Jus de raisin : comment extraire le maximum du potentiel de la baie de raisin par Michel Mikolajzack (1), Mélanie Veyret (1), Pascale Williams (2), Thierry Doco (2), Jean-Louis Escudier (1) (1) Inra Unité Expérimentale Pech Rouge, n 999-11430 Gruissan (2) Inra UMR SPO n 1083-2 place Viala - 34060 Montpellier Préambule : Ce travail s inscrit dans le cadre d un contrat collaboratif FUI, FIJUS R@ISOL, labellisé par les pôles de compétitivité Qualimed et Vitagora. Ce contrat est porté par la société Foulon Sopagly, coordonnatrice Aurélie Sivry, avec l Inra (UE Pech Rouge et UMR SPO, UMR DIAPC et domaine de Vassal), l ICV, et deux caves coopératives spécialisées en jus de raisin (SAS Roquecourbe et Vignoble de la voie d Héraclès), le CHU de Dijon. (Ojeda et al., 2009) Résumé : La qualité des jus de raisin rouge est évaluée entre autres par leur intensité colorante. Dans cette étude, différents traitements thermiques de la vendange ont été testés afin d extraire le maximum du potentiel de la baie, notamment des composés d intérêt comme les polyphénols et les polysaccharides. À l échelle laboratoire, l étude a permis de montrer qu un chauffage à 75 C pendant 40 minutes permet d obtenir le maximum de matière colorante. Lors de la seconde campagne d essais, l expérimentation a consisté en une comparaison de traitements biotechnologiques, par thermo macération ou par Flash Détente, additionnés de préparations enzymatiques pectinolytiques spécifiques sélectionnées auprès de 3 fabricants. L analyse chimique des jus a mis en évidence que le procédé Flash Détente présente les meilleurs résultats en termes d intensité colorante, d indice des polyphénols totaux, de concentration en anthocyanes et de stabilité de cette matière colorante dans le temps. La macération préfermentaire à chaud dans tous les cas étudiés est le procédé le moins bien adapté en termes de gain d extraction et de couleur. L ajout d enzyme, quant à lui, impacte peu la couleur mais cela permet d améliorer le pressurage (augmentation du rendement en jus). L extraction des polysaccharides et oligosaccharides est augmentée dans des proportions importantes pour le couplage flash détente/macération enzymatique avant pressurage. (facteur 3 par rapport au lot thermotraité). Abstract: The quality of red grape juice is evaluated on the basis of several characteristics, including colour intensity. In this study, several heat treatments were applied to the harvested grapes and their capacity to extract the maximum potential from the berry, particularly in terms of compounds of interest, such as polyphenols and polysaccharides, was evaluated. At laboratory scale, we showed that heating to 75 C for 40 minutes yielded the largest quantities of coloured matter. In a second series of experiments, we compared biotechnological treatments based on thermal maceration treatments or flash-heating, together with specific pectinolytic enzyme preparations from three manufacturers. Chemical analysis of the juice showed that flash-heating gave the best results in terms of colour intensity, total polyphenol index and anthocyanin concentration and content over time. Heating before fermentation was, in all cases studied, the process with the poorest performance in terms of extraction gain and colour. The addition of enzymes had little impact on juice colour, but did improve pressing efficiency (increasing juice yield). Higher proportions of polysaccharide and oligosaccharide extraction were obtained by combining flash-heating with enzymatic maceration before pressing (proportions three times higher than for the heat-treated batch). Introduction Le jus de raisin rouge est un produit de diversification de la vigne qui peut permettre de créer une filière spécifique rémunérée aux producteurs. Pour un jus rouge, la qualité est caractérisée entre autres par son intensité colorante. La rémunération est basée sur la couleur d où l intérêt d extraire le maximum du potentiel polyphénolique de la baie de raisin lors de l élaboration du jus. Les techniques les plus utilisées pour obtenir des jus colorés sont les macérations sulfitiques et les traitements