UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES
DEPARTEMENT INDUSTRIES AGRICOLES ET ALIMENTAIRES
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES
EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR AGRONOME
OPTION INDUSTRIES AGRICOLES ET ALIMENTAIRES
« ETUDE DE LA CROISSANCE DE LA LEVURE ET DES EVOLUTIONS DE LA CONCENTRATION EN SO2 ET DIACETYLE DANS LA BIERE PENDANT LA FERMENTATION » CAS DE LA BRASSERIE STAR D’ANTSIRABE
Présenté par : Toky Olivier RAZANAKOTONARIVO
Tuteur : Pr Jean-Marie RAZAFINDRAJAONA
PROMOTION VONA (2006 – 2011)
23 DECEMBRE 2011
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES
DEPARTEMENT INDUSTRIES AGRICOLES ET ALIMENTAIRES
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES
EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR AGRONOME
OPTION INDUSTRIES AGRICOLES ET ALIMENTAIRES
« ETUDE DE LA CROISSANCE DE LA LEVURE ET DES EVOLUTIONS DE LA CONCENTRATION EN SO2 ET DIACETYLE DANS LA BIERE PENDANT LA FERMENTATION » CAS DE LA BRASSERIE STAR D’ANTSIRABE
Présenté par Toky Olivier RAZANAKOTONARIVO
LES MEMBRES DU JURY : - PRESIDENT : Pr Béatrice RAONIZAFINIMANANA - ENCADREUR PROFESSIONNEL : M. Mamy RARIVOSOA - EXAMINATEUR : Dr Jean-Baptiste Randrianary RAMAROSON - TUTEUR : Pr Jean-Marie RAZAFINDRAJAONA
PROMOTION VONA (2006 – 2011)
23 DECEMBRE 2011
Dédicaces
A ma femme et mes enfants
A mon père et à ma mère
A mes sœurs
A toute ma famille
…
REMERCIEMENTS Au Tout Puissant pour nous avoir accordé la santé et la force d’entreprendre nos projets. Nous tenons à remercier tous ceux qui, de près ou de loin, sont intervenus dans l’achèvement de ce mémoire et de nos études à l’Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques.
Au terme de ce travail, notre reconnaissance va en particulier à : Madame le Professeur Béatrice RAONIZAFINIMANANA, Chef de Département Industries Agricoles et Alimentaires (IAA) à l’Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques (ESSA), qui nous a fait l’honneur de présider le jury de la soutenance de ce mémoire ; Monsieur Mamy RARIVOSOA, Responsable de fabrication de l’Usine STAR d’Antsirabe, qui nous a fait l’honneur de siéger parmi les membres du jury de la soutenance ainsi que pour sa confiance, ses conseils et son aide précieuse lors de la réalisation de cette étude ; Monsieur le Docteur Jean-Baptiste Randrianary RAMAROSON, Enseignant Chercheur au Département IAA, qui, malgré ses lourdes tâches, nous a fait l’honneur de siéger parmi le jury de la soutenance en tant qu’examinateur ; Monsieur le Professeur Jean-Marie RAZAFINDRAJAONA, Enseignant Chercheur au Département IAA pour avoir accepté d’être notre tuteur, pour sa patience, sa dévotion et son humanité débordante dans l’exécution de ses fonctions ;
Nous ne saurions oublier d’exprimer notre profonde gratitude à : Monsieur le Professeur Jean RASOARAHONA, Directeur de l’ESSA, qui n’a pas ménagé ses efforts pour le perfectionnement de notre étude universitaire ; Monsieur René ROOSEN, Directeur de l’usine STAR d’Antsirabe, qui nous a accordé toute sa confiance et qui n’a pas ménagé les moyens pour nous permettre de réaliser cette étude au sein de sa Société ; Monsieur Nicolas DECLERCQ, Responsable de production à l’Usine STAR d’Antsirabe, qui a accepté de nous encadrer et partager ses connaissances et expériences afin de mener à bien ce travail ; Tous les Chefs de Service à l’Usine STAR d’Antsirabe qui ont collaboré sans réserve lors de la réalisation de cette étude ; Tout le personnel de l’Usine STAR d’Antsirabe pour nous avoir réservé un très bon accueil et pour leur coopération ; Tous les enseignants de l’ESSA, en particulier ceux du Département IAA, pour leurs précieux conseils et leur dévouement dans la réalisation de leur tâche ; Tout le Personnel Administratif et Technique du Département IAA et de l’ESSA ; Tout le personnel de la Bibliothèque de l’ESSA.
SOMMAIRE
SOMMAIRE
SOMMAIRE ...... I
LISTE DES PARTIES EXPERIMENTALES ...... II
LISTE DES ANNEXES ...... III
LISTE DES FIGURES...... IV
LISTE DES TABLEAUX ...... VI
LISTES DES ABREVIATIONS ...... VII
GLOSSAIRE ...... VIII
INTRODUCTION ...... 1
PARTIE I. CONTEXTE GENERAL DE L’ETUDE ...... 2
I.1. LA BIERE ...... 2 I.2. LA TECHNOLOGIE DE FABRICATION DE LA BIERE ...... 4 I.3. SITUATION INTERNATIONALE ET NATIONALE DE LA PRODUCTION DE BIERE ...... 17 CONCLUSION PARTIELLE I ...... 25
PARTIE II. ETUDE DE LA CROISSANCE DE LA LEVURE STAR ET DES EVOLUTIONS DE LA
CONCENTRATION EN SO2 ET DIACETYLE PENDANT LA FERMENTATION ...... 26
II.1. INTRODUCTION ...... 26 II.2. MATERIELS ET METHODES ...... 33 II.3. RESULTATS, INTERPRETATIONS ET DISCUSSIONS ...... 44 CONCLUSION PARTIELLE II ...... 78
PARTIE III. RECOMMANDATIONS GENERALES ...... 79
III.1. TECHNOLOGIE DE FABRICATION ...... 79 III.2. ANALYSES DU SULFITE ET DU DIACETYLE DE LA BIERE PENDANT LA FERMENTATION ET DE LA BIERE FINIES ..... 83 III.3. GESTION DE LA LEVURE ...... 84 III.4. PROTECTION CONTRE LES CONTAMINATIONS ...... 98 III.5. RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT ...... 98 CONCLUSION PARTIELLE III ...... 99
CONCLUSION GENERALE...... 100
BIBLIOGRAPHIE ...... 101
WEBIOGRAPHIE ...... 104
SUPPORTS DE COURS ...... 105
PARTIES EXPÉRIMENTALES ...... 106
ANNEXES ...... 119
i LISTE DES PARTIES EXPERIMENTALES
PARTIE EXPERIEMENTALE I- MESURE DE LA DENSITE DE LA BIERE EN FERMENTATION OU DU MOUT 106
PARTIE EXPERIEMENTALE II- MESURE DU PH ...... 107
PARTIE EXPERIEMENTALE III-DOSAGE DU DIACETYLE ...... 109
PARTIE EXPERIEMENTALE IV-DOSAGE DE SO2 TOTAUX DANS LA BIERE ...... 111
PARTIE EXPERIEMENTALE V- NUMERATION DES LEVURES AVEC L’HEMATIMETRE ...... 115
PARTIE EXPERIEMENTALE VI- LEVURE : TAUX DE MORTALITE ET TAUX DE CELLULES FROISSEES AU BLEU DE METHYLENE ...... 117
ii LISTE DES ANNEXES
ANNEXE I. LA COMPOSITION DU HOUBLON ...... 119
ANNEXE II. L’EVOLUTION ENZYMATIQUE PENDANT LE TOURAILLAGE ...... 120
ANNEXE III. EXPORTATION DE BIERE PAR LES BSM DE 2006 A 2010 ...... 120
ANNEXE IV. ORGANIGRAMME DE L’USINE STAR D’ANTSIRABE ...... 121
ANNEXE V. CONCENTRATIONS DES LEVURES EN SUSPENSION PENDANT LE REMPLISSAGE DES TANKS .... 122
ANNEXE VI. TAUX DE MORTALITE DES LEVURES ET TAUX DE CELLULES FROISSEES PAR GENERATION ...... 123
ANNEXE VII. COMPARAISON DES METHODES DE CONSERVATIONS DE SOUCHES ...... 123
ANNEXE VIII. ARBRE DE DECISION POUR LA DETERMINATION DES POINTS CRITIQUES POUR LE SYSTEME HACCP ...... 124
iii LISTE DES FIGURES
FIGURE 1. LEVURES BASSES ET LEVURES HAUTES SOUS MICROSCOPE ...... 13 FIGURE 2. SCHEMA D'UNE LEVURE ET SES CONSTITUANTS ...... 14 FIGURE 3. PRODUCTION MONDIALE DE BIERE DE 2000 A 2010 ...... 17 FIGURE 4. PRODUCTION DE BIERE DE 2004 A 2010 A LA BRASSERIE STAR D’ANTSIRABE ...... 18 FIGURE 5. PROCESSUS DE FABRICATION DE LA BIERE AU BRASSAGE ...... 22 FIGURE 6. PROCESSUS DE FABRICATION DE LA BIERE DE LA FERMENTATION AU CONDITIONNEMENT ...... 23 FIGURE 7. MODELE GENERAL DE L'EVOLUTION DE LA POPULATION DE LEVURES BASSES EN SUSPENSION PENDANT LA FERMENTATION ...... 26 FIGURE 8. LES FORMES DES SULFITES EN SOLUTION EN FONCTION DU PH ...... 28 FIGURE 9. BIOSYNTHESE DES SULFITES ET DES ACIDES AMINES SOUFRES DANS LA BIERE ...... 29 FIGURE 10. VOIE DE SYNTHESE DES DICETONES VICINALES...... 32 FIGURE 11. FLOW-SHEET DE L’ETUDE ...... 34 FIGURE 12. EVOLUTION DES DENSITES ET TEMPERATURES PENDANT LES FERMENTATIONS SELON LES TYPES DE FERMENTEURS ...... 44 FIGURE 13. EVOLUTIONS DES PH DANS LES 3 TYPES DE TANKS PENDANT LA FERMENTATION ...... 45 FIGURE 14. EVOLUTION DES CONCENTRATIONS DES LEVURES EN SUSPENSION DANS LES 3 TYPES DE FERMENTEURS DANS LA BRASSERIE STAR ...... 46 FIGURE 15. EVOLUTION DES CONCENTRATIONS EN DICETONES VICINALES DANS LES 3 TYPES DE FERMENTEURS A LA BRASSERIE STAR ...... 49 FIGURE 16. EVOLUTION DES CONCENTRATIONS EN SULFITE PENDANT LA FERMENTATION DANS LES 3 DES TYPES DE FERMENTEURS DANS LA BRASSERIE STAR ...... 50 7 FIGURE 17. EVOLUTIONS DES DENSITES SELON LES TE DE « 0,8 », « 1,6 » ET « 2,4 » X10 CELLULES/ML ...... 52 7 FIGURE 18. EVOLUTIONS DU PH SELON LES TE DE « 0,8 », « 1,6 » ET « 2,4 » X10 CELLULES/ML...... 53 FIGURE 19. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS DES LEVURES EN SUSPENSION SELON LES TE DE « 0,8 », « 1,6 » ET 7 « 2,4 » X10 CELLULES/ML ...... 54 FIGURE 20. EVOLUTION DES CONCENTRATIONS EN VDK SELON LES TE DE « 0,8 », « 1,6 » ET 7 « 2,4 » X10 CELLULES/ML ...... 55
FIGURE 21. EVOLUTION DE LA CONCENTRATION EN SO2 PENDANT LA FERMENTATION SELON LES TE 7 DE « 0,8 », « 1,6 » ET « 2,4 » X10 CELLULES/ML ...... 56 FIGURE 22. EVOLUTIONS DE LA DENSITE DU MOUT PENDANT LA FERMENTATION SELON LA CONCENTRATION EN OXYGENE DISSOUS DU MOUT DE 0, 15 ET 30 PPM ...... 57 FIGURE 23. EVOLUTIONS DES PH PENDANT LA FERMENTATION SELON LA CONCENTRATION EN OXYGENE DISSOUS DU MOUT DE 0, 15 ET 30 PPM ...... 58 FIGURE 24. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS DES LEVURES EN SUSPENSION PENDANT LA FERMENTATION SELON LA CONCENTRATION EN OXYGENE DISSOUS DU MOUT DE 0, 15 ET 30 PPM ...... 59
FIGURE 25. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS EN SO2 PENDANT LA FERMENTATION SELON LA CONCENTRATION EN OXYGENE DISSOUS DU MOUT DE 0, 15 ET 30 PPM ...... 60 FIGURE 26. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS EN DICETONES VICINALES PENDANT LA FERMENTATION SELON LA CONCENTRATION EN OXYGENE DISSOUS DU MOUT DE 0, 15 ET 30 PPM ...... 61 FIGURE 27. EVOLUTIONS DES DENSITES PENDANT LA FERMENTATION SELON LES TEMPERATURES UTILISEES DE 11°C-14°C, 13°C-16°C ET 15°C-18°C ...... 62 FIGURE 28. EVOLUTIONS DES PH PENDANT LA FERMENTATION SELON LES TEMPERATURES UTILISEES DE 11°C-14°C, 13°C-16°C ET 15°C-18°C ...... 63
