Appli Ind 1 UTILISATIONS INDUSTRIELLES DES MICRO-ORGANISMES I INDUSTRIE AGRO-AL

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-ALIMENTAIRE I-1) Les boissons alcoolisées I-1a) le vin I-1b) le cidre I-1c) la bière I-2) Le pain I-3) L’industrie laitière I-3a) les yaourts I-3b) les fromages I-4) Les autres aliments fermentés I-5) Divers Appli Ind 3 II INDUSTRIES NON ALIMENTAIRES UTILISANT LES PRODUITS DE FERMENTATIONS II-1) L’industrie chimique II-1a) alcool industriel II-1b) biocarburants et biogaz II-1c) écoplastiques II-2) Les antibiotiques II-3) Divers III BIOTECHNOLOGIES III-1) Principes III-2) Quelques exemples III-2a) médicaments III-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 applications principalement 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 : chimistes Pasteur : chimiste et microbiologiste  Développement des applications industrielles : XXe siècle en 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 industriel Source d’énergie enzymes + gaz +énergie bactériennes ou fungiques En anaérobiose (absence d’oxygène) le plus souvent Important dégagement gazeux : aspect d’un liquide en ébullition Certaines fermentations sont néfastes surtout dans les aliments Appli Ind 7 I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE I-1) Les boissons alcoolisées Fermentation alcoolique (principalement) Sucres     alcool éthylique = éthanol = C2H5OH I-1a) le vin Jus 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-organismes Levures œnologiques Présence naturelle sur la peau des raisins Espèces variant selon l’environnement et les cépages Peuvent également être ajoutées au moût Saccharomyces : S. ellipsoideus, S. oviformis, S. cerevisiae Torulospora rosei Kloeckera apiculata Evolution de la flore au cours de la vinification : S. ellipsoideus et S. oviformis sont les espèces les plus alcoologènes Appli Ind 8  réactions additionnelles Les produits formés sont les composants essentiels du « bouquet » du vin Sucres glycérol Acides organiques acides organiques (lactique, succinique) dont acide malique autres alcools aldéhydes Puis combinaison de ces produits     esters Fermentation malolactique : permet de réduire l’acidité du vin Acide malique acide lactique 2 à 5g/L < 1g/L COOH-CHOH-CH2-COOH COOH-CHOH-CH3 Réaction assurée par des bactéries après la f. alcoolique: Lactobacillus Leuconostoc Appli Ind 9 Appli Ind 10 I-1) Les boissons alcoolisées I-1a) le vin I-1b) le cidre Jus de pomme     cidre Mêmes types de réactions que pour le vin Degré d’alccol plus faible : 2 à 5% Principaux micro-organismes     fermentation alcoolique Kloeckera de diverses espèces Saccharomyces uvarum et S. ellipsoideus     fermentation malolactique Lactobacillus de diverses espèces Appli Ind 11 I-1) Les boissons alcoolisées I-1a) le vin I-1b) le cidre I-1c) la bière Grain d’orge germés     bière Aromatisation 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 alcoolique du jus sucré Ajout nécessaire des micro-organismes après le brassage Saccharomyces cerevisiae : levure de bière Saccharomyces 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-ALIMENTAIRE I-1) Les boissons alcoolisées I-2) Le pain Fermentation alcoolique également 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 CO2 Modification également du gluten et ainsi de la texture de la pâte Cuisson : l’alcool s’évapore les bulles de CO2 persistent Appli Ind 14 I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE I-1) Les boissons alcoolisées I-2) Le pain I-3) L’industrie laitière I-3a) les yaourts Les réactions chimiques Les fermentations lactiques Lactose du lait     acide lactique : fermentation homolactique Lactose du lait     acide lactique (produit principal) + alcools, + autres acides, + CO2 : fermentation hétérolactique ex: 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. hétérolactique Lactobacillus 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 fromages Transformations complexes du lait de vache, de chèvre, de brebis par les micro-organismes  3 étapes  production du caillé Fermentation lactique par les bactéries lactiques(cf yaourts) + présure d’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 affinage Ajout 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 mois L’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, Lactobacillus Leuconostoc, Lactococcus  Propionibacterium gruyères     beaucoup de gaz levures Saccharomyces lactis Moisissures Penicillium brie, camembert roquefort, bleus… Geotrichum camembert Appli Ind 18 Appli Ind 19 I INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE I-1) Les boissons alcoolisées I-2) Le pain I-3) L’industrie laitière I-4) Les autres aliments fermentés I-4a) végétaux choucroute f. lactique du chou par Leuconostoc et 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. lactique Lactobacillus plantarum principalement  sauce soja Fermentation d’un mélange salé de graines de soja et de blé par Aspergillus oryzae Appli Ind 20  vinaigre Fermentation acétique Jus de raisin     vin     vinaigre Sucres éthanol acide acétique CH3-COOH Acetobacter, Gluconobacter  divers végétaux fermentés Thé (feuilles), café (grains), cacao (fèves), manioc, igname, maïs, soja I-4b) produits animaux  saucissons, jambons fumés f. lactique Pediococcus cerevisiae ; Lactobacillus plantarum  préparations asiatiques de poisson f. lactiques ou f. complexes par bactéries et moisissures I-5) Divers produits des fermentations microbiennes Arômes Acide glutamique : acide aminé produit par Corynebacterium glutamicum Acide 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 chimique II-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 biogaz Alternative à la pétrochimie? Problèmes de coût ?  bioéthanol Production 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%)     uploads/Industriel/ utilisations-industrielles-des-microorganismes.pdf

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