thermiques. Pour des raisons réglementaires et techniques liées à la désulfitation, les macérations sulfitiques sont de moins en moins utilisées. Les traitements thermiques depuis l arrivée de la Flash Détente (FD) ont été remis dans l actualité, et sont en plein développement dans la filière. (Escudier et al., 2008 ; Doco et al., 2007) L expérimentation mise en place a consisté à étudier les méthodes thermiques les plus aptes à extraire des composés d intérêt, polyphénols et polysaccharides : thermo macérations, d une part, prétraitement du raisin par Flash Détente, d autre part. L apport de préparations enzymatiques pectinolytiques commerciales spécifiques, obtenues auprès de 3 fabricants sollicités pour cela, est testé de manière complémentaire dans le but d augmenter la quantité de molécules d intérêt dans les jus finaux. Le niveau de clarification des jus et son impact sur la stabilité de la matière colorante ont ensuite été évalués. 1. Optimisation des paramètres lors d un thermotraitement de vendange rouge à échelle laboratoire 1. 1. Matériels et méthode Plusieurs séries d essais ont été effectuées à échelle laboratoire selon les protocoles suivants sur des cépages alicante, carignan et arinarnoa afin de paramétrer le couple température - durée de macération. (Tableau 1) Préparation des lots Les essais sont effectués à 3 températures de chauffage différentes pour 2 durées de macération différentes : 65 C/20 min, 65 C/40 min, 75 C/20 min, 75 C/40 min, 85 C/20 min, 85 C/40 min. Un échantillonnage homogène (prélèvement de grappes de raisin) est effectué dans la vigne. Les raisins sont ensuite égrappés manuellement. On effectue 7 lots homogènes (1 témoin + 6 essais) de 200 baies et de même masse. Protocole thermo-macération > Mise en température des baies Un jus de raisin issu de la même vendange (environ 600mL) est chauffé dans un récipient de 2L en acier inoxydable avec agitation manuelle 2
Tableau 1 : Correspondance entre les numéros d essai et les couples temps/température sur une plaque de chauffage électrique. Les baies sont ensuite introduites dans le jus et leur température est suivie en ligne avec un thermomètre à sonde PT100. Lorsque l intérieur des baies est à température voulue, celles-ci sont retirées et égouttées. Ce mode de chauffage est jugé représentatif de la technique de chauffage à anneau liquide. Lors de ce chauffage, on assiste à une perte de jus des baies vers le jus de chauffage ainsi qu à une concentration par évaporation de ce jus. Il est donc nécessaire de réajuster la masse de l échantillon. Après égouttage, les baies sont pesées et le volume de jus manquant est rajouté à la fin après pressurage. Le jus ajouté est obtenu à partir de la même vendange. Le jus de chauffage se concentrant, nous le changeons pour chaque essai. Il faut donc préparer à l avance une quantité donnée de jus de chauffage : dans notre cas, nous avons besoin de 6 x 600 ml, soit environ 4 L. Ce jus est obtenu par pressurage de raisin provenant de la même vendange. > Macération Les baies égouttées sont mises dans une étuve dans un récipient fermé. L étuve est réglée à température voulue (65, 75 ou 85 C). Le temps de macération (20 ou 40 min) est déterminé à partir de l introduction du récipient contenant la vendange dans l étuve. > Pressurage Après étuvage, les baies sont pressées à l aide d un mini pressoir pneumatique (pressoir Bellot), réglé à une pression de 7 bars. On effectue un rebêchage. Le jus d exsudation perdu lors du chauffage est rajouté après le pressurage. Le pressoir utilisé pour produire le jus de chauffage est un pressoir à piston IMECA-PERA de capacité de 2 kg. > Centrifugation et analyse du jus Le jus obtenu est centrifugé à 12 857 g pendant 5 min à une température de 20 C puis différents éléments sont analysés : > le ph (phmètre) > l acidité totale (titrage potentiométrique, en g H2SO4 / L) > l Intensité Colorante (IC) (somme des absorbances à 420, 520 et 620 nm, mesure au spectrophotomètre sous 1 cm) ; > la teneur en anthocyanes (en g/l) (absorbance à 550 nm, mesure au spectrophotomètre), > l Indice des Polyphénols Totaux (IPT) (absorbance à 280 nm, mesure au spectrophotomètre). 1.2. Résultats Différents couples de temps/température ont été testés sur des essais de thermotraitement. On observe un optimum d intensité colorante pour un chauffage à 75 C pendant 40 min (Figure 1).. Figure 1 : Résultats obtenus sur les différents essais à échelle laboratoire 3