iv FIGURE 29. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS EN LEVURES EN SUSPENSION PENDANT LA FERMENTATION SELON LES TEMPERATURES UTILISEES DE 11°C-14°C, 13°C-16°C ET 15°C-18°C ...... 64 FIGURE 30. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS EN SULFITES PENDANT LA FERMENTATION SELON LES TEMPERATURES UTILISEES DE 11°C-14°C, 13°C-16°C ET 15°C-18°C ...... 65 FIGURE 31. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS EN DICETONES VICINALES PENDANT LA FERMENTATION SELON LES TEMPERATURES UTILISEES DE 11°C-14°C, 13°C-16°C ET 15°C-18°C ...... 66 FIGURE 32. EVOLUTIONS DE LA DENSITE DU MOUT PENDANT LA FERMENTATION SELON LA SURPRESSION DANS LES FERMENTEURS DE « 0 », « 0,75 » ET « 1,5 » BAR ...... 67 FIGURE 33. EVOLUTIONS DES PH PENDANT LA FERMENTATION SELON LA SURPRESSION DANS LES FERMENTEURS DE « 0 », « 0,75 » ET « 1,5 » BAR ...... 68 FIGURE 34. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS EN LEVURES EN SUSPENSION PENDANT LA FERMENTATION SELON LA SURPRESSION DANS LES FERMENTEURS DE « 0 », « 0,75 » ET « 1,5 » BAR ...... 69
FIGURE 35. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS EN SO2 PENDANT LA FERMENTATION SELON LA SURPRESSION DANS LES FERMENTEURS DE « 0 », « 0,75 » ET « 1,5 » BAR ...... 70 FIGURE 36. EVOLUTIONS MOYENNES DES CONCENTRATIONS EN DICETONES VICINALES PENDANT LA FERMENTATION SELON LA SURPRESSION DANS LES FERMENTEURS DE « 0 », « 0,75 » ET « 1,5 » BAR ...... 71 FIGURE 37. EVOLUTIONS DE LA DENSITE DU MOUT PENDANT LES FERMENTATIONS ISSUES DU MOUT INDUSTRIEL DE 16°PLATO ET DES MOUTS PRODUITS A LA BRASSERIE PILOTE DE 16 ET 20 °PLATO...... 72 FIGURE 38. EVOLUTIONS DES PH PENDANT LES FERMENTATIONS ISSUES DU MOUT INDUSTRIEL DE 16°PLATO ET DES MOUTS PRODUITS A LA BRASSERIE PILOTE DE 16 ET 20 °PLATO...... 73 FIGURE 39. EVOLUTIONS DES POPULATIONS DE LEVURES EN SUSPENSION PENDANT LES FERMENTATIONS ISSUES DU MOUT INDUSTRIEL DE 16°PLATO ET DES MOUTS PRODUITS A LA BRASSERIE PILOTE DE 16 ET 20 °PLATO...... 74 FIGURE 40. EVOLUTIONS MOYENNES DES CONCENTRATIONS EN SULFITE PENDANT LES FERMENTATIONS ISSUES DU MOUT INDUSTRIEL DE 16°PLATO ET DES MOUTS PRODUITS A LA BRASSERIE PILOTE DE 16 ET 20 °PLATO...... 75 FIGURE 41. EVOLUTIONS DES CONCENTRATIONS EN DICETONES VICINALES PENDANT LES FERMENTATIONS ISSUES DU MOUT INDUSTRIEL DE 16°PLATO ET DES MOUTS PRODUITS A LA BRASSERIE PILOTE DE 16 ET 20 °PLATO...... 76 FIGURE 42. LE CYCLE DE LA LEVURE A LA BRASSERIE ...... 89 FIGURE 43. FERMENTEURS DE LABORATOIRE DE 2 LITRES ET FERMENTEURS DE LABORATOIRE EN TUBES EBC ...... 99 FIGURE 44. ORGANIGRAMME DE L'USINE STAR D’ANTSIRABE ...... 121 FIGURE 45. TAUX DE MORTALITE ET TAUX DE CELLULES FROISSEES DANS LES LEVAINS PAR GENERATION A LA BRASSERIE STAR ...... 123 FIGURE 46. L'ARBRE DE DECISION POUR DETERMINER LES CCP POUR LE SYSTEME HACCP ...... 124
v LISTE DES TABLEAUX
TABLEAU 1. DIFFERENCES ENTRE LEVURES HAUTES ET LEVURES BASSES ...... 13
TABLEAU 2. ORDRE D’ASSIMILATION DES ACIDES AMINES DANS LA LEVURE ...... 15
TABLEAU 3. ROLES DES LEVURES SUR L’AUGMENTATION DE LA CONCENTRATION EN SO2 ...... 30
TABLEAU 4. LES SOUCHES ET GENERATIONS DE LEVURES UTILISEES PENDANT L'ETUDE ...... 35
TABLEAU 5. LES MATERIELS UTILISES POUR LES ANALYSES PHYSICO-CHIMIQUES DU MOUT ET DE LA BIERE ...... 36
TABLEAU 6. LES MATERIELS ET REACTIFS UTILISES POUR LA NUMERATION ET LA MESURE DE LA VIABILITE DES LEVURES ...... 37
TABLEAU 7. CONDITIONS DE FERMENTATIONS POUR LES ETUDES INDUSTRIELLES ...... 38
TABLEAU 8. RESUME DES CONDITIONS DE FERMENTATIONS LORS DES ETUDES EN BRASSERIE PILOTE ...... 41
TABLEAU 9. COMPARAISON DE L'EVOLUTION DES LEVURES PENDANT LA FERMENTATION PRINCIPALE DANS 3 TROIS TYPES DE TANKS .... 47
TABLEAU 10. TABLEAU RECAPITULATIF DES PARAMETRES ETUDIES EN BRASSERIE PILOTE ET LEURS INFLUENCES
SUR LES VARIABLES DE FERMENTATION ...... 77
TABLEAU 11. LES CCP ET DANGERS IDENTIFIES PENDANT LA FABRICATION DE LA BIERE ...... 86
TABLEAU 12. DESCRIPTION DE LA LEVURE STAR ...... 88
TABLEAU 13. LES CCP IDENTIFIES PENDANT LE CYCLE DE LA LEVURE ...... 90
TABLEAU 14. VALEURS CIBLES ET LIMITES CRITIQUES DES CCP ...... 91
TABLEAU 15. TABLEAU DE MAITRISE DES POINTS CRITIQUES SUR LA LEVURE ...... 94
TABLEAU 16. COMPOSITIONS DE L'HOUBLON (PAR RAPPORT AU POIDS DU HOUBLON SEC) ...... 119
TABLEAU 17. CHANGEMENTS AU NIVEAU DES ACTIVITES ENZYMATIQUES PENDANT LE TOURAILLAGE ...... 120
TABLEAU 18. EXPORTATION DE BIERES PAR LES BRASSERIES STAR MADAGASCAR DE 2006 A 2010 ...... 120
TABLEAU 19. CONCENTRATIONS DES LEVURES EN SUSPENSION PENDANT LE REMPLISSAGE DES TANKS POUR LES TOD10 ...... 122
TABLEAU 20. CONCENTRATIONS DES LEVURES EN SUSPENSION PENDANT LE REMPLISSAGE DES TANKS POUR LES TOD04 ...... 122
TABLEAU 21. CONCENTRATIONS DES LEVURES EN SUSPENSION PENDANT LE REMPLISSAGE DES TANKS POUR LES TID02 ...... 122
TABLEAU 22. COMPARAISON DES METHODES DE CONSERVATIONS DE SOUCHES ...... 123
vi LISTES DES ABREVIATIONS Ap. J.-C. : Après Jésus-Christ Av. J.-C. : Avant Jésus-Christ BPF : Bonne Pratique de Fabrication BPH : Bonne Pratique d’Hygiène BSM: Brasseries STAR Madagascar CCP: Critical Control Point (Point Critique pour la Maîtrise) Cells. : Cellules CIP : Cleaning In Place (Nettoyage En Place) DLUO : Date Limite d’Utilisation Optimale EBC: European Brewery Convention ESSA : Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques HACCP: Hazard Analysis Critical Control Point HD: Haute Densité HQSE: Hygiène – Qualité – Sécurité – Environnement IAA: Industries Agricoles et Alimentaires IBU: International Bitterness Unit (Unité Internationale d'Amertume) MICP: Madagascar Industrial Competitiveness Plan pH: Potentiel d’hydrogène ppm: Partie par million PYF: Premature Yeast Flocculation
SO2 : Dioxyde de soufre TBF: Tank de bière filtrée TE: Taux d’Ensemencement (Pitching Rate) THB: Three Horses Beer THD: Très Hautes Densité THG: Time to Half Gravity TID: Tank In Door TID02: TID de 02 Brassins TOD: Tank Out Door TOD04 : TOD de 04 Brassins TOD10 : TOD de 10 Brassins UI : Unité Internationale VDK : Vicinal Diketones (Dicétones vicinales)
vii GLOSSAIRE Amertume : Goût amer dans la bière provenant de l’isomérisation des acides iso-alpha du houblon. ANOVA : Analyse de variance : Modélisation des données, test d’hypothèse qui consiste en la comparaison de moyennes de plusieurs populations. Lorsque le nombre d’échantillons à étudier est supérieur à 3, on ne peut plus se contenter de la comparaison 2 à 2. Il faut recourir à l’ANOVA. Atténuation : Diminution de la densité du moût pendant la fermentation exprimée en pourcentage de la densité finale par rapport à la densité avant la fermentation. Atténuation limite : Atténuation maximale qu’on peut atteindre avec le moût en utilisant un excès de levure pendant 48 heures. Bière verte : Toute bière après fermentation non filtrée et non maturée. Brassin de haute densité : production de moût concentré qui nécessite une dilution, habituellement après la fermentation, pour produire la bière finie Brassin : Ensemble des matières premières mises en œuvre dans la cuve-matière dans l'opération du brassage afin de fabriquer le moût. Pour la Brasserie STAR : une unité de brassin correspond à 260 hectolitres de moût froid. Couleur : Mesure de la couleur du moût ou de la bière en unité EBC. Degré d’alcool (% v/v): Pourcentage d’alcool par volume de bière. Degré Plato (°Plato): les degrés Plato se mesurent à 20°C et expriment la densité d'une solution en grammes de matière sèche pour 100 grammes de solution. 1°Plato = 1g sucre pour 100g de moût. Densité primitive : densité du moût avant la fermentation. La densité primitive est la mesure de la teneur en soluble du moût. Entonnement: remplissage du tank de fermentation avec du moût venu de la salle de brassage. Extrait : quantité de matières dissoutes mesurée en équivalents de saccharose. FAN (Free Amino Nitrogen), une mesure des acides aminés libres du moût ou de la bière en utilisant une méthode basée sur la réaction de la ninhydrine. Injection de levure (Picthing) : ensemencement du moût avec de la levure. Maische : mélange d’eau et de mouture de malt et/ou de mouture de grains crus résultant du brassage. Maturation : Etape pendant laquelle, la bière verte est traitée afin de développer sa flaveur et arome finaux. Moût : matière première principale pour la fermentation, obtenue par chauffage d’extrait aqueux d’orges maltées et autres sources d’extrait. Purge : enlèvement des trubs, levures mortes ou excès de levures situant au fonds des
viii fermenteurs pendant ou après la fermentation. Soutirage : mise en bouteille de la bière ou de la boisson considérée. Test de Duncan (MRT : Multiple Range Test): une procédure de comparaison multiple de moyenne développée par David B. Duncan. Combiné avec l’ANOVA, c’est une méthode très performante de comparaison et très utilisée en agronomie. Elle est basée sur la modification de la méthode de Student-Newmann-Keuls. Time to Half Gravity (THG) : Temps nécessaire pour que la densité du moût en fermentation ait la moitié de la densité primitive. Trub : Précipitation, essentiellement des protéines et polyphénols formés pendant l’ébullition (trouble à chaud) et le refroidissement (trouble à froid) du moût Unité Internationale d'Amertume (IBU : International Bitterness Unit) : Unité standard pour la mesure de la concentration d'Iso α-acides en milligrammes par litre.
ix INTRODUCTION
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
INTRODUCTION Les industries agro-alimentaires occupent une place très importante à l’échelle mondiale. Elles contribuent d’une manière prépondérante au succès de nombreux pays en matière de développement.
