La fermentation est un processus chimique par lequel les glucides, tels que l'amidon et le glucose, sont décomposés de manière anaérobie. La fermentation a de nombreux avantages pour la santé et est utilisée dans la production de boissons alcoolisées, de pain, de yaourt, de choucroute, de vinaigre de cidre de pomme et de kombucha. Il est également utilisé dans l'industrie pour produire de l'éthanol comme source de biocarburant.
Une brève histoire de la fermentation
Au cours de l'histoire humaine, différentes cultures ont produit boissons fermentées en laissant les céréales et les fruits dans des récipients couverts, sans comprendre pourquoi la recette a fonctionné.
Ce n'est que lorsque Joseph Louis Gay-Lussac expérimente une méthode permettant de maintenir longtemps le jus de raisin non fermenté qu'il découvre que la levure est indispensable à la fermentation alcoolique. C'est Pasteur, cependant, qui a démontré que la levure est responsable de la transformation du glucose en éthanol dans les boissons fermentées. Il a également découvert des micro-organismes qui provoquent l'aigreur du lait, ce qui s'est avéré plus tard être l'action de bactéries dans la fermentation de l'acide lactique.
Définition de la fermentation
La fermentation est un processus métabolique dans lequel l'activité des micro-organismes entraîne une modification souhaitable d'un aliment ou d'une boisson. Par exemple, dans la production de boissons alcoolisées ou de produits laitiers acides. Dans ce processus chimique, des molécules telles que le glucose sont décomposées dans des conditions anaérobies.
Le mot « fermenter » vient du latin « fervere », qui signifie bouillir. La science de la fermentation est connue sous le nom de zymologie, du grec pour « le fonctionnement de la fermentation », et est une étude du processus biochimique de la fermentation et de ses applications.
La fermentation a lieu sous conditions anaérobies (absence d'oxygène), avec l'action de micro-organismes (levures, bactéries et moisissures) qui extraient l'énergie du processus.
Certaines espèces de levure, telles que Saccharomyces cerevisiae, préfère la fermentation à la respiration aérobie, même lorsque l'oxygène est abondant, tant qu'il y a un apport suffisant en sucre. La fermentation ne se limite pas à la levure mais peut également être réalisée dans les muscles, dans lesquels les muscles catalysent la conversion du glucose en lactate.
Vue biochimique
Glycolyse, qui est la voie métabolique qui convertit le glucose en pyruvate, est la première étape de la fermentation. Au cours du processus de glycolyse, une molécule de glucose, un sucre à six carbones, se décompose en deux molécules de pyruvate. Cette réaction exothermique libère de l'énergie pour la phosphorylation de l'ADP en ATP et la conversion du NAD+ en NADH.
En présence d'oxygène, le pyruvate peut alors être oxydé par le cycle de l'acide tricarboxylique, un processus connu sous le nom de respiration aérobie. A l'inverse, le pyruvate peut être réduit en alcool, acide lactique ou autres produits en l'absence d'oxygène, lors du processus de fermentation.
Types de fermentation
Il existe de nombreux types de fermentation, qui se distinguent principalement par les produits finaux. Deux des types les plus importants et les plus couramment utilisés sont la fermentation éthanol/alcoolique et la fermentation lactique.
Fermentation à l'éthanol est utilisé dans la production de boissons alcoolisées. Fermentation lactique est utilisé pour aromatiser ou conserver les produits laitiers et les légumes. La fermentation de l'acide lactique se produit également dans les cellules musculaires sous une activité intense. Dans ce cas, les muscles consomment de l'énergie (ATP) plus rapidement que l'oxygène ne peut être fourni, ce qui entraîne un environnement anaérobie et donc une accumulation d'acide lactique et des douleurs musculaires.
Il existe d'autres types de fermentation comme la fermentation à l'acide acétique, la fermentation acétone-butanol-éthanol et la fermentation acide mixte.
Fermentation à l'éthanol
La fermentation éthanolique est définie comme le processus biologique qui transforme le sucre (glucose, fructose et saccharose) en éthanol, en dioxyde de carbone et en énergie.
Après l'étape initiale de glycolyse qui convertit une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate, le pyruvate les molécules se décomposent en deux molécules d'acétaldéhyde et deux molécules de dioxyde de carbone, une étape catalysée par le pyruvate décarboxylase. L'alcool déshydrogénase facilite ensuite la conversion des deux molécules d'acétaldéhyde en deux molécules d'éthanol, en utilisant l'énergie et l'hydrogène du NADH.