2. Comparaison Flash Détente, thermotraitement et MPC à échelle pilote industriel 2.1. Matériels et méthodes Vendange L expérimentation a été réalisée avec un cépage teinturier : l alicante domaine Inra Pech-Rouge. La vendange est récoltée mécaniquement avec une machine Pellenc équipée d un Selectiv system (érafloir et table de tri embarqués). Les rafles, pétioles et morceaux de feuilles sont donc éliminés dès la récolte. Le rendement de la parcelle a été de 6,1 tonnes par hectare. Traitement > Thermo macération La vendange est chauffée jusqu à 75 C par fluage de vapeur biologique (produite par une fraction du jus), la vitesse de la vis sans fin de la chambre de chauffe étant réglée pour passer la température en continu de 25 C à 75 C. Quand l équilibre est atteint, on prélève 5 lots de 100 kg de vendange chauffée égouttée dans des bidons de 200 L. Le premier lot subit une macération de 40 min à 75 C (couple temps/température de référence), il est pressé directement à l aide d un pressoir pneumatique à eau à une pression de 3 bars pendant 10 minutes. Les 4 autres lots sont refroidis jusqu à atteindre 60 C (au bout de 2 h environ), 3 d entre eux sont ensemencés par différentes enzymes d extraction puis agités manuellement au départ, le 4 ème lot est laissé à macérer sans enzyme. Il s en suit pour ces 4 lots une macération préfermentaire à chaud (MPC) à 60 C pendant 6 h. Ils sont ensuite pressés dans les mêmes conditions que le lot 1. > Flash Détente La vendange est traitée par Flash Détente : la vendange est chauffée jusqu à 95 C en 9 min puis elle est soumise à un vide de 100 mbars, sa température est alors baissée à 45 C. Suite au traitement, 4 lots de 100 kg de vendange sont prélevés. On effectue l ensemencement enzymatique sur 3 lots avec les 3 enzymes utilisées sur les essais de thermo macération, le 4ème lot n est pas enzymé. On effectue ensuite une macération à 45 C pendant 3 h. > Pressurage À la fin des macérations longues, les lots sont pressés (en même temps) sur pressoir pneumatique à membrane à eau (pression de 3 bars pendant environ 10 min). Après homogénéisation du jus, on prélève 20 L de chaque lot que l on ensemence avec une enzyme de clarification. Les jus sont stockés une nuit à 10 C. Le lendemain, les jus sont homogénéisés puis clarifiés par centrifugation sur centrifugeuse de laboratoire à bol (8 228 g pendant 5 min) et conditionnés dans des bouteilles de 25 cl. Pour chaque manipulation Tableau 2 : Enzymes utilisées pour les essais sur cépage alicante (thermo macération et Flash Détente), un jus enzymé est également embouteillé non centrifugé. Les bouteilles fermées par capsule couronne sont pasteurisées (85 C pendant 20 min) en autoclave par fluage vapeur et refroidies rapidement par ruissellement d eau. Elles sont ensuite stockées en vinothèque (17 C). > Analyse des jus Les jus obtenus sont analysés le premier jour : > Brix, > ph, > turbidité (NTU), > acidité totale, dosage potentiométrique (g H2SO4 / L), > Intensité Colorante, somme des absorbances à 420 et 520 nm, spectrophotométrie (Méthode Foulon Sopagly = dilution avec tampon au ph du jus), jus d alicante dilués 1/10 solution tampon ph 3,5, jus de carignan dilués 1/5 solution tampon ph 3,10, mesure des absorbances à 420 et 520 nm dans une cuve de 1 mm > teneur en anthocyanes, spectrophotométrie (mg ou g / L), Méthode Aubert : dilution 1/100 à l éthanol 96 % acidifié 2 % HCl, mesure de l absorbance à 550 nm dans une cuve de 10 mm, > Indice des Polyphénols Totaux (IPT), spectrophotométrie, dilution 1/100 à l eau, mesure de l absorbance à 280 nm dans une cuve de 10 mm, > L * a * b, spectrocolorimétrie, Minolta. Afin de suivre l évolution des échantillons dans le temps, l IC, les IPT et la teneur en anthocyanes sont ensuite analysés tous les jours pendant une semaine, puis tous