A Madagascar, ces dix dernières années ont été marquées par l’accroissement de ces industries agro-alimentaires qui participent activement à l’économie du pays. Elles dominent le secteur manufacturier, précèdent les industries métalliques (12%) et les industries électriques (9%) en représentant 49% du secteur industriel à Madagascar (MICP, 2009).
Les Brasseries STAR Madagascar fait partie des industries agro-alimentaires malgaches les plus anciennes et les plus renommées. Elles produisent, parmi d’autres produits, la bière THB, la plus consommée dans la Grande Ile. La demande des consommateurs pour ce produit ne cesse d’augmenter.
Pour faire face à cette demande croissante, une augmentation de la production est primordiale tout en améliorant la qualité de la bière. Une optimisation de la production est nécessaire surtout pour la fermentation qui est la base même de la fabrication.
La fermentation est en grande partie, l’œuvre des levures. Une bonne bière est produite avec des levures présentant une croissance optimale dans leur milieu tout en métabolisant d’une manière acceptable les produits secondaires indésirables comme le diacétyle et le sulfite (HANS, 2009).
La présente étude contribue donc à l’optimisation de la fabrication d’une bière en apportant une meilleure connaissance sur la croissance des levures et la concentration en dicétones et sulfites pendant la fermentation. Elle s’intitule : « Etude de la croissance de la levure et des évolutions de la concentration en SO2 et en diacétyle de la bière pendant la fermentation. Cas de la Brasserie STAR d’Antsirabe ».
Le présent document comprend trois grandes parties. Le contexte général est présenté en premier lieu pour cerner l’étude. L’étude de la croissance de la levure et les évolutions de la concentration de la bière en SO2 et en diacétyle pendant les fermentations sera ensuite développée en seconde partie. Enfin, la troisième partie est consacrée aux recommandations générales.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 1 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Partie I CONTEXTE GENERAL DE L’ETUDE
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Partie I. CONTEXTE GENERAL DE L’ETUDE
I.1. La bière
I.1.1. Historique (CLAUDE, 2005 ; BALSALOBRE, 2011 ; WIKIPEDIA, 2011c ; RAMAROSON, 2010) La bière est l’une des plus anciennes boissons alcoolisées. Son histoire a commencé vers 8000 ans av. J.-C. avec la découverte de la culture des céréales, notamment de l’orge, de l’épeautre (une variété de blé) et de la découverte par hasard de la fermentation. Néanmoins, les preuves formelles de son existence ne remontent que vers 4000 ans av. J.-C. au moment de la découverte de la « sikaru » (signifiant littéralement pain liquide) par les sumériens qui constituait la base de leur alimentation quotidienne. Elle a été fabriquée à partir des galettes cuites à base de l’épeautre et de l’orge trempées dans de l’eau afin de déclencher la fermentation pour produire de l’alcool.
La « sikaru » fut renommée « zythum » (traduit littéralement en vin d’orge) pendant l’ère babylonienne par les Egyptiens. Ces derniers ont apprécié cette boisson alcoolisée qui a été fabriquée à partir des céréales. Elle était même devenue leur boisson nationale. Les fermentations ont été, à cette époque, réalisées dans des pots de terre semi-enterrés. Durant les civilisations Grecques et Romaines, la bière était négligée au profit du vin qui symbolisait le sang du Christ. La bière était considérée comme une boisson des esclaves et des pauvres. Néanmoins, la bière a pu être diffusée en Gaule. Les Germains l’adoptèrent et la fabriquaient à partir de l’orge, du froment ou de l’avoine maltée et l’aromatisaient avec du miel et du gingembre. La boisson était devenue exclusive après le IIIème siècle ap. J.-C. A l’époque, la population ne parlait pas de bière mais de cervesia ou « cervoise » (venant de « Ceresus vitis » signifiant « vigne de Cérès ») faisant référence à la légende selon laquelle Cérès, la déesse des moissons et des céréales, aurait découvert la boisson et en aurait fait bénéficier les peuples dont les terres ne se prêtaient pas à la culture de la vigne.
A partir du IXème siècle, les religieux qui habitent dans des monastères parvinrent à améliorer la productivité de nombreuses terres arides et incultes. Les moines ont mené beaucoup d’expériences et ont développé deux innovations techniques majeures qui entraîneront le passage de l’antique cervoise à la bière moderne de nos jours à savoir l’introduction du houblon vers l’an mille et la mise au point de la fermentation basse vers le XVème siècle.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 2 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
A partir du XIXème siècle, la révolution industrielle apporta de nombreuses évolutions sur la production de bière notamment avec l’invention de la machine à vapeur par James WATT (en 1762), la conception d’un refroidisseur de moût par Jean Louis BAUDELOT (en 1856), l’invention de la machine frigorifique par Carl Von LINDE (en 1870), la découverte de la pasteurisation par Louis PASTEUR (en 1873) et l’identification des levures par HANSEN (en 1883).
C’est ainsi que la fabrication a pris une grande ampleur partout en Europe et actuellement elle est produite dans presque tous les pays du monde.
I.1.2. Définition Selon la définition légale dans la réglementation française (Article I du décret du 28.7.1908 modifié par le décret du 30.4.1935 et la lettre circulaire du 5.6.1950), la bière est « la boisson obtenue par une fermentation alcoolique d’un moût fabriqué avec du houblon et du malt d’orge pur ou associé à 30% au plus de son poids de malt provenant d’autres céréales, de matières amylacées, de sucre inverti ou de glucose » (MOLL, 1991).
Une autre définition complémentaire a été donnée à l’Ecole Supérieure de Brasserie de Nancy (DJIMADOUMNGAR, 1992) qui s’énonce comme suit « la bière est le produit de la fermentation du moût, liquide sucré qu'on obtient en faisant macérer dans l'eau à une température convenable, de la farine de malt (ou orge germée) en séparant le liquide de la matière solide soluble (ou drèche) en faisant bouillir ce liquide avec du houblon. »
I.1.3. Différents types de bières Les bières peuvent se classer suivant plusieurs critères.
Selon les densités, les dénominations suivantes ont été admises (LAMY – DEHOVE, 1986) :
Bière de table : 5 à 5,75 °Plato Bière bock : 8,5 à 10 °Plato Bière de luxe : 11 à 13,5 °Plato Bière spéciale : 13,5 °Plato et au-delà Bière : 5,76 à 5,75 et 10,1 à 10,9 °Plato
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 3 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Selon les types de fermentations, on a (MOLL, 1991) :
Bières de fermentation haute : Ale et le Stout originaire de la Grande Bretagne ; Lambic, Gueuze, Krieken-Lambic, Bière Blanche, Bière Trappiste originaire de Belgique ; Weissbier, Weizenbier, Altbier et Kölsch originaire de l’Allemagne
Bières de fermentation basse : Pilsen ou Pils, Münich, Dortmund, Vienne et Light
I.2. La technologie de fabrication de la bière
I.2.1. Matières premières Les matières premières de la bière sont constituées principalement par : du malt d’orge, du grain cru comme le maïs ou le riz, du houblon, de l’eau.
I.2.1.1. Orge et malt Le malt d’orge est indispensable à la fabrication de la bière et est très utilisée à l’échelle mondiale (HANS, 2009). Les différentes caractéristiques de l’orge sont (DJIMADOUMNGAR, 1991) :
Céréale vêtue pour protéger la plumule qui se développe au cours de la germination; Germination aisée ; Riche en enzymes dans sa forme maltée, ce qui permet une solubilisation rapide de ses composants ; Rapport entre les glucides et les matières azotées très bien adapté à la fermentation ; Emploi économique ; Culture très répandue ; Filtration en brasserie améliorée grâce aux enveloppes pailleuses qui allègent la masse filtrante ; Température d'empesage basse (environ 62°C) ce qui rend la saccharification aisée ; Rendement en malterie élevé.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 4 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
I.2.1.2. Houblon (MOLL, 1991) Le houblon est le responsable du gout amer de la bière. C’est une plante grimpante appartenant à la famille des cannabinacées et à l’ordre des urticales. Elle est dioïque et le houblon utilisé en brasserie est seulement celui issus des fleurs de la plante femelle.
Il existe deux principales sortes de houblons à savoir les houblons aromatiques et les houblons amérisants. Leurs utilisations dépendent du type de bières à fabriquer et surtout des cultures du pays producteur.
Les principaux constituants du houblon sont groupés dans le tableau de l’Annexe I. Ce sont les acides α qui donnent la caractéristique amère. Le pouvoir antiseptique du houblon est conféré par la humulone (C21) et la lupulone (C26).
Actuellement, la majorité des brasseries utilisent des poudres et/ou des pellets et/ou des extraits de houblon pour la fabrication de la bière.
I.2.1.3. Eau Comme toute industrie agro-alimentaire, les brasseries consomment une grande quantité d’eau. Elle est utilisée à différents niveaux de la fabrication de la bière comme le trempage (maltage), le brassage, le lavage de tout appareil, le chauffage à la vapeur et le refroidissement par circulation d’eau glacée (RAMAROSON, 2010). Elle doit donc être de la meilleure qualité possible.
Au niveau de la fabrication, la composition de l’eau de brassage est très importante car elle influence de manière considérable la qualité de la bière finie. C’est un facteur déterminant pour la caractérisation des différents types de bières comme le Pilsen, Munich, Dortmund, etc...
Les brasseries actuelles sont en mesure de déminéraliser partiellement ou totalement l’eau pour réajuster les matières minérales qui s’y trouvent. Le souci majeur des brasseries sont les contaminations microbiologiques et physico-chimiques des nappes phréatiques.
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I.2.1.4. Autres matières amylacées (MOLL, 1991 ; KUNZE, 2004) Les brasseries utilisent aussi d’autres matières amylacées pour la fabrication de la bière afin de (d’) :
réduire le prix de revient de la bière, améliorer la stabilité colloïdale, produire des bières plus légères, plus claires que les bières fabriquées à partir de 100% malt, équilibrer le profil organoleptique.
Parmi ces matières amylacées, citons le maïs, le riz, le sorgho, le blé, l’orge, le triticale, l’avoine, le millet, la pomme de terre, le manioc, etc...
La proportion des matières amylacées mise en œuvre varie en fonction de la législation locale, de la disponibilité, des prix et de la qualité de la bière voulue.
I.2.1.5. Levure La levure n’est pas une matière première proprement dite. Quand même, étant donné que la fabrication dépend essentiellement d’elle, la levure est souvent classée parmi les matières premières. Elle assure la fermentation des sucres dans les malts et les grains crus puis les transforme en alcool et en gaz carbonique (CO2) (RAMAROSON, 2010). La partie concernant la levure sera développée en détails dans la partie fermentation de la bière.
I.2.2. La fabrication de la bière La fabrication de la bière est composée de plusieurs étapes dépendantes les unes des autres. Les grandes lignes de cette fabrication sont : le maltage, la fabrication proprement dite à partir du malt.
Ces étapes sont détaillées dans les paragraphes suivants.
I.2.2.1. Maltage Le maltage consiste en une transformation de l’orge en malt. Il est effectué généralement dans une autre usine indépendante de la brasserie.
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Les objectifs du maltage sont de (d’) : Synthétiser les enzymes principalement les hydrolases ; Solubiliser les matières de réserve ainsi que les parois cellulaires de l’albumen ; Dégrader les protéines de réserve afin d’obtenir le profil protéique / polypeptidique / d’acides aminés souhaité ; Opérer de manière économique et optimale ; Satisfaire les normes du cahier de charge du brasseur.
Pour atteindre ces objectifs, le maltage se divise en 5 étapes (MOLL, 1991 ; KUNZE, 2004): Préparation des grains : nettoyage et calibration de l’orge suivant leur granulométrie ; Trempage : hydratation et oxygénation des grains nécessaires à la germination ; Germination : développement de l’embryon, formation des enzymes (les amylases, les enzymes cytolytiques, les enzymes protéolytiques, les enzymes de dégradation des lipides et les phosphatases), changements métaboliques (catabolisme des amidons, des protéines et des lipides, puis formation des précurseurs du diméthylsulphure : DMS) ; Touraillage : séchage du malt (humidité passant de 40% à 50%) et formation des produits colorés par la réaction de Maillard (cf. Annexe II) ; Dégermage : élimination des radicelles.
