en accord avec les attentes des vinificateurs de la cave, et le maintien d une qualité constante du produit au cours de la campagne a été validé. La faisabilité et l intérêt d une industrialisation de ce nouveau procédé de vinification continue sont donc confirmés. Abstract: A new continuous wine-making process, using Ca-alginate immobilized S.cerevisiae and Sch.pombe, developed at lab-scale, was validated at two different scales. At pilot scale (1,7 hl), the results were similar to those obtained at lab-scale: 28.5 h were necessary to produce a wine with less than 10 g/l of residual sugars and 0.5 g/l of malic acid. At industrial scale (120 hl), 3 days were necessary, which was very interesting compared to wine-making time needed with the classical batch process. Regarding the sensory profile, wines were in agreement with winemaker s expectations, and the production of a constant quality wine all along the wine-making period was validated. Hence, the feasibility and the interest of this new process industrialization are confirmed. 1. Introduction Depuis ces dernières années. les vinificateurs offrent des vins dont les profils gustatifs ont sensiblement évolué, allant vers des vins plus typés fruits mûrs, avec plus de sucrosité et une complexité moindre. De plus, certains marchés exigent de grandes quantités très homogènes, ce qui implique donc de pouvoir produire un vin satisfaisant des critères de qualité très précis, mais également d être capable de maintenir cette qualité malgré des variations possibles de la matière première tout au long de la récolte. Pour satisfaire ces nouveaux objectifs, l œnologue dispose depuis ces dernières années, de nouvelles technologies. Le traitement thermique de moûts, la technique de Flash détente permettent de maîtriser l extraction de la couleur et des tanins. Ces procédés qui fonctionnent en continu contribuent fortement à l obtention d une qualité régulière du moût. Dans la même logique, la mise en œuvre en continu des étapes fermentaires permettrait une meilleure maîtrise de la qualité organoleptique des produits et de sa régularité. De plus, le process, dont toutes les étapes se réaliseraient en continu, serait dans son ensemble plus cohérent. Les premiers développements de procédés permettant la vinification en continu datent des années Initialement, ce développement était basé sur la prise en compte des avantages de la fermentation continue adoptée dans certaines industries de fermentation pour des raisons de rapidité, de régularité et d économie. Dans le domaine œnologique, l avantage majeur résidait dans la capacité à produire de grands volumes de vins de type et de qualité constants. Dans cette configuration, le moût était envoyé dans la partie inférieure de la cuve de fermentation (d un volume allant jusqu à hl) et le produit fermenté récupéré dans la partie haute. Le marc et les pépins étaient également retirés en continu (Blouin et Peynaud, 2001). Cependant, malgré les avantages de la fermentation continue, la difficulté de maîtriser les populations microbiennes en présence, comme celle d assurer un apport quotidien régulier de vendange, indispensable au fonctionnement en continu, a progressivement conduit à l arrêt des vinificateurs continus installés dans les caves. Néanmoins, avec l apparition sur le marché des microorganismes immobilisés, permettant de disposer d une population microbienne dense, active et facilement réutilisable en comparaison des levures libres, la fermentation continue pourrait refaire son apparition. En effet, l utilisation des microorganismes immobilisés permet de répondre à des problématiques industrielles habituelles qui sont, entre autres, les gains de productivité, la facilité d opération, le recyclage de la biomasse et la limitation des contaminations. L utilisation des levures immobilisées pour la fermentation continue peut donc être un réel progrès à la fois technique et économique. En plus d une réduction attendue des temps de fermentation, le fonctionnement continu permettrait de supprimer tous les temps morts de production (temps de cuvage, décuvage, nettoyage), ce qui contribuerait également à l augmentation de la productivité. Bien que dans le domaine de l œnologie, la fermentation