les quinze jours pendant trois mois et enfin tous les deux mois pendant un an. > Analyse des oligo et polysaccharides des jus après la mise en bouteille Préparation des polysaccharides et oligosaccharides des jus : 5 ml de jus sont prélevés directement de la bouteille et décolorés sur une colonne de gel Polyamide SC6 équilibrée en NaCl 1M. La fraction non retenue est concentrée puis injectée sur une colonne de gel perméation (Superdex 30 ; 1.6 x 60 cm, Amersham Biosciences) équilibrée par du formiate d ammonium 30 mm ph 5.8 à un débit de 1 ml/min. (Ducasse et al., 2010) Caractérisation : la fraction polysaccharidique est collectée et analysée par sa composition en monosaccharides obtenues après hydrolyse acide, réduction et acétylation des monomères libérés (1 mg échantillon, TFA 2N, 75 min, 120 C, réduction (NaBH 4, 20mg/ml à ph 11), acétylation et analyse des polyols acétylés par GC-MS). La fraction oligosaccharidique est collectée et analysée par analyse GC-MS des dérivés triméthylsilylés (TMS) formés après méthanolyse (MeOH/HCl 1N, 16H, 80 C). (Ducasse et al., 2010). 4
2.2. Résultats Figure 2 : Schéma expérimental des essais réalisés à échelle pilote industriel Humidité des marcs et turbidité des jus de raisin Les marcs des lots non enzymés ont des taux d humidité plus élevés que ceux des lots enzymés ce qui montre bien que les enzymes permettent de mieux presser et donc d obtenir de meilleurs rendements en jus. D une manière générale, les marcs de Flash Détente sont mieux asséchés que les marcs de thermotraitement. Ceci est à mettre en relation avec la déstructuration physique des tissus végétaux lors de la mise sous vide. L ajout d enzymes permet de mieux clarifier par centrifugation. Les jus de thermotraitement sont plus faciles à clarifier que les jus de Flash Détente. Nous observons que la meilleure extraction est obtenue par les traitements de Flash Détente, tant au niveau IC, IPT que anthocyanes. La thermo macération de référence 75 C, 40 mn vient en position intermédiaire suivie par les thermo avec macération préfermentaire à chaud (MPC). Nous obtenons, par rapport aux MPC, environ 15 % de plus en anthocyanes et en intensité colorante avec la thermo macération de référence et 35 % de plus avec la Flash Détente. La clarification précoce des jus est peu impactante, l évolution est plutôt favorable aux jus non clarifiés. Nous observons une baisse de l intensité colorante sur tous les essais de l ordre de 5 à 6 % par mois. Les enzymes n ont pratiquement pas d effet en termes d extraction de polyphénols. Tableau 3 : Mesure de l humidité des marcs après pressurage et de la turbidité des jus après centrifugation 5
Couleur des jus de raisin Figure 3 : Intensité Colorante obtenue sur les essais à échelle pilote industriel Figure 4 : Indice des Polyphénols Totaux obtenus sur les essais à échelle pilote industriel Figure 5 : Concentration en Anthocyanes (g/l) obtenues sur les essais à échelle pilote industriel 6
Figure 6 : Évolution de l Intensité Colorante dans le temps Figure 7 : Effet de la Flash Détente et du thermotraitement associés ou non à l ajout d enzyme pectinolytique sur la concentration des polysaccharides des jus de raisin Tableau 4 : Composition en monosaccharides (% molaire) des oligosaccharides des jus de raisin 7
Concentration en polysaccharides et oligosaccharides dans les jus de raisin La composition en polysaccharides de chaque jus est calculée à partir de la concentration des différents résidus glycosidiques déterminée par GC et qui sont caractéristiques des polysaccharides isolés à partir de vin (Vidal et al., 2003). Les concentrations sont exprimées en mg/l de jus. La fraction majoritaire de polysaccharides est représentée par les PRAGs ou polysaccharides riches en arabinose et en galactose (60 à 80 % des polysaccharides isolés dans les jus). Il y a très peu de Mannanes. La Flash Détente permet d extraire deux fois plus de polysaccharides que le thermotraitement de référence. L utilisation de préparations enzymatiques augmente la quantité de polysaccharides libérés dans les jus (de +25 à +175 %). Ces préparations sont riches en activités