I.2.2.2. Fabrication de la bière proprement dite La fabrication de la bière proprement dite ou la brasserie se divise en neuf opérations essentielles : Concassage du malt et/ou des grains crus Brassage Filtration de la maische Ebullition ou cuisson du moût Clarification du moût Oxygénation du moût Fermentation Maturation et garde Filtration
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a. Concassage Cette étape consiste essentiellement en la mouture du malt et des autres céréales comme le maïs.
b. Brassage (MOLL, 1991) L’objectif du brassage est d’obtenir une meilleure extraction solide / liquide ou de solubiliser la plus grande quantité des matières hydrosolubles du malt et des grains crus, appelé « extrait » de la meilleure qualité possible.
b.1. Les transformations pendant le brassage Au cours du brassage, l’amidon du malt subit les dégradations suivantes (MOLL, 1991 ; KUNZE, 2004): Hydratation des grains d’amidon Gélatinisation avec augmentation de la viscosité (empesage) Dégradation enzymatique (liquéfaction) puis saccharification
b.2. Empâtage L’empâtage est une opération qui consiste à mélanger la mouture de malt et l’eau pour avoir la maische. Le rapport eau / malt dépend de la concentration du moût final désiré et de la méthode de brassage (MOLL, 1991).
c. Filtration du moût La maische obtenue après le brassage contient des substances solubles et des particules insolubles (drèche), d’où la nécessité d’une filtration.
Le but de la filtration est d’obtenir un moût composé de premier bouillon des lavages avec un extrait maximum et d’avoir un moût avec une faible turbidité.
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d. Ebullition du moût et houblonnage Les objectifs de l’ébullition du moût sont multiples et toutes les opérations se déroulent simultanément dans la chaudière (MOLL, 1991): Inactivation enzymatique, Stérilisation du moût, Concentration du moût, Elimination des composés volatils nuisibles à la flaveur de la bière, Formation des composés de la réaction de Maillard, Formation des composés réducteurs, Isomérisation des acides alphas en acides iso-alpha, Fixation des profils glucidiques, protéiques, lipidiques, polyphénoliques, etc... Coagulation des composés protéiques, Diminution de pH d’environ 0,2 en moyenne (provoqué par les ions calcium et magnésium, la formation des composés de la réaction de Maillard et l’addition des matières amères).
e. Clarification du moût (MOLL, 1991 ; KUNZE, 2004) Le moût sorti de la chaudière à houblonner, encore riche en précipités (cassures, drèche de houblon), est pompé dans un bac tourbillonnaire (whirlpool). Le moût tourne dans le whirlpool et les particules de trouble se déposent au fond pour former un cône.
Le temps de séjour du moût dans le whirlpool varie d’une brasserie à l’autre mais en général, le moût y reste entre 10 et 60 minutes avant le début du refroidissement. Le but est d’avoir un moût clair et à une température convenable pour l’ensemencement des levures tout en assurant leur stérilisation.
Les paramètres à contrôler au cours de cette étape sont la densité à la sortie du whirlpool puis la température avant et après le refroidissement.
Après le repos dans le whirlpool, le moût est refroidi jusqu’à une température nécessaire à l’entonnement (9°C à 12°C).
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f. Oxygénation du moût (MOLL, 1991 ; KUNZE, 2004) Des recherches effectuées par PASTEUR et al. ont permis de montrer que les levures ont besoin d’oxygène pour se multiplier. En effet, les levures requièrent de l’oxygène pour la synthèse des acides gras qui forment leurs membranes cellulaires. La quantité d’oxygène dissous dépende de la souche de levure utilisée et peut varier de 4 à 15 mg/l.
En général, l’oxygénation se fait à froid car l’oxygénation à chaud entraine une oxydation et provoque des faux-goûts dans la bière. Aussi, l’aération ou l’oxygénation s’effectue d’habitude à la sortie du réfrigérant.
I.2.2.3. Fermentation (KUNZE ; 2004 ; RAMAROSON ; 2010) La fermentation est l’étape qui contribue significativement au profil organoleptique de la bière. Le moût refroidi sera entonné dans les tanks de fermentation avec la levure et l’oxygène nécessaire à son développement. Une fois entonné, ce moût est fermenté pendant environ une semaine par les levures de brasserie appelée Saccharomyces cerevisiae ou Saccharomyces carlsbergensis. La température de fermentation varie selon le type de levures utilisées et aussi selon le profil de la bière voulue. Cette étape sera détaillée plus amplement dans une partie à part étant donné que le présent document est axé principalement sur la fermentation.
Les paramètres à surveiller pendant la fermentation sont la température, la pression dans les tanks de fermentation et la densité. La recherche des contaminants biologiques tels que les bactéries et les moisissures peut être effectuée une fois pendant la fermentation pour chaque tank. Dans certains cas, la teneur en alcool est mesurée à la fin de la fermentation.
Une fois que l’atténuation voulue est atteinte, la bière obtenue (bière verte) est transférée vers les tanks de gardes pour la garde (c’est le traversage).
I.2.2.4. La garde (KUNZE, 2004) La garde constitue une étape de maturation et de stabilisation de la bière fermentée. Dans les tanks de gardes, la bière verte subit une maturation pendant laquelle les goûts sont affinés, les levures et les particules colloïdales se précipitent. La bière reste saturée en gaz carbonique et est clarifiée. Ces modifications dépendent de la température et de la durée de la garde. En générale, la température de la garde se situe aux environs de 0°C pour une durée de deux à plusieurs jours, allant même jusqu’à des mois. Après la garde, la bière n’est pas complètement clarifiée, il faut encore la filtrer.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 10 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
I.2.2.5. La filtration La filtration renforce les rôles de la garde, c’est-à-dire la clarification et la stabilité colloïdale de la bière obtenue (KUNZE, 2004). Cette étape est effectuée généralement avec des filtres horizontaux à plaques (IFBM, 2007). C’est aussi à ce moment que les additifs tels que les antioxydants, les colorants, etc... sont ajoutés et que la teneur en alcool de la bière est corrigée.
La bière filtrée est transférée dans les tanks de bières filtrées (TBF) en attendant le soutirage.
I.2.2.6. Le conditionnement
a. Le soutirage Le soutirage consiste à la mise en bouteille, en cannette ou en fût de la bière, prévue pour l’alimentation. Cette opération est effectuée avec la machine soutireuse.
b. La pasteurisation La pasteurisation assure la stabilité biologique de la bière. Elle efface toute trace de microorganismes susceptibles d’être encore présents dans la bière à cette étape de fabrication. Elle est effectuée généralement dans un tunnel de pasteurisation à la température de 62,5°C pendant 15 minutes (HANS, 2009).
I.2.3. La fermentation de la bière La fermentation est l’une des étapes la plus importante de la fabrication de la bière. Le profil de la bière obtenue dépend d’une manière prépondérante de cette étape. Elle est assurée essentiellement par la levure.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 11 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
I.2.3.1. Les levures de brasserie
a. Classification La classification de la levure des bières se fait comme suit (RAZAFINDRAJAONA, 2009 ; HANS, 2009 ; BOULTON & QUAIN, 2001):
- Règne : Protiste - Division : Ascomycota - Subdivision : Ascomycotina - Classe : Hémiascomycètes - Ordre : Endomycétales - Famille : Saccharomycetaceae - Sous-famille : Saccharomycoideae - Genre : Saccharomyces - Espèce : o Saccharomyces cerevisiae (levures hautes) o Saccharomyces carlsbergensis, S. uvarum, S. pastorianus (levures basses)
b. Les levures hautes et les levures basses En général, les levures sont classifiées dans le monde de la brasserie en levures hautes et levures basses. Les différences entre ces deux levures sont distinguées au niveau de leurs activités et utilisations dans les brasseries.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 12 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Le tableau 1 suivant met en exergue les différences entre les levures hautes et les levures basses :
Tableau 1. Différences entre les levures hautes et les levures basses
Critères Levures hautes Levures basses Utilisation du mélibiose Non Oui Affinité avec le galactose Moins d’affinité Plus d’affinité Production de sulfite Produisent moins Produisent plus Utilisation du maltotriose Capables de l’utiliser plus Capables de l’utiliser moins rapidement rapidement Température idéale de Approximativement 20°C 8 à 15°C fermentation Comportement à la fin de la Remontent à la surface Se floculent et se décantent au fermentation fond des tanks
(Sources : BOULTON & QUAIN, 2001 ; KUNZE, 2004)
La figure 1 suivante illustre les comportements des levures hautes et levures basses à la fin de la fermentation :
Figure 1. Levures basses (à gauche) et levures hautes (à droite) au microscope (X640) (HANS, 2009)
c. Cytologie (MOLL, 1991 ; BOULTON & QUAIN, 2001 ; IFBM, 2007) Les levures sont des champignons unicellulaires de forme sphérique, ovoïde, ellipsoïde, cylindrique ou encore allongée.
La taille des levures varie de 1µm à 10µm en largeur et de 20µm à 50µm en longueur. Elles sont des eucaryotes c’est-à-dire qu’elles ne possèdent qu’un seul noyau bien distinct.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 13 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Comme toutes les cellules des organismes supérieurs, le cytoplasme des levures renferme des organites cellulaires (réticulum endoplasmique, mitochondries, etc…) et aussi des ribosomes, des enzymes et du glycogène (voir Figure 2).
La figure suivante montre le schéma d’une levure avec ses constituants cellulaires :
Figure 2. Schéma d'une levure et ses constituants (IFBM, 2007)
La levure utilisée en brasserie est un anaérobie facultatif du type fermentaire. Elle se multiplie généralement par bourgeonnement.
I.2.3.2. Transformations au cours de la fermentation
a. Fermentation alcoolique du sucre (MOLL, 1991 ; KUNZE, 2004) Comme tous les êtres vivants, la levure a besoin de source d’énergie pour la formation des nouvelles cellules, pour l’assimilation des substances de son environnement, pour l’excrétion des métabolites et pour le transport des substances dans les cellules.
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En absence d’oxygène, la levure fermente le pyruvate. Alors qu’en sa présence et en absence d’azote (ammonium), la fermentation est inhibée ou totalement stoppée au profit d’une respiration très énergétique (Effet Pasteur). Si, dans l’autre cas, la concentration en sucre fermentescible est supérieure à 0,1g/l, alors, l’enzyme nécessaire à la respiration est lui- même inhibé au même moment où la fermentation commence (Effet Crabtree).
Le bilan de la fermentation peut se résumer de la manière suivante (KUNZE, 2004 ; RAMAROSON, 2010):
C6 H12O6 2 CH 3CH 2OH 2 CO2 Energie
b. Métabolisme des protéines (MOLL, 1991) La levure est constituée de 35% à 60% (en masse de la matière sèche) de protéine. Pour produire de nouvelles substances cellulaires, la levure a besoin de nombreuses sources d’azote qui sont présentes dans les moûts sous forme d’acides aminés.
Le tableau suivant montre l’ordre d’assimilation des groupes d’acides aminés par la levure :
Tableau 2. Ordre d’assimilation des acides aminés par la levure
Groupe Acides aminés I ou A (Absorption rapide) Glutamate Glutamine Aspartate Asparagine Serine Thréonine Lysine Arginine II ou B (Absorption lente et après les acides Valine aminés du groupe I) Méthionine Histidine Leucine Isoleucines III ou C (Absorption lente) Glycine Phénylalanine Tyrosine Tryptophane Alanine IV ou D (non absorbé) Proline Acides aminobutyriques (Sources : PIERCE, 1987 ; HANS, 2009)
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 15 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Les levures ont un besoin immédiat de valine mais elle n’est métabolisée qu’après que les acides aminés du groupe I soient consumés. Les levures la synthétisent et pendant cette étape, l’acétolactate est produit et sera converti à l’extérieur des cellules en diacétyle (HANS, 2009).
c. Métabolisme des lipides (MOLL, 1991 ; KUNZE, 2004 ; HANS, 2009) Les lipides sont utilisés par les levures avec les protéines et les phosphores pour la mise en place des membranes cellulaires et de tous les organites intracellulaires. Les levures absorbent les acides gras dans le moût ou les métabolisent elles-mêmes en présence d’oxygène.
d. Métabolisme des hydrates de carbones (MOLL, 1991 ; KUNZE, 2004) La levure absorbe dans l’ordre les monosaccharides dissous dans le moût (glucose et fructose), puis les disaccharides (maltose et saccharose) et enfin les trisaccharides : maltotriose. Environ 98% des sucres assimilables sont fermentés par la levure et seulement 2% sont respirés.
e. Métabolisme des substances minérales (MOLL, 1991) Parmi les substances minérales, la levure a le plus besoin du phosphore, du soufre et un certains nombres d’ions métalliques en petites quantités. Le phosphore est essentiellement utilisé pour la formation d’ATP et la formation de la membrane phospholipidique autour de la cellule.
f. La formation et élimination des sous-produits de fermentations (KUNZE, 2004 ; HANS, 2009) Pendant la fermentation, un certain nombre de métabolites produits par la levure sont passés dans la bière. Ces sous-produits ont beaucoup d’influence sur les caractéristiques de la bière. Ces sous-produits sont essentiellement le diacétyle, les alcools supérieurs, les esters, les aldéhydes et les composés soufrés.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 16 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
I.3. Situation internationale et nationale de la production de bière
I.3.1. Situation internationale La bière est une boisson largement répandue et consommée dans le monde. En 2010, la production mondiale de bière est de 1,85 x109 hectolitres où les cinq premiers pays producteurs de bière sont la Chine (24,28% de la production mondiale), les Etats-Unis (12,34%), le Brésil (6,17%), la Russie (5,57%) et l’Allemagne (5,18%) (BARTH HAAS GROUP, 2011).