en cellules libres soit largement prédominante, nous assistons, depuis un peu plus d une dizaine d années, au développement industriel de microorganismes immobilisés pour diverses applications (Lonvaud Funel et al., 2010 ; Strehaiano et al.,2006 a). Le terme d immobilisation, défini par Karel et al. en 1985, se traduit par un confinement ou une localisation physique de cellules intactes dans une certaine région de l espace tout en préservant certaines activités catalytiques souhaitées. Par exemple, la société portugaise Proenol Lda produit et commercialise des levures incluses dans une matrice d alginate de calcium. Parmi les produits de la société, le plus connu est le ProElif, utilisé pour la prise de mousse (Strehaiano et al., 2006 b). Mais on retrouve également le ProRestart utilisé pour le redémarrage des fermentations alcooliques arrêtées (Silva et al., 2002), ou encore, le ProMalic utilisé pour la dégradation de l acide malique dans certains moûts (Silva et al., 2003). Il est important de noter que ces produits ne dénaturent en aucun cas le milieu sur lequel ils sont utilisés (vin ou moût). Afin de réunir fermentation alcoolique et dégradation de l acide malique en une seule étape, un mélange de levures Saccharomyces cerevisiae immobilisées dans une matrice d alginate de calcium R E V U E F R A N Ç A I S E D Œ N O L O G I E 2

2 Tableau 1 : Caractéristiques moyennes du jus de fermentation, campagne 2010 et 2011 et de levures Schizosaccharomyces pombe également immobilisées a été envisagé pour une double fermentation continue (Kassim et al., 2012). Après avoir défini en laboratoire les conditions de fonctionnement en continu, un test en conditions réelles a été réalisé afin de le valider. Les points à confirmer sont la faisabilité technique et la stabilité du procédé ainsi que l adéquation du profil de vin produit avec les attentes du vinificateur. Cette validation, réalisée sur deux campagnes de vendanges à deux échelles différentes (1,7 hl lors de la campagne 2010 et 120 hl en 2011) est une première dans le domaine. Cette étape de mise en œuvre en conditions industrielles avec des matières premières réelles est nécessaire puisqu elle seule permet d établir directement les perspectives d industrialisation de ce nouveau procédé. 2. Matériel et méthodes 2.1. Les levures Les souches S.cerevisiae QA23 et Sch.pombe G2 sont utilisées pour respectivement la fermentation alcoolique et la fermentation maloalcoolique. Elles sont fournies sous forme immobilisée et séchée (communément appelée billes ) par la société Proenol Lda (Portugal) sous les références ProRestart et ProMalic respectivement. Initialement, les billes sèches présentent un diamètre moyen de 2 mm, et contiennent au minimum 109 cellules de levures actives par gramme de bille sèche Le moût de raisin Les essais à l échelle pilote et industrielle sont réalisés avec du moût rouge (phase liquide) produit à la cave de Rabastens lors des campagnes 2010 et Il est obtenu à partir des cépages négrette, gamay et duras. Suivant le schéma de production de la cave, ce moût subit un traitement thermique à 65 C est filtré sur un filtre rotatif sous vide avant d être refroidi. Pour les essais en continu, le moût a été conservé à une température comprise entre 4 et 10 C. Un sulfitage systématique du raisin à 5 ghl -1 est effectué au quai de réception. Pour les essais industriels, un deuxième sulfitage 1 ghl -1 Figure 1 : Schéma du montage expérimental pilote (1,7 hl) est réalisé sur le jus refroidi. Les caractéristiques moyennes du jus sont présentées dans le Tableau Les réacteurs Le pilote Le pilote de 1,7 hl (Figure 1) dispose d une double enveloppe permettant de réguler la température de fermentation à 20 C. Deux grilles, une en bas et une en haut, maintiennent l ensemble des billes dans le réacteur. Une série de hublots disposée sur un côté du réacteur permet d observer l évolution du lit de billes ainsi que le bon fonctionnement du réacteur au niveau des dégagements gazeux. En fonctionnement continu, l alimentation est réalisée par le bas au moyen d une pompe péristaltique série DS-M (Bombas Boyer, Espagne) fonctionnant avec un tube Norprene A 60-F de diamètre interne 0,8 mm. Un tube situé en partie haute du