pectinolytiques qui vont avoir pour cible les polysaccharides des parois cellulaires de la baie de raisin. La dégradation de la paroi cellulaire par les enzymes conduit à une libération accrue de RGII (Rhamnogalacturonane II). L utilisation de différentes préparations enzymatiques permet d obtenir une libération importante de polysaccharides, de 600 à 700 mg par litre lorsque les enzymes sont ajoutées après Flash Détente et de 250 à 550 mg par litre lorsqu elles sont additionnées aux raisins ayant été soumis au thermotraitement. Les pectinases commerciales sont souvent employées dans l'industrie alimentaire et en particulier dans la vinification pour résoudre les problèmes de clarification et de filtration, mais également pour augmenter l'efficacité du pressurage et l'extraction de jus, pour libérer des composés aromatiques, ou pour augmenter et stabiliser la couleur des jus et des vins. Les enzymes vont agir sur les polysaccharides constitutifs des parois cellulaires de la baie de raisin, et libérer des polysaccharides et des oligosaccharides. Les oligosaccharides sont impliqués dans la physiologie des plantes et en particulier dans les réponses de défense. Ils peuvent également jouer un rôle important dans l alimentation (effet probiotique et fibres alimentaires). On a montré que certains oligosaccharides ont des propriétés physico-chimiques importantes dans les applications agricoles telles que la chélation des cations (Ca2+, Cu+, etc.) qui peuvent être significatives pour la qualité des jus et du vin. Nous nous sommes donc intéressés à la concentration des oligosaccharides présents dans les jus d alicante obtenus soit par Flash Détente, soit par thermotraitement avec ou sans enzymes. Les oligosaccharides sont constitués des oses classiquement retrouvés dans la composition des polysaccharides isolés à partir des jus et des vins : rhamnose, arabinose, galactose, xylose mais aussi des acides glucuroniques et galacturoniques. Le mannose et le glucose sont aussi identifiés et ils proviennent soit des parois de levure ou de la flore contaminant la pellicule de raisin. L identification et la caractérisation structurale confirment la présence d oligosaccharides de structures de type arabinogalactanes, de type rhamnogalacturonanes de type 1 et d oligomannanes. L identification de xylose et d acide 4-O-Me-glucuronique indique la présence de traces d hémicelluloses de type Xylanes qui ont pu être solubilisées lors de la dégradation de la paroi par les enzymes. L absence des sucres caractéristiques du RGII dans les oligosaccharides indique que celui-ci n est pas dégradé et confirme son exceptionnelle résistance à l action des cocktails enzymatiques commerciaux. La quantité d oligosaccharides présents dans les jus de raisin est non négligeable puisque la teneur moyenne dans les jus témoins (FD sans enz ; Th 75 C/40min et Th + MPC sans Enz) est comprise entre 135 et 284 ml/l. On constate que les jus issus de Flash Détente sont plus riches en oligosaccharides que ceux obtenus par thermotraitement (FD sans Enz vs et Th + MPC sans Enz) et que l addition de préparations enzymatiques double, voire triple, les concentrations d oligosaccharides dans les jus aussi bien dans les raisins passés en FD que ceux passés en thermotraitement (FD enz1, Th +MPC Enz 3). Certaines préparations enzymatiques semblent plus efficaces suivant le traitement du raisin. L association Flash Détente-enzyme (FD avec Enz) est la plus efficace avec l enzyme 1, il y a 3 fois plus d oligosaccharides que dans le jus témoin (924 mg pour l enzyme 1 par rapport à 284 mg/l pour le témoin). L utilisation de l enzyme 3 avec le thermotraitement (Th + MPC avec Enz 3) est l association qui donne les meilleurs résultats en termes de libération d oligosaccharides dans le jus : 650 mg/l au lieu de 219 mg/l dans le témoin (Th +MPC sans Enz). Figure 8 : Effet de l ajout d enzyme pectinolytique commerciale sur la concentration des oligosaccharides dans les jus de raisin 8
Figure 9 : Comparaison de l effet d un ajout d enzymes commerciales (Enzyme 1, Enzyme 2 Enzyme 3) sur la concentration des Oligosaccharides dans les jus obtenus soit par Flash Détente 95 C-9 min. ou soit par thermotraitement à 75 C des baies de raisin d alicante 9