Durant ces dix dernières années, la production de bière a augmenté de plus de 24% à l’échelle mondiale (cf. Figure 3).
Figure 3. Production mondiale de bière de 2000 à 2010 (Source : BARTH HAAS GROUP, 2011).
Concernant la consommation de bière, annuellement, la moyenne par habitant est de 26,4 litres en 2006. Elle varie en général entre 10 et 25 litres mais aux environs de 60 litres pour l’Amérique et l’Europe (HANS, 2009).
Parmi les plus grandes brasseries du monde en 2010, citons InBev (Belgique) avec une production annuelle de 3,59 x108 hectolitres, SAB Miller (Royaume-Uni) : 1,72 x108 hectolitres, Heineken (Pays-Bas) : 1,46 x108 hectolitres, Carlsberg (Danemark) : 1,14 x108 hectolitres et China Resource Brewery Ltd. (Chine) : 9,33 x107 hectolitres (BARTH HAAS GROUP, 2011).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 17 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
I.3.2. Situation nationale La production de bière à Madagascar était seulement assurée par les « Brasseries STAR Madagascar » (Brasserie d’Antsirabe et celle de Diégo) de 1956 (création de la société) à 2010. Les actionnaires des BSM sont composés par Beaumont Industries (65%) et de l’Etat malgache (Etat, SONAPAR, ARO ; etc...) (34%) et des petits porteurs (1%) (BSM, 2008). Dernièrement, le Groupe Castel a racheté une grande partie des actions du Beaumont Industries qui lui a permis d’être l’actuel actionnaire majoritaire.
Les BSM font partie des plus grandes industries agroalimentaires en Afrique avec une production de 1,08 x106 hectolitres en 2010 (BSM, 2011a) dont 9,0 x105 hectolitres pour la Brasserie STAR d’Antsirabe (voir Figure 4) et 1,8 x105 hectolitres pour celle de Diégo (BSM, 2011a). Elles développent plusieurs marques de bière dont la THB (Three Horses Beer) est la plus ancienne et la plus produite (en volume). Les matières premières utilisées par la STAR sont constituées en grande partie des malts importés et des malts fabriqués localement à partir de l’orge produite à Antsirabe et à Fianarantsoa et enfin des maïs produits dans plusieurs régions de Madagascar.
Figure 4. Production de bière de 2004 à 2010 à la Brasserie STAR d’Antsirabe (BSM, 2010).
A partir du Novembre 2010, une nouvelle brasserie est ouverte à Ambatolampy, c’est la Nouvelle Brasserie de Madagascar avec la marque SKOL. C’est une entreprise de droit malgache dont le capital est détenu par UNIBRA SA (Belgique), Phoenix Beverages Ltd (Iles Maurice) et PROPARCO SA, filiale de l’Agence Française de Développement (AFD) (LECLOUX, 2011). Sa capacité de production est de 1,5 x105 hectolitres par an (MADAGASCARICA, 2011).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 18 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Concernant l’importation de bière à Madagascar, elle est encore en faible quantité. En général, les bières importées sont destinées aux étrangers voyageant ou habitant la grande île. La quantité totale importée en 2010 vaut 126 tonnes (soit environ 1,28 x103 hectolitres). Parmi les gros pays exportateurs de bière à Madagascar en 2010 figurent l’Ile Maurice qui tient la première place (48%), suivi de l’Egypte (43%) et la France (9%). (INSTAT, 2011).
L’exportation de bière de Madagascar est, pour le moment, effectuée seulement par les BSM. Le volume total de bière exportée en 2010 est de 5,01 x103 hectolitres contre 6,84 x102 hectolitres en 2006 (cf. Annexe III). La bière exportée est essentiellement la THB en canettes, en bouteilles et en fûts. Les principaux pays importateurs sont les îles voisines de Madagascar comme les îles Comores, l’île Maurice et l’île de La Réunion (BSM, 2011a).
Quant à la consommation de bière à Madagascar, elle est de 4 litres/an/habitant en 2007 contre 40 litres pour le cas de l’île Maurice et 95 litres pour la Belgique (MADAGASCARICA, 2011).
I.3.3. Présentation de la Brasserie STAR d’Antsirabe
I.3.3.1. Identité de la société (BSM, 2008) « Les Brasseries STAR de Madagascar (BSM) » sont une société anonyme au capital de 4 290 000 000 Ariary créée le 18 Septembre 1953. Son siège social est sis à Andranomahery, Rue Dr Joseph RASETA, Antananarivo, Madagascar.
La Dénomination STAR vient de l’abréviation de Société TAnanarivienne des Réfrigérations.
L’Usine STAR d’Antsirabe est une branche des BSM.
I.3.3.2. Objet social (BSM, 2008) Les BSM ont pour objet la fabrication et la distribution des boissons gazéifiées ou non, alcoolisées ou non. Elles assurent également la vente et la location de tous les produits accessoires, glacés et autres favorisant principalement le développement de l’industrie et généralement toutes les activités ayant un lien quelconque avec l’objectif principal.
Quant à l’Usine STAR d’Antsirabe, les objectifs principaux sont la production de la bière, la production de gaz carbonique pour l’usine de fabrication des boissons gazeuses d’Andraharo et la production des cageots plastiques pour toutes les usines des BSM.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 19 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
I.3.3.3. Historique de l’Usine STAR d’Antsirabe Les dates marquantes de l’évolution de l’Usine STAR d’Antsirabe sont les suivantes (BSM, 2008) :
1947 : Création à Antsirabe de la première brasserie à Madagascar: la société Rochefortaise 1953 : Création de la société STAR dont l’objectif principal est la production des boissons gazeuses. 1957 : Association de la société Rochefortaise avec la Brasserie Hollandaise NV Biscorouweris « De Drie Hoefijzers » de BREDA qui apportait une assistance technique en affectant à Madagascar les techniciens et donnait un élan nouveau à la brasserie d’Antsirabe
1958 : Naissance de la bière « THB » (Three Horses Beer)
1960 : Regroupement de la société Rochefortaise et de la Société STAR
1976 : Création de la Société Malto qui a pour but la culture de l’orge et la transformation de celle-ci en malt afin d’approvisionner la société STAR
2005 : Production de la Bière Gold en 33cl avec une nouvelle étiquette (Juillet) et première production de la bière THB en cannette (Novembre)
2006 : Mise sur le marché de la bière à pression et lancement de la THB Lite. Création d’une unité pilote (brasserie pilote) au niveau de la Brasserie STAR d’Antsirabe
2008 : La Bière THB a fêté son 50ème anniversaire.
I.3.3.4. Organisation générale dans l’Usine STAR d’Antsirabe (BSM, 2008) Le Directeur d’Usine est à la tête de la hiérarchie et coordonne le fonctionnement général de l’usine. Cinq départements sont distingués dans l’usine : - Département Production : englobant 2 grands services: le service Fabrication (brassage, fermentation et filtration) et le service Conditionnement ; - Département Laboratoire avec 4 laboratoires : ce sont des laboratoire d’analyse des matières premières, laboratoire d’analyses physico-chimiques, laboratoire d’analyses microbiologiques et le laboratoire d’analyses sensorielles ; - Département Qualité, Hygiène, Sécurité et Environnement (HQSE) : réunissant 2 services : service qualité et hygiène et service sécurité et environnement ; - Département Maintenance : activités relatives aux maintenances industrielles ;
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 20 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
- Département Administratif et du Personnel : activités relatives à l’administration, relations avec l’extérieur, gestion du personnel et la comptabilité. L’organigramme complet est présenté dans l’Annexe IV.
I.3.3.5. Diagramme de fabrication Les figures 5 et 6 des pages suivantes montrent le processus de fabrication de la bière à la Brasserie STAR d’Antsirabe.
Le processus comprend les 4 grandes étapes suivantes : le brassage, la fermentation, la garde, la filtration et le conditionnement.
a. Brassage L’usine utilise du malt local et surtout importé. Le maïs est utilisé à une proportion de 20% à 30% (m/m) pour corriger la composition du moût et les qualités organoleptiques de la bière.
Après la préparation des brassins (pesage, etc...), le malt et les grains crus sont concassés séparément.
L’empâtage suit l’étape de concassage. Pendant cette étape, l’eau est ajoutée et le pH est éventuellement corrigé par l’addition d’acide fort (acide chlorhydrique). Le pH est ramené à 5,4 pour une meilleure action des enzymes. Les antioxydants et les enzymes sont aussi ajoutés à cette étape.
Après l’empâtage, la maische obtenue est filtrée au moyen d’un filtre Meura. Le moût filtré est ensuite porté à l’ébullition pendant 1 heure à 96°C. Une fois l’ébullition terminée, le moût bouillant est envoyé tangentiellement dans le whirlpool pour enlever les troubles. Le moût clarifié, avant de l’envoyer à la cave de fermentation puis refroidi à la température proche de celle d’injection de levure qui est de 9°C à 11°C à l’aide d’un échangeur de chaleur à plaque. Enfin, le moût refroidi est oxygéné à raison de 15 ppm d’oxygène dissous.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 21 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Grains de Malt Grains de Malt Grains de maïs local Import
Préparation des brassins
Versements des matières premières
Concassage Malt Concassage Maïs
Eau
Pré-empatage Pré-empatage Malt Maïs
CaCl2 HCl Antioxin SBT
Filtrase Br
Empatage Malt Empatage Maïs B R
Réunion Malt- A Maïs S Metabisulfite S Filtration A G Moût filtré Drêche CaCl2 E HCl ZnCl2 Extraits de houblon Pellets de houblon CuSO4 Ebullition
Décantation et sédimentation
Refroidissement Glycol
Injection d’oxygène
Entonnement
(Fermentation)
Figure 5. Processus de fabrication de la bière au brassage (BSM, 2008)
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 22 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA e r i Levures F o
t (Brassage)
a lyophilisées r
o E b a L Révivification R
Isolement – M Purification – Multiplication Injection E de levures Stockage à 3°C N (Mout agar) Fermentation (Tank de Glycol T fermentation) Propagation A T Stockage à 4°C (Levurier) CO2 (Réutilisation) I Trubs (à l’égout) O Récolte de levure Levures (à l’égout) N
Bière verte
Sulfate de Cuivre
Traversage Glycol
G A Garde Glycol (Tank de Garde) R D Bière non filtrée E
F Eau filtrée I désaérée Coupage C L O T N R Refroidissement Glycol D Stabilisant colloïdal A Tenant de mousse I T Antioxydant T Filtration I I O O Bière filtrée N N N Stockage en TBF E M Conditionnement E N Bière en fûts Bière en bouteilles Bière en canette T
Figure 6. Processus de fabrication de la bière de la fermentation au conditionnement (BSM, 2008)
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 23 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
b. Fermentation Immédiatement après l’oxygénation, le moût est injecté d’oxygène en raison de 1,6 x107 cellules/ml au moyen d’une pompe doseuse et cette opération est effectuée pendant le remplissage du tank. Ce dernier est séparé en 2 à 10 brassins, selon la capacité du tank, intercalés de 2 à 3 heures. Ce remplissage peut aller jusqu’à 24 heures pour les tanks TOD10 (2 600 hectolitres).
La levure utilisée par la brasserie pour la fermentation est une souche de levures basses. Elles s’agglomèrent à la fin de la fermentation et floculent au fond des tanks.
La température de fermentation utilisée est de 13°C au début et quand 50% de l’extrait sont fermentés (après 2 à 3 jours), la température est augmentée à 16°C pour rendre les levures plus actives et pour une meilleure réduction du diacétyle.