réacteur permet l évacuation du jus fermenté Le réacteur industriel Le réacteur de 120 hl (Figure 2) a été fabriqué par la société PERA. Pour éviter les montées en pression dans la cuve, une ouverture a été réalisée dans la zone de volume mort. Le maintien en température (20 C + ou 2 C) est assuré grâce à une double enveloppe et à trois sondes réparties sur la hauteur du réacteur. Une grille en haut de cuve doit assurer le maintien de l ensemble des billes dans le réacteur. Une crépine en base de l alimentation du réacteur permet d éviter un retour des billes dans la pompe d alimentation. Une série de hublots disposés sur un côté du réacteur permet l observation du lit de billes et donc son comportement vis-à-vis du gaz produit. Le chargement et le déchargement des billes en début et fin de campagne s effectuent par une porte placée au bas de la cuve. En fonctionnement continu, l alimentation est réalisée par le bas au moyen d une pompe Liverani EP Mini 3/4. Un variateur de vitesse permet de faire varier le débit d alimentation. Le vin est récupéré par débordement dans un tube (hauteur liquide de 5,25 m) et envoyé dans une cuve de stockage. Figure 2 : Photo du réacteur industriel (120 hl) de vinification continue R E V U E F R A N Ç A I S E D Œ N O L O G I E 3

3 2.4. Protocole de préparation des billes Tout comme à l échelle laboratoire, les essais pilote et industriels sont réalisés en utilisant une concentration en billes de 40 g.lliquide -1 de ProRestart (S.cerevisiae) et 40 g.lliquide -1 de ProMalic (Sch. pombe). La préparation des billes est réalisée suivant le protocole préconisé par le fournisseur : la masse de billes nécessaire est introduite dans le réacteur. Une masse 5 fois supérieure d une solution de glucose à 40 g.l -1 à 37 C. Après 5 heures, la réhydratation est terminée. La solution sucrée est alors vidangée et le moût introduit dans le réacteur Suivi de la fermentation Dans un premier temps la fermentation a lieu de façon classique (en discontinu). Une fois la fermentation arrivée au point souhaité (caractéristiques analytiques), la pompe d alimentation est mise en marche. L arrivée de moût frais, en bas de cuve, provoque la sortie d un volume identique de jus fermenté par le tube de sortie. Les échantillons, prélevés directement en sortie de réacteur, ont été analysés sur un analyseur œnologique (Bacchus Microdom) fonctionnant par spectrométrie en moyen Infra Rouge. Les variables analysées sont : > le titre alcoolique volumétrique ; > la teneur en sucres réducteurs et en glucose/fructose ; > les acidité totale et volatile ; > la concentration en acide malique. Le glycérol a été mesuré par méthode enzymatique (Kit Boehringer R-Biopharm n E5360) Analyse sensorielle Le vin produit en continu en 2011 a fait l objet d une dégustation par un jury expert, habitué aux produits de la cave, composé de 9 membres. Une première dégustation avait pour but d évaluer la stabilité organoleptique du vin produit tout au long de la fermentation continue. Elle a porté sur trois vins bruts prélevés en sortie du fermenteur continu industriel, à différents temps de fonctionnement. Une deuxième dégustation avait pour objet de voir si le profil sensoriel du vin issu du fermenteur continu était identique à celui de vin issu du procédé classique. Figure 3 : Suivi du fonctionnement en continu du réacteur pilote 3. Résultats et discussions 3.1. Pilote Après avoir défini en laboratoire les conditions de fonctionnement en continu permettant l obtention en 24 heures d un vin à 10 g.l -1 de sucres résiduels et 0,5 g.l -1 d acide malique, un test en conditions réelles est réalisé lors des vendanges 2010 sur le pilote de 1,7 hl. Un des points importants à valider est en particulier l absence de rétention du gaz carbonique au sein du lit de billes pendant la fermentation. En effet, du fait d une très forte population de levure, l activité fermentaire en fonctionnement continue est très importante et la vitesse de production de gaz carbonique très élevée. Comme le montre la Figure 3, un fonctionnement stable du réacteur continu a pu être observé durant 28 jours. Le régime stationnaire s est établi rapidement 3 jours après la mise en route de l alimentation en continu. Il conduit, avec