Conclusion Les traitements thermiques de la vendange sont efficaces pour élaborer des jus de raisin colorés. Par thermo traitement de la vendange, l extraction maximale est obtenue par le paramétrage chauffage à 75 C et macération pendant 40 minutes. Dès que l on prolonge la macération à chaud (MPC), on observe une perte de matière colorante, contrairement aux résultats obtenus sur vin avec cette technologie MPC (Cottereau P). La Flash Détente est la technique la plus efficace, sur alicante environ + 15 % en extraction par rapport au thermotraitement optimisé et + 35 % par rapport au thermotraitement suivi d une MPC. L effet des enzymes est limité en termes d extraction de polyphénols. En revanche, les préparations enzymatiques évaluées permettent une meilleure extraction des polysaccharides et une meilleure pressabilité de la vendange. Les enzymes sont aussi nécessaires à la clarification des jus. L intensité colorante des jus chute au cours du temps de 5 à 6 % par mois. Le traitement couplé Flash Détente - Macération enzymatique permet un gain global en polysaccharides important (facteur 3) par rapport à un thermotraitement classique. Les oligosaccharides sont présents dans les jus de raisin en concentration similaire, voire supérieure à celle des polysaccharides (somme des PRAGs, du RGII et des Mannanes). Dans les jus témoins (FD sans Enz et Th + MPC sans Enz), la concentration d oligosaccharides est équivalente à la famille majoritaire de polysaccharides (PRAGs) présents dans les jus ayant subi un traitement de la vendange soit par Flash Détente, soit par thermotraitement. Dans les essais avec ajout d enzymes, les oligosaccharides deviennent la population de glucides complexes majoritaire. Quelques conseils pour accèder aux articles techniques Démarrez votre logiciel de navigation Références bibliographiques P. Cottereau, 2008. Les traitements préfermentaires de chauffage de la vendange rouge, incidence sur la composition des vins et sur leur composante fruitée. Colloque chauffage de la vendange, dec. 2008. IFV Rhône Méditerranée. T. Doco, P. Williams, V. Cheynier, 2007. Effect of flash release and pectinolytic enzyme treatments on wine polysaccharide composition. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(16), 6643-6649. M.-A. Ducasse, R.-M. Canal-Llaubères, M. D. Lumley, P. Williams, J.-M. Souquet, H. Fulcrand, T. Doco, V. Cheynier, 2010. Effect of macerating enzyme treatment on the polyphenol and polysaccharide composition of red wines. Food Chem. 2010, 118(2), 369 376. M.-A. Ducasse, P. Williams, E. Meudec, V. Cheynier, T. Doco, 2010. Isolation of Carignan and Merlot red wine oligosaccharides and their characterization by ESI-MS. Carbohydr. Polymers, 2010, 79, 747-754. J-L. Escudier, M. Mikolajczak, M. Bes, 2008. Chauffage de la vendange : les technologies disponibles et les méthodes de vinification associées. Revue Française d Œnologie N 229, mai 2008. H. Ojeda, J-L. Escudier, G. Albagnac, A. Sivry, P. Guyot, 2009. Diversification des produits de la vigne : Création d une filière jus de raisin. Revue des Œnologues, N 30, janvier 2009. S. Vidal, P. Williams, T. Doco, M. Moutounet, P. Pellerin, 2003. The polysaccharides of red wine: Total fractionation and characterisation. Carbohydr. Polymers, 2003, 54, 439 447. Allez sur le site : http://www.oenologuesdefrance.fr/accueil Cliquez, en haut à gauche, sur l onglet connexion Saisissez votre login et votre mot de passe si vous êtes adhérent(e) ou, si vous êtes abonné(e), les codes d accès qui vous ont été communiqués sur votre facture d abonnement. > Rendez-vous dans la rubrique Revue Française d Œnologie, puis dans la sous-rubrique Tous les articles techniques, l intégralité des articles est à votre disposition. Si vous ne connaissez pas vos codes ou si vous rencontrez un quelconque problème, n'hésitez pas à nous contacter en nous laissant vos coordonnées sur le mail suivant : communication@oenologuesdefrance.fr Nous essaierons de vous accompagner au mieux pour la bonne utilisation de cet outil. 10