A la fin de la fermentation, au bout de 6 à 8 jours, la levure se décante au fond de la cuve. Elle est récoltée et stockée dans un levurier pour les prochains ensemencements. La bière est transférée, à la température de -1,5°C, vers les tanks de garde et c’est le traversage.
c. Garde La bière est gardée à 0°C dans des tanks de garde horizontaux, sous pression. La durée de la garde varie de 1 à 6 jours.
d. Filtration Après la garde, la bière est pompée à raison de 190 hectolitres/heure vers un filtre à plaques avec du kieselguhr pour la filtration. Au cours de l’étape de filtration, des auxiliaires de fabrication sont ajoutés comme le stabilisant colloïdal, le tenant de mousse et l’antioxydant. La bière filtrée est stockée à froid et sous pression dans les tanks de bière filtrée (TBF) en attendant les étapes de conditionnements.
e. Conditionnement Après un certain temps de stockage en TBF, la bière est mise en bouteille ou en canette ou en fût puis pasteurisée. La pasteurisation se fait à 20-25 unités de pasteurisation (UP : 1UP correspond environ 1 minute à 60°C (HANS, 2009)).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 24 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Conclusion partielle I La bière est une boisson largement produite et répandue dans le monde. Elle est fabriquée à partir de malt d’orges, de grains crus, du houblon et de l’eau.
L’étape de fabrication de la boisson commence avec le maltage qui est effectué généralement par une société indépendante de la brasserie et consiste en une transformation de l’orge en malt. Cette étape est suivie par le concassage et le brassage à la brasserie pour produire le moût. Ce dernier sera la matière première de l’étape suivante qui est la fermentation. Le microorganisme responsable de la fermentation est essentiellement la levure. Selon l’application en brasserie, la levure peut être une levure haute (pour les fermentations dites hautes) ou une levure basse (pour les fermentations basses). Après la fermentation, la bière verte obtenue sera stockée dans des tanks de garde pour la maturation et pour attendre la filtration. Après la filtration, la bière sera gardée dans des tanks à bière, filtrée, puis conditionnée en bouteille, en cannette ou en fût.
Sur le plan commercial, la consommation de bière varie beaucoup à l’échelle mondiale. La consommation par capital est de 26,4 litres en 2006. Les continents européens et américains sont les pays les plus producteurs de bière. Parmi les plus grandes brasseries du monde figurent l’InBev, SAB Miller, Heineken et Carlsberg.
Sur le plan national, la production de bière est dominée par les Brasseries STAR Madagascar. A partir du Novembre 2010, la Nouvelle Brasserie de Madagascar a aussi produit la boisson mais avec une capacité de production moindre par rapport à celle des BSM.
La deuxième partie de ce mémoire présentera l’étude de la croissance de la levure dans les brasseries STAR et les évolutions de la concentration en SO2 et du diacétyle pendant la fermentation.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 25
Partie II ETUDE DE LA CROISSANCE DE LA LEVURE ET DES CONCENTRATIONS EN SULFITE ET EN DIACETYLE PENDANT LA
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Partie II. ETUDE DE LA CROISSANCE DE LA LEVURE STAR ET DES
EVOLUTIONS DE LA CONCENTRATION EN SO2 ET DIACETYLE PENDANT LA FERMENTATION
II.1. Introduction
II.1.1. La croissance et la multiplication des levures Les levures se multiplient dans le moût par bourgeonnement. L’évolution de la population pendant la fermentation est fonction de la concentration des levures en suspension (voir figure 7).
Figure 7. Modèle général de l'évolution de la population de la levure basse en suspension pendant la fermentation (IFBM, 2007).
L’évolution de la population de levures en suspension présente 4 phases :
Phase de latence : la levure se réadapte et se prépare pour la fermentation. Phase de croissance : la levure commence à se multiplier et commence à fermenter. Phase de fermentation : la levure est en pleine activité. Phase de floculation : les cellules s’agglomèrent en flocons et se décantent.
Les facteurs influençant la croissance des levures sont multiples (MOLL, 1991 ; BOULTON & QUAIN, 2001 ; RAZAFINDRAJAONA, 200b) à savoir la souche de levure, l’oxygénation, la composition du moût (FAN, lipide, sucre, etc…), la température de
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 26 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA fermentation, le taux d’ensemencement et les pressions exercées sur les levures (pression osmotiques, pression hydrostatique), etc...
II.1.2. Le SO2 La propriété antiseptique du soufre et du sulfite est déjà connu depuis plus de deux milles ans mais ce n’est que vers 1800 que l’association des composés soufrés et leurs effets biologiques sur les bactéries et levures ont été prouvés. Ces dernières années, de nombreuses recherches ont révélé l’importance du dioxyde de soufre dans la fabrication des vins (ILLET, 1995).
Le sulfite est utilisé pour ses propriétés antiseptiques et antioxydantes utile pour la conservation des denrées comme le vin. Il est aussi utilisé comme un inhibiteur des réactions de Maillard (MULTON, 2002).
Dans la bière, le sulfite joue trois rôles importants (ILETT, 1995). D’abord, il réagit avec les composants carbonylés pour former les α-hydroxysulfonates qui n’affectent pas la flaveur de la bière mais accroissent la formation des composants carbonylés; puis il limite aussi les réactions oxydatives et enfin, il exerce des effets antimicrobiens à une certaine concentration.
La source des dioxydes de soufre dans la bière peut être des matières premières, comme le houblon et le malt qui en contiennent des quantités non négligeables, mais plus de 90% sont éliminés pendant la phase d’ébullition du moût (MOLL, 1991). La source de sulfite la plus importante vient du métabolisme des levures pendant la synthèse des acides aminés. (MOLL, 1991 ; BOULTON & QUAIN, 2001 ; KUNZE, 2004).
Selon MANFRED & MOLL (2000), l’ingestion répétée des sulfites peut provoquer des migraines, de l’asthme et chez certains sujets sensibles, des manifestations allergiques violentes pouvant aller jusqu’au choc anaphylactique. D’après la Commission Européenne, la dose journalière admissible (DJA) est de 0,7mg par kilos de poids corporel (ANONYME, 2003). Ainsi, l’analyse des sulfites doit être effectuée dans le produit fini afin de préserver la santé des consommateurs et pour une meilleure qualité de la bière. L’Union Européenne a établi la dose maximale permise en sulfite total dans la bière de 10 mg/l (ANONYME, 2000 ; ANONYME, 2003 ; MULTON ; 2002). Pour les Etats-Unis, la concentration maximale permise en sulfite total est de 25 mg/l (MULTON ; 20002). Enfin, la Commission Européenne oblige à mettre une information claire sur l’étiquette de la présence de sulfites si la concentration en SO2 total dépasse les 10 mg/l (ANONYME, 2000 ; ANONYME, 2003).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 27 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.1.2.1. Forme du sulfite dans la bière - Le sulfite existe sous trois formes dans la solution selon le pH : SO2 · H20, HSO3 et 2- SO3 selon l’équation suivante (ILLET, 1995):
Le pH habituel de la bière est de 3,8 à 4,4. Aussi, la forme de sulfite rencontrée dans la - bière est le HSO3 (bisulfite ou ion sulfite d’hydrogène) (Voir Figure 8).
Figure 8. Les formes des sulfites en solution en fonction du pH (ILLET, 1995).
Enfin, dans la bière, il peut se présenter sous forme libre ou sous forme liée avec des chaines carbonées. L’appellation sulfite total ou SO2 total englobe ces deux formes.
II.1.2.2. Le métabolisme du sulfite par la levure Le sulfite est formé pendant la fermentation et au cours de la biosynthèse des acides aminés : la méthionine, la thréonine et la cystéine (MOLL, 1991) (voir figure 9).
Selon DUFOUR (1991), la production de sulfite dans la bière suit quatre phases. Premièrement, au début de la fermentation, la présence en grande quantité de la méthionine et de la thréonine inhibe la formation du sulfite. Le deuxième stade se passe pendant la phase la plus active de la fermentation où les quantités de méthionine et de thréonine ont diminué, mais les sulfites produits sont totalement utilisés pour la synthèse des acides aminés et pour la
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 28 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA formation des nouvelles cellules, à ce moment, il n’y a pas encore de sulfite accumulé dans le milieu extracellulaire. Pour la troisième étape, vers la fin de la fermentation, les levures s’arrêtent de se multiplier et la quantité de sulfite réductase diminue vers un niveau plus bas. La présence de sucre résiduel permet la poursuite de la biosynthèse du sulfite et il y a une accumulation de la concentration en sulfite extracellulaire. Durant la quatrième phase, il y a l’arrêt de la synthèse et de l’accumulation de sulfite à cause de l’épuisement de source carbonée assimilable.
Figure 9. Biosynthèse des sulfites et des acides aminés soufrés dans la bière (MOLL, 1991).
Selon NORDLÖV (1985), la formation du sulfite pendant la fermentation ne démarre jamais que lorsque la teneur en éthanol dépasse 1,5 %. D’autre part, il existe une corrélation
étroite entre le sulfite et l’acétaldéhyde au cours de la fermentation (MOLL, 1991).
Selon DUFOUR (1991), la formation du sulfite est principalement influencée par la composition du moût. Il a démontré qu’il y a une corrélation positive entre la concentration en
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 29 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA sulfite et la densité primitive du moût. Par contre, une augmentation de l’oxygénation ou de la concentration en lipide du moût provoque une diminution de la concentration en sulfite.
D’après WILLIAM (2011), par contre, la production du H2S et du SO2 apparait pendant la fermentation, avant le bourgeonnement des levures. Néanmoins, toute cause qui permet de restreindre la croissance des levures augmente la production de H2S et du SO2 (voir Tableau 3).
Tableau 3. Rôles des levures sur l’augmentation de la concentration en SO2 (WILLIAM, 2011).
Critère Impact sur le SO2 Raison
Levures fort-productrices de Augmentation de la Des levures fort-productrices SO2 concentration en SO2 jusqu’à de SO2 peuvent exister. Ces la fin la fermentation. souches de levures continuent de produire en excès du SO2 même dans les conditions défavorables.
Levure récoltée Peut augmenter la La réserve de glycogène dans concentration en SO2 si la la levure peut être consumée, levure n’est pas refroidie ce qui inhibe le rapidement. développement des levures en fermentation.
Résidence prolongée des Concentration en SO2 plus Autolyse des levures et stress levures dans les fermenteurs élevée à la fin de (température et pression) avant la récolte. fermentation. étant donné que les levures restent dans les cônes.
Récolte de levure à partir des Concentration en SO2 plus Autolyse des levures et stress fermenteurs horizontaux. élevée à la fin de étant donné que la levure est fermentation si supérieur à gardée chaude. 12 heures.
Les principaux facteurs qui affectent la formation du sulfite dans la bière pendant la fermentation sont : la souche de levure, le mode de fermentation (en particulier la température) et la densité du moût. A noter aussi que les bières de fermentation hautes contiennent habituellement moins de sulfite que les bières de fermentations basses (DUFOUR, 1991 ; MOLL, 2001 ; WILLIAM, 2011).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 30 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.1.3. Le diacétyle Le diacétyle est un dicétone identifié pour la première fois par SHIMWELL en 1939. WAINWRIGHT a complété la recherche en 1973 et publia la formation du diacétyle par la levure de brasserie et les méthodes technologiques pour en réduire le taux dans la bière
Le diacétyle est le responsable de l’odeur de beurre dans la bière et détruit ainsi sa qualité organoleptique (WAINWRIGHT, 1973 ; BJCP, 2009). Sa concentration est l’un des paramètres les plus importants en brasserie à cause de son seuil de perception très bas (WAINWRIGHT, 1973). KUNZE, en 2004, a indiqué même que le diacétyle est le plus important arôme de la bière verte. Un autre dicétone est souvent associé au diacétyle : le 2-3- pentanedione et les deux molécules forment les dicétones vicinales (En anglais, Vicinal Diketones : VDK) (FIX, 1993 ; BOULTON & QUAIN, 2001 ; KUNZE, 2004) ou diacétyle total (EBC, 2007). Néanmoins, le seuil de perception du diacétyle est dix fois moins élevé que celui du 2,3-pentanedione qui est respectivement de 0,10 à 0,15 mg/l et de 0,9 mg/l (BOULTON & QUAIN, 2001). Les seuils de perception varient d’une bière à l’autre, WAINWRIGHT (1973) a indiqué que pour certaines bières, le diacétyle peut être perçu même à 0,05 mg/l.
Le diacétyle est essentiellement synthétisé pendant la fermentation par les levures. Mais les bactéries lactiques, des importants contaminants dans une brasserie, sont aussi capable de produire du diacétyle telles que le genre Lactobacillus et Pediococcus (FIX, 1993). L’augmentation anormale de la concentration en diacétyle peut même indiquer une infection de la bière par les bactéries lactiques (BOULTON & QUAIN, 2001).
Les formules chimiques du diacétyle et du 2,3-pentanedione sont respectivement les suivantes :
et .
Ce sont des produits secondaires de la fermentation lors de la biosynthèse de la valine, d’isoleucine et de la leucine (GEORGE, 1993 ; MOLL, 2001 ; HANS, 2009) (Voir Figure 10).