un temps de vinification de 28,6 h, à une stabilisation des sucres réducteurs en sortie entre 6 et 9 g.l -1 et en acide malique autour de 0,8 g.l -1 (Tableau 2). Le niveau d éthanol s établit aux alentours de 11,4 % (v/v) et celui du glycérol autour de 4,7 g.l -1. L acidité totale et l acidité volatile sont restées stables tout au long du fonctionnement en continu avec une valeur moyenne de respectivement 3 gh2so4.l -1 (soit 4,6 g.l -1 en acide tartrique) et 0,1 gh 2 SO 4.L -1. Ces caractéristiques du vin correspondaient aux objectifs de la cave. Puisque le temps de séjour est fixé et constant (28,6 h) les variations observées en sortie s expliquent principalement par celles du moût d entrée, à un moindre degré par celles de la température de fermentation autour du point de consigne. Enfin, nous avons noté qu aucune rétention de gaz n a eu lieu. Au contraire, le dégazage a assuré un brassage régulier du lit de billes, ce qui constitue un résultat très satisfaisant. En conclusion, l essai a donné des résultats intéressants. Le pilote a pu fonctionner durant 28 jours sans interruption majeure. La faisabilité technique à cette échelle a été démontrée et les résultats obtenus en laboratoire ont pu être confirmés en conditions réelles de vinification du vin à 10 g.l -1 de sucres résiduels et 0,5 g.l -1 d acide malique est produit en seulement 28,6 h de temps de séjour. L étape suivante est la validation à l échelle industrielle. Cette validation a été réalisée lors des vendanges 2011 sur le réacteur industriel de 120 hl, construit sur les bases des essais pilote. R E V U E F R A N Ç A I S E D Œ N O L O G I E 4

4 Tableau 2 : Caractéristiques des vins obtenus en 2010 sur le pilote (1,7 hl), et en 2011 sur le réacteur industriel (120 hl), avec deux débits d alimentation différents 3.2. Industriel L étude du procédé sur le réacteur de plus d une centaine d hectolitres avait pour objectifs essentiels de vérifier à cette échelle : > le bon dégagement du gaz carbonique, > la conservation des cinétiques de fermentations testées aux échelles laboratoire et pilote, > le maintien d une qualité constante et satisfaisante du vin produit Analyse du fonctionnement du réacteur industriel Au cours de cette campagne, deux essais à des débits de fonctionnement différents, correspondant à des temps de séjour différents, ont été réalisés afin d évaluer la souplesse du procédé et sa capacité à s adapter à des matières premières dont les caractéristiques, comme la teneur en sucre, peuvent varier. Les résultats obtenus pour chacun de ces débits sont donnés dans le Tableau 2, en comparaison avec les valeurs obtenues sur le pilote. Il apparaît d abord que le changement d échelle a eu un impact sur les performances du réacteur. En effet, pour obtenir un vin de caractéristiques identiques en sortie, le temps de vinification à échelle industrielle est de 78,3 h au lieu de 28,6 h à l échelle pilote. Cette différence de performance s explique par le brassage du milieu dans la cuve, qui est différent et largement impacté par le changement d échelle. En effet, même si nous n avons pas observé de rétention de gaz dans le lit de billes, il apparaissait que le brassage de ce dernier par le gaz carbonique était moins marqué que dans la cuve pilote. Une étude réalisée par la suite en laboratoire, et non développée ici, montre que l utilisation d une configuration bi-étagée (c est-à-dire composée de deux réacteurs disposés en série) permettrait d atteindre à l échelle industrielle des temps de vinification semblables à ceux obtenus en pilote. Par ailleurs, pour le même moût, l augmentation du débit d alimentation de 1,4 hl.h 1 à 2 hl.h 1, soit une réduction du temps de vinification de 78,3 h à 56 h, se traduit logiquement par une augmentation des valeurs en sucres et en acide malique qui restent dans les limites acceptées pour ce type de produit. Ceci démontre la capacité du procédé à supporter, dans une certaine mesure, des variations dans les débits d alimentation ou dans la composition (teneur en sucres) de la matière première Dégustation des vins Les dégustations des échantillons de vins bruts prélevés à différents moments de fonctionnement montrent que les profils restent stables (Figure 4). Seuls les critères d intensité végétale, maturité du fruit et structure tannique qui sont directement liés à la matière première (cépage, maturité) différent légèrement. La fermentation en continu avec les cellules immobilisées n apporte donc pas de variabilité notable dans le temps et permet donc de conserver la stabilité des profils des vins obtenus par thermotraitements tout au long de la campagne. Figure 4 : Présentation du profil sensoriel des vins produits en continu à l échelle industrielle (120 hl) et prélevés à différentes dates R E V U E F R A N Ç A I S E D Œ N O L O G I E 5