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Fermentation à l'acide lactique
La fermentation lactique est un autre type de fermentation et est décrite comme le processus métabolique qui transforme le sucre en métabolite lactate et en énergie. C'est le seul processus de respiration qui ne produit pas de gaz et qui se produit chez certaines bactéries (telles que lactobacilles) et les cellules musculaires.
Ce type de fermentation convertit les deux molécules de pyruvate de la glycolyse en deux molécules d'acide lactique et régénère le NAD+ dans le processus, en continuant le cycle. Cette réaction redox est catalysée par l'acide lactique déshydrogénase.
Les bactéries lactiques peuvent effectuer soit la fermentation homolactique, où l'acide lactique est le produit principal, soit fermentation hétérolactique, où une partie du lactate est ensuite métabolisée en éthanol, dioxyde de carbone et autres sous-produits.
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Importance et avantages de la fermentation
Riche en probiotiques, les aliments fermentés contiennent des micro-organismes qui peuvent aider à maintenir un système intestinal sain, ce qui leur permet d'extraire les nutriments des aliments plus efficacement. Ils sont bénéfiques pour la santé humaine de plusieurs manières.
Les probiotiques, les enzymes et l'acide lactique contenus dans les aliments fermentés peuvent faciliter l'apport de vitamines et de minéraux par l'organisme. La fermentation augmente les vitamines B et C et améliore l'acide folique, la riboflavine, la niacine, la thiamine et la biotine, les rendant plus accessibles pour l'absorption.
La fermentation peut également neutraliser l'acide phytique, une substance contenue dans les céréales, les noix, les graines et les légumineuses qui provoque des carences en minéraux. Les phytates, la forme ionisée de l'acide phytique, rendent également l'amidon, les protéines et les graisses moins digestes.
Les micro-organismes, ou probiotiques, présents dans les aliments fermentés peuvent aider à maintenir un intestin sain en produisant des antibiotiques, agents antiviraux, antifongiques et antitumoraux, ainsi que la création d'un environnement acide que les agents pathogènes ne se développent pas dans.
Utilisations quotidiennes de la fermentation
La fermentation est largement utilisée pour la production de boissons alcoolisées, par exemple, le vin à partir de jus de fruits et la bière à partir de céréales. Les pommes de terre, riches en amidon, peuvent également être fermentées et distillées pour faire du gin et de la vodka.
La fermentation est également largement utilisée dans pain. Lorsque le sucre, la levure, la farine et l'eau sont combinés pour former une pâte, la levure décompose le sucre et dégage du dioxyde de carbone, ce qui fait lever le pain. Le pain de spécialité tel que le levain utilise à la fois de la levure et des lactobacilles. Cette combinaison donne à la pâte sa texture extensible et son goût aigre distinctif.
La fermentation lactique est utilisée pour aromatiser ou conserver les produits laitiers et les légumes, par exemple le yaourt, la choucroute, les cornichons et le kimchi.
La fermentation à l'acide acétique peut également être utilisée pour transformer les amidons et les sucres des céréales et des fruits en vinaigre et condiments au goût aigre, y compris le vinaigre de cidre de pomme et le kombucha.
Application industrielle de la fermentation
La fermentation est utilisée dans l'industrie pour générer éthanol pour la production de biocarburant. C'est une ressource renouvelable intéressante car elle provient de matières premières, notamment des céréales et des cultures telles que le maïs, la canne à sucre, les betteraves sucrières et le manioc. Il peut également provenir d'arbres, de graminées, de résidus agricoles et forestiers.
Aux États-Unis, qui est le plus grand producteur d'éthanol-carburant, la principale matière première pour l'éthanol-carburant est le maïs compte tenu de son abondance et de son prix bas. Environ 0,42 litre d'éthanol peut être produit à partir d'un kilogramme de maïs. Le deuxième plus grand producteur est le Brésil, et la majeure partie de son carburant à l'éthanol provient de la canne à sucre. La plupart des voitures au Brésil fonctionnent à l'éthanol pur ou à un mélange d'essence et d'éthanol.
La fermentation est également capable de produire de l'hydrogène gazeux, par exemple dans Clostridium pasteurianum, où le glucose est converti en butyrate, acétate, dioxyde de carbone et hydrogène gazeux. Dans la fermentation acétone-butanol-éthanol, les glucides tels que l'amidon et le glucose sont décomposés par des bactéries pour produire de l'acétone, du n-butanol et de l'éthanol. Ce procédé a été développé par Chaim Weizmann comme méthode principale de fabrication d'acétone pendant la Première Guerre mondiale.