Leurs métabolismes se font en trois phases (KUNZE, 2004). La première est la formation des précurseurs α-acetolactate et α-acétohydroxybutyrate necéssaire à la production de diacétyle et de 2,3-pentanedione. Ces précurseurs n’affectent pas encore l’odeur de la bière et ne peuvent pas être décelés par les consommateurs. La deuxième phase consiste en la RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 31 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA conversion des α-acetolactate et α-acétohydroxybutyrate en diacétyle et 2,3-pentanedione par décarboxylation oxydative à l’extérieur de la cellule. Cette conversion est relativement facile et est favoriséé par la diminution du pH, l’augmentation de la température et l’introduction d’oxygène pendant la fermentation. La dernière étape est la réduction des dicétones vicinales. Au cours de cette étape, le diacétyle et le 2,3-pentanedione sont réabsorbés par les levures qui réduisent alors l’effet néfaste sur la flaveur de la bière. Le diacétyle est réduit en acétone, puis en 2,3-butanediole tandis que le 2,3-pentanediol est réduit en 3-hydroxy-2-pentane puis en 2,3-pentanediol. Les produits de réduction ont des seuils de perception nettement plus élevés et sont donc moins sensibles pour la flaveur de la bière. (MOLL, 1991)
La figure suivante illustre la formation des dicétones vicinales et les acides aminés Isoleucine, Leucine et Valine par les levures :
Figure 10. Voie de synthèse des dicétones vicinales (MOLL, 1991).
Selon MOLL (1991), les facteurs qui influencent la formation du diacétyle sont la composition du moût en particulier la concentration en valine, isoleucine et leucine, la souche
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 32 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA de levure, les conditions du traitement du moût et la fermentation (pH, température, concentration de levure), la maturation à température élevée.
II.2. Matériels et méthodes
II.2.1. Méthodologie générale d’approche La présente étude constitue en une contribution à l’optimisation des techniques de fabrication de la bière au sein de la brasserie STAR. L’objectif général étant d’étudier la croissance des levures et d’analyser les évolutions de la concentration en diacétyle et en sulfite totaux dans la bière pendant la fermentation.
Dans un premier temps, une compilation d’informations sur la fabrication de la bière en général et sur les différents points spécifiques à cette fabrication a été réalisée. Pour cela, des livres et des articles spécialisés ont été consultés. Les informations ainsi recueillies ont été comparées avec les technologies de fabrication disponible à la Brasserie STAR.
Dans un second temps, les fermentations industrielles ont été étudiées en considérant les différents tanks disponibles à la Brasserie (TID02, TOD04 et TOD10). La densité, le pH et la croissance des levures, les concentrations en sulfites et diacétyles ont été suivis pour chaque type de tank et des comparaisons entre les tanks ont été effectuées par la suite.
Enfin, les études d’influences des cinq paramètres principaux de fermentation (le taux d’ensemencement, la concentration en oxygène dissous du moût, la température de fermentation, la surpression et la densité du moût), identifiés ont été effectuées à la brasserie pilote.
Des propositions sont alors tirées des résultats de suivis industriels et des études effectuées au sein de la brasserie pilote.
Le flow-sheet de l’étude est illustré par la Figure 11 de la page suivante.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 33
- Plus de 1,2 x106 hectolitres de bières - Concentration en SO et en diacétyle 2 ‘(en 2010) sont produites à
s relativement élevée dans la bière n e Madagascar La Brasserie STAR d’Antsirabe
- Connaissance insuffisante sur la o s i m t - La demande en bière a toujours t augmentera sa productivité tout en i è l croissance de la levure STAR pendant n a e b augmenté à Madagascar améliorant la qualité de ses produits F t o la fermentation n r
- La Nouvelle Brasserie de I finis P - Qualité de bière non régulière entre Madagascar a ouvert ses portes en les différents tanks de fermentation Novembre 2010 dans le pays
Il nécessaire d’optimiser la production de bière dans la Brasserie mais les bases pour ce faire sont encore insuffisantes
L’optimisation de la production de bière dans la Brasserie STAR d’Antsirabe est possible en connaissant bien la levure et sa production en SO2 et en diacétyle pendant la fermentation
Etude de la croissance de la levure et les évolutions de la concentration en SO2 et diacétyle dans la bière pendant la fermentation
NON Revue bibliographique Enquête et descente sur terrain Navigation sur internet
Evaluer la situation actuelle de la production de bière dans le monde et à Madagascar
Evaluation satisfaisante?
OUI OUI NON Compiler les protocoles Rassembler les matériels et Travail personnel expérimentaux réactifs nécessaires
Caractériser les fermentations actuelles dans la Brasserie selon les types de tanks disponibles
Caractérisation satisfaisante?
OUI OUI NON Compiler les protocoles Rassembler les matériels et Travail personnel expérimentaux réactifs nécessaires
Etudier les influences de paramètres principaux de fermentation sur la fermentation et sur la concentration en SO2 et diacétyle
Résultats satisfaisants?
OUI Correction par des personnes Rédaction / Correction ressources
NON Rapport présentable?
OUI
PRESENTATION et PUBLICATION DU RAPPORT FINAL
Figure 11. Flow-sheet de l’étude 34
34 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.2.2. Matériels
II.2.2.1. Levures et moûts
a. Levures Les levures utilisées pour chaque fermentation étudiée sont des levures basses sélectionnées, non sporulantes, ayant un bourgeonnement du type mono-polaire, recyclées et récoltées après la fermentation. Elles sont connues sous le code « Rh-VLB » et sont importées d’Allemagne sous forme de levures lyophilisées. Elles sont produites par Versuchs und Lehranstalt für Brauerei (VLB). Il n’est pas possible de conserver et d’utiliser une seule souche durant toute l’étude pour des raisons matérielles. Ainsi, plusieurs souches et générations de levures ont été utilisées (voir Tableau 4). Néanmoins, pour chaque comparaison de fermentation, la même souche et la même génération de levure ont été employées.
Tableau 4. Les souches et générations de levures utilisées pendant l'étude
Levures utilisées (sous la forme Xa : X Etude indiquant la souche et a : la génération)
Suivis industriels I10, G9, G11
Etude de l’effet de l’oxygénation du moût Q7
Etude de l’effet de la densité primitive du Q8 moût
Etude de l’effet de la surpression Q8’
Etude de l’effet de l’ensemencement Z5
Etude de l’effet de la température Z5’
Les levures Q8 et Q8’ sont des levures de la souche Q et toutes les deux de la 8ème génération mais proviennent de tanks de fermentations différents ; de mêmes pour les levures Z5 et Z5’.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 35 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Les viabilités des levures sont supérieures à 90% pour toutes les souches prises dans l’étude.
b. Moût Durant toute l’étude, des moûts produits à l’échelle industrielle ont été utilisés sauf pour l’étude des influences de la densité primitive du moût. Ces moûts ont été brassés à partir des matières premières suivantes : des malts locaux (20% m/m) et des malts importés (55% m/m), du maïs (24% m/m), du houblon (extrait : 0,04% m/m et pellets : 0,03% m/m) et de l’eau. Les pourcentages sont par rapport au versement total, l’eau exclue. Les caractéristiques moyennes des moûts, d’après les analyses, sont les suivantes : pH : 5,1 (± 0,16) ; densité: 15,7 °Plato (± 0,4) ; FAN : 234,91 mg/ l (± 14,83) ; amertume : 22,16 IBU (± 1,24).
Pour les moûts utilisés lors de l’étude de l’influence de la densité primitive du moût entonné, deux moûts ont été produits à la brasserie pilote : moût de 16°Plato et moût de 20°Plato. Pour ces moûts, les matières premières utilisées sont des malts importés : 78,5% m/m et du sucre : 21,4% m/m, d’extrait d’houblon : 0,04% m/m et des pellets d’houblon : 0,03% m/m (Pourcentage par rapport au versement total). Les caractéristiques du moût de 16°Plato ont d’après les analyses un pH de 5,2 (± 0.09), une densitéde 16 (± 0.2) °Plato, et un FAN de 242,5 (± 0.1) mg/l. Celles du moût de 20°Plato ont un pH de 5,2 (± 0.09), une densité de 20 (± 0.3) °Plato, et un FAN de 270,1 (± 0.12) mg/l.
II.2.2.2. Matériels d’analyses Les matériels utilisés lors des analyses aux laboratoires sont regroupés dans tableaux ci-après.
a. Analyses physico-chimiques Le tableau suivant regroupe tous les matériels utilisés lors des analyses physico- chimiques du moût et de la bière pendant et après la fermentation.
Tableau 5. Les matériels utilisés pour les analyses physico-chimiques du mout et de la bière.
Mesures Matériels Réactifs
Densité Densimètre DMA35, entonnoir en plastique, - porte entonnoir, éprouvette graduée de 100 ml, papier filtre 320 mm de diamètre, bécher de 250 ml.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 36 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Mesures Matériels Réactifs pH pH-mètre à électrodes, bécher 100 ml, Eau bidistillée pissette.
Température Thermomètre électronique (laboratoire), - thermomètre intégré sur les tanks (dans la cave de fermentation).
Diacétyle Appareil à distiller selon PARNAS, fioles HCl 4N, jaugées de 25 ml, erlenmeyers de 25 ml, orthophénylènediamine, pipettes de 100, 10, 5 et 1ml, flacon de 100 solution de diacétyle, éthanol à ml, poire à pipeter, éprouvette de 10 ml, 10%. Béchers de 800 ml et spectrophotomètre avec des cuvettes en quartz.
SO2 totaux Pipettes de 25, 5, 2 et 1 ml, erlenmeyers de NaOH 1N, Amidon soluble, n-
50, 25 et 10ml, thermomètre, poire à pipeter, Hexanol, H2SO4, Iode, Iodure compte-goutte, bécher de 100 ml, barreau de potassium, Chlorhydrate de magnétique de 4 cm, agitateur magnétique, p-rosaniline, HCl 50%, fioles jaugées de 1000, 500 et 100 ml, bec formaldéhyde à 40%, Chlorure bunsen, flacon ambré à bouchon rodé de 100 mercurique et eau bidistillée. et de 1000 ml, bain glacé à 0°C, spectrophotomètre avec de cuvettes en verres.
b. Analyses microbiologiques Les matériels utilisés lors des analyses microbiologiques, notamment la numération et à la mesure de la viabilité des levures, sont regroupés dans le tableau suivant :
Tableau 6. Les matériels et réactifs utilisés pour la numération et la mesure de la viabilité des levures.
Mesures Matériels Réactifs
Numération de Microscope optique, cellules de Thoma, Eau physiologique levures pipette pasteur, lamelle 20 x 20 mm, pipette de 10 ml, dispensette 10 à 60 ml, barreau magnétique de 3 cm, erlenmeyer
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 37 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Mesures Matériels Réactifs de 75 ml et agitateur magnétique.
Taux de Papier filtre, fioles de 1000 ml, Solution de bleu de méthylène, mortalité microscope, bécher de 100 et 150 ml, eau physiologique. des levures baguette en verre, cellule de Thoma, lamelle 18 x 18 mm, pipette, barreau magnétique de 3 cm, erlenmeyer de 75 ml, agitateurs magnétiques.
II.2.3. Méthodes
II.2.3.1. Conditions de fermentations
a. Fermentations industrielles Le tableau suivant montre les conditions de fermentations dans les tanks industriels :
Tableau 7. Conditions de fermentations pour les études industrielles.
TID02 TOD04 TOD10 Volume du moût 520 hl 1040 hl 2600 hl Oxygénation du moût 1er brassin : 30 1er et 2ème 1er, 7ème, 8ème ppm brassin : 30 ppm 9ème et 10ème brassin : 30 ppm Taux d’ensemencement 1er brassin : 1er et 2ème 1er, 7ème, 8ème 3,2 x107 brassin : 3,2 x107 9ème et 10ème cellules/ml cellules/ml brassin : 3,2 x107 cellules/ml Durée entonnement 4 heures 8 à 9 heures 24 à 26 heures Température fin entonnement 10 à 11,5 °C Températures de fermentation 13°C, puis passage à 16°C quand la densité Plato devient 7 (± 0,5) °Plato. Purge de levures mortes et de Purge de 30 à 40 secondes en bas de tanks pendant les 2 trubs à 3 premiers jours.