5 Figure 5 : Présentation du profil sensoriel du vin produit en continu et traité à l échelle industrielle (120 hl) et comparaison avec un assemblage produit en cave La deuxième série de dégustation (Figure 5) avait pour but de comparer le profil du vin issu du procédé continu (échantillon 4) avec celui d un vin fermenté de façon traditionnelle (échantillon 5). Il apparaît que les profils sont très semblables malgré quelques différences dans les critères liés à la matière première (cépage, maturité). 4. Conclusion Pour la première fois en œnologie, cette étude démontre la faisabilité d un procédé assurant en continu les fermentations alcoolique et malo-alcoolique, avec des levures immobilisées commerciales en conditions industrielles. Un temps de séjour de 3 jours est obtenu à l échelle industrielle (120 hl). Ces résultats sont intéressants en comparaison avec les temps de fermentation en procédé discontinu classique, qui vont de plusieurs jours à plusieurs semaines pour les fermentations alcoolique et malolactique respectivement. D un point de vue organoleptique, les dégustations et les analyses des profils aromatiques des vins ont mis en évidence l homogénéité des vins produits en continu, et ont également permis de confirmer l absence d impact négatif du procédé sur la qualité du vin fini. Pour conclure, en comparaison avec un procédé classique, le procédé continu de double fermentation du jus de raisin développé et testé ici en condition industrielle, a permis un gain de production de plusieurs jours,s voire semaines. La souplesse du procédé présente un intérêt certain puisqu il permet également d adapter les profils de vins en fonction des attentes du vinificateur. D autre part, ce procédé testé sur des jus rouges pourrait aussi être utilisé pour la vinification des rosés et blancs avec possibilité de réaliser une double fermentation ou simplement la fermentation alcoolique. Les perspectives d industrialisation de ce nouveau procédé sont donc bien réelles puisque en plus de sa simplicité de mise en œuvre et de sa souplesse, l augmentation de productivité, la suppression des temps morts et l homogénéisation de la production sont autant de points positifs pour les caves viticoles. Références bibliographiques J. Blouin et E. Peynaud, Connaissance et travail du vin. 3 ème édition. Dunod. Paris (ISBN ). S.F. Karel, S.B. Libicki and C.R. Robertson, The immobilization of whole cells: engineering principles. Chem Eng Science 40:8: C. Kassim, M. Alliet, J.L. Favarel, P. Strehaiano et P. Taillandier, Développement d un procédé continu de fermentations alcoolique et maloalcoolique simultanées pour la vinification en rouge. IXth International Symposium of Oenology, Bordeaux, Juin A. Lonvaud Funel, V. Renouf et P. Strehaiano, Microbiologie du vin. Bases fondamentales et applications. Lavoisier. Paris (ISBN ). S. Silva, F. Ramon Portugal, M.F. Texeira and P. Strehaiano, Use of encapsulated yeast for the treatment of stuck and sluggish fermentations. J.Int. Sci Vigne Vin, 36: S. Silva, F. Ramon Portugal, P. Andrade, M.F. Texeira and P. Strehaiano, Malic aid consumption by dry immobilized cells of Schizosaccharomyces pombe. Am J Enol Vitic:54: P. Strehaiano, F. Ramon Portugal and P. Taillandier, 2006 a. Yeasts as biocatalysts. In Yeast in Food and Beverages. Ed. Querol A and Fleet GH. Springer.(ISBN: ). P. Strehaiano, F. Ramon Portugal, S. Silva and P. Taillandier, 2006 b. Winemaking and Biotechnology: new contributions in a traditional process. In Bioprocesses in Food Industry Ed: C. Larroche, A. Pandey and C.G. Dussap Asiatch publishers (ISBN: ). R E V U E F R A N Ç A I S E D Œ N O L O G I E 6