Moment de récupération du CO2 24 à 28 heures de fermentations. Arrêt de la fermentation Quand la densité Plato du moût se stabilise (7 à 9 jours).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 38 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
TID02 TOD04 TOD10 Récolte de levures Après la fermentation et refroidissement de la bière verte (Températures : 4 à 2°C). Purge d’environ 200 à 400 kg avant récolte. Traitement des levures après Aucun traitement spécifique, stockage dans les levuriers récolte à 4°C, sous pression et avec agitation.
b. Etudes en brasserie pilote Les conditions de fermentation sont différentes pour chacune des études de paramètres en brasserie pilote. Elles sont regroupées dans le tableau 6. Pour chaque étude des paramètres, trois valeurs sont prises pour les deux raisons suivantes à savoir le nombre de fermenteurs à la brasserie pilote et l’impossibilité de suivre plus de trois fermentations simultanées pendant les analyses en utilisant les matériels et méthodes existants dans le laboratoire de la brasserie. Des fermentations successives sont possibles mais le moût et la levure ne peuvent être conservés pour avoir des fermentations comparables aux précédentes. Pour toutes les études, à part le paramètre étudié, tous les autres paramètres sont, dans la mesure du possible, reste les mêmes.
b.1. Etude des influences du taux d’ensemencement Pour l’étude des influences du taux d’ensemencement, les trois valeurs prises sont 0,8 ; 1,6 et 2,4 x 107 cellules/ml et qui sont inspirées de la proposition d’EDELEN et al. (1996). Selon ces auteurs, le taux d’ensemencement proposé pour la fermentation est de 1 à 1,5 x 106 cellules/ml/°Plato. Actuellement, le taux d’ensemencement (normal pitching) utilisé à la Brasserie est de 1,6 x107 cellules/ml pour ensemencer un moût de 16°Plato soit 106 cellules/ml/°Plato. Comme indiqué par l’IFBM (2007) et BOULTON & QUAIN (2001), la moitié du taux d’ensemencement normal (half pitching) a été aussi prise.
b.2. Etude des influences de la concentration en oxygène dissous du moût Pour l’étude des influences de la concentration en oxygène dissous du moût, les valeurs prises sont de 0ppm, 15ppm et 30ppm pour les 3 fermentations. La concentration actuellement utilisée à la Brasserie est de 15ppm et BOULTON & QUAIN (2001) ont proposé une concentration maximale de 35ppm qui a été arrondie à 30ppm pour faciliter l’opération. La valeur de 0ppm a été prise pour connaitre l’influence de l’absence d’oxygénation du moût qui peut survenir à la Brasserie en cas de panne au niveau de l’oxygénation pendant l’entonnement.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 39 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
b.3. Etude de l’influence de la température de fermentation Pour l’étude des influences de la température de fermentation, normalement, la fermentation doit se faire à un seul palier c’est-à-dire à une seule température à partir de l’entonnement jusqu’à la fin de la fermentation mais pour se rapprocher des conditions industrielles, deux paliers ont été pris. Les gammes de températures adoptées sont 11°C-14°C, 13°C-16°C utilisées actuellement à la brasserie et enfin 15°C-18°C. Le couple 11°C-14°C a été utilisé par la brasserie lors d’un brassage à densité normale (moût de 12°Plato) et la gamme 15°C-18°C est la gamme maximale utilisée auparavant dans la Brasserie pilote et correspond à la température maximale normale pour les levures basses (BOULTON & QUAIN, 2001 et KUNZE ; 2004).
b.4. Etude des influences de la surpression pendant la fermentation La surpression est la pression dans la partie haute des tanks, induite par la production de gaz carbonique par les levures pendant la fermentation (RAZAFINDRAJAONA, 2011). Elle est gérée à l’échelle industrielle par une contrepression. Lors de l’étude des influences de cette surpression pendant la fermentation, les valeurs prises sont 0 bar, 0.75 bar et 1.5 bar. La surpression de 1.5 bar est le maximum utilisée actuellement dans les tanks TOD10 et de 0,75 bar dans les tanks TOD04. La surpression de 0 bar n’est utilisée à la Brasserie qu’après la phase la plus active de la fermentation, c’est-à-dire après environ 4 jours de fermentation. Il est à noter que les pressions réelles (pression osmotique + pression hydrostatique + surpression dans les tanks) sur les levures dans les tanks de la brasserie pilote et les tanks industriels sont très différentes à cause de la différence d’hauteur du liquide (moût) dans les tanks (dimensions différentes).
b.5. Etude des influences de la densité primitive du moût Enfin, pour l’étude des influences de la densité primitive du moût, deux moûts seulement ont pu être brassés à la Brasserie pilote : de 16°Plato et de 20°Plato. Un autre moût a été pris à partir des brassins industriels pour montrer les différences entre les moûts produits industriellement et les moûts produits en brasserie pilote. Le moût de 16°Plato correspond à la brasserie HD et celui à 20°Plato marque le début de la brassage THD.
Les conditions de fermentations lors des études en brasserie pilote sont résumées dans le tableau de la page suivante.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 40 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Tableau 8. Résumé des conditions de fermentations lors des études en brasserie pilote
Fermentation N°1 Fermentation N°2 Fermentation N°3 Volume du moût 8 hectolitres Densité du moût 16 (± 0,3) °Plato 16 (± 0,3) °Plato 16 (± 0,3) °Plato EIDM : 18 (± 0,3) °Plato
Origine du moût Moût industriel Moût industriel Moût industriel EIDM : Brasserie EIDM : Brasserie pilote pilote
Oxygénation du moût 15 ppm 15 ppm 15 ppm EIOM : 0 ppm EIOM : 30 ppm Taux d’ensemencement 1,6 x107 cellules/ml 1,6 x107 cellules/ml 1,6 x107 cellules/ml
EITE : 0,8 x107 EITE : 2,4 x107 cellules/ml cellules/ml
Température fin entonnement 11 à 11,5°C Températures de fermentation (*) 13°C-16°C 13°C-16°C 13°C-16°C EITF : 11°C-14°C EITF : 15°C-18°C Pression maximale pendant la 0,2 bar 0,2 bar 0,2 bar fermentation EIPF : 0 bar EIPF : 0,75 bar EIPF : 1,5 bar
Purge de levures mortes et de trubs Toutes les 24 heures pendant 3 à 5 secondes Arrêt de la fermentation Quand la densité Plato du moût ne diminue plus pendant deux jours successifs (8 à 13 jours) Récolte de levures Après la fermentation et refroidissement des bières vertes (Températures : 4 °C). Levures mises à l’égout. (*) x°C-y°C signifie : x°C puis passage à y°C quand la densité réduit de 50 (± 6) % par rapport à la densité initiale EIDM : signifie Valeur lors de l’Etude de l’Influence de la Densité du Moût. EIOM : signifie Valeur lors de l’Etude de l’Influence de l’Oxygénation du Moût EITE : signifie Valeur lors de l’Etude de l’Influence du Taux d’Ensemencement EITF : signifie Valeur lors de l’Etude de l’Influence de la Température de Fermentation EIPF : signifie Valeur lors de l’Etude de l’Influence de la Pression pendant la Fermentation
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 41 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.2.3.2. Méthodes d’analyses
a. Mesure de la densité Plato La densité (extrait apparent) est mesurée avec le Saccharimètre DMA 35 à 20 (± 0,1) °C après filtration sur un papier filtre. Les résultats sont exprimés en °Plato. (cf. Partie Expérimentale I) (EBC, 2007).
b. Mesure du pH Le pH est mesuré à 20 (± 0,1) °C avec le pH-mètre à électrodes après le dégazage de la bière. (cf. Partie Expérimentale II) (EBC, 2007).
c. Mesure de température Les températures pendant la fermentation sont prises à partir des afficheurs de température disponibles sur chaque tank de fermentation. Au laboratoire, un thermomètre numérique est utilisé pour toute mesure de température. Les résultats sont exprimés en degré Celsius (°C). (EBC, 2007).
d. Dosage du diacétyle La méthode de dosage du diacétyle utilisée est celle de GJERTSEN (ALVAREZ et al., 1989 ; EBC, 2007).
Après hydrodistillation, les dicétones recueillis dans le distillat sont combinées avec l’orthophénylènediamine pour former des dérivés de 2,3-dimethylquinoxaline dont on mesure la concentration par spectrophotométrie à lumière Ultraviolet à une longueur d’onde de 335 nm (type SPECTRONIC GENESYS) (cf. Partie Expérimentale III). Les résultats sont exprimés en mg/l.
La méthode ne peut pas séparer le diacétyle du 2,3-pentadione. Ainsi, ces deux molécules sont considérées en même temps et l’appellation dicétone totale ou dicétone vicinale ou VDK est adoptée pour englober ces deux composants.
e. Dosage des sulfites dans la bière Les sulfites totaux (libres et liés) sont dosés par colorimétrie en utilisant comme indicateur coloré le p-rosaniline. La concentration est mesurée en utilisant le spectrophotomètre à lumière Ultra-Violet à une longueur d’onde de 570 nm (type SPECTRONIC GENESYS). (cf. Partie Expérimentale IV) (EBC, 2007). Les valeurs sont exprimées en mg/l.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 42 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
f. Mesure de la concentration des levures en suspension La concentration des levures en suspension est mesurée directement par un microscope en utilisant un hématimètre de Thoma (cf. partie expérimentale V). Les valeurs obtenues sont exprimées en nombre de cellules par millilitre de bière en fermentation.
g. Mesure de la viabilité des levures La viabilité des levures est mesurée avec l’hématimètre de Thoma après la coloration avec du bleu de méthylène où les cellules mortes sont colorées en bleu. (cf. partie expérimentale VI). Les résultats sont exprimés en pourcentage (%) par rapport à la population totale.
II.2.3.3. Méthodes d’exploitation des résultats
a. Traitement de texte et courbes Le traitement de texte, les calculs sommaires et le traçage des courbes ont été effectué avec le pack Microsoft Office 2010 (Office Version 14).
b. Analyses statistiques Les analyses statistiques (les statistiques descriptives, l’analyse des variances, l’analyse des différences par le test de Duncan) ont été effectuées avec l’extension XLSTAT version 7.5 du logiciel Microsoft Excel.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 43 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3. Résultats, interprétations et discussions
II.3.1. Caractéristiques de la fermentation principale à la Brasserie STAR d’Antsirabe Cette partie développe les caractéristiques des fermentations notamment, les évolutions des densités, du pH et de la population des levures pendant la fermentation dans chaque type de tank de fermentation disponible à la Brasserie STAR d’Antsirabe et aussi des concentrations en dicétones vicinales et en sulfite. Des comparaisons entre les types de tank seront aussi effectuées pour chacune de ces variables.
II.3.1.1. Evolution des densités et des températures Les courbes de la figure suivante mettent en relief les évolutions moyennes (n=3 pour chaque type de fermenteur) des densités et des températures pendant les fermentations selon les capacités des fermenteurs.
Figure 12. Evolution des densités et températures pendant les fermentations selon les types de fermenteurs.
La densité moyenne (n=9) à t=0 est de 15,29°Plato (± 0.23). A la fin de la fermentation, la densité est de 3,10 °Plato, soit une atténuation de 79,73 (± 0.3)%. Pour les trois types de cuve de fermentation disponibles à la brasserie, les évolutions des densités au cours de la fermentation sont presque identiques. Deux phases sont distinguées :
- Une phase de consommation rapide de sucre : du 0 au 4ème jour. La consommation des sucres par les levures est rapide et la densité du moût passe de 15,29 °Plato à 3,89 (± 0.39) °Plato en moyenne au 4ème jour, soit une atténuation de 74,49 (± 2.8)%. Une grande partie des sucres présents dans le moût sont métabolisées par les levures.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 44 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
- Une phase de consommation lente apparait à partir du 5ème jour, un ralentissement de la consommation des sucres par les levures est constaté. La densité se stabilise vers le 8ème jour de fermentation à 3,10 °Plato. Elle correspond aux sucres résiduels que les levures ne peuvent plus métaboliser dans les conditions où elles vivent. La concentration résiduelle de sucre est dans ce cas de 20,27 (± 0.3)% de la concentration initiale du moût. Cette proportion de sucre résiduel est normale (inférieur à 25%) mais elle peut être encore améliorée en modifiant la température, le taux d’ensemencement et l’oxygénation.
Concernant la vitesse de fermentation, aucune différence significative n’a été décelée entre les trois types de tanks. En effet, les THG (Time to Half Gravity), temps nécessaire pour que la densité initiale du moût se réduise au moitié (BOULTON & QUAIN, 2001), sont respectivement 63 (± 12,3) heures, 59 (± 1,0) heures et 65 (± 8,5) heures pour les tanks TID02, TOD04 et TOD10. Toutefois, les fermentations dans les TID02 sont terminées (la densité a stabilisé) avant celles deux autres types de tanks. Ces tanks sont alors refroidis les premiers. Ce qui explique la différence entre les courbes de température vers la fin de la fermentation.
II.3.1.1. Evolutions des pH pendant les fermentations La figure suivante met en évidence les évolutions moyennes (n=3 pour chaque type de fermenteur) des pH au cours des fermentations dans les trois types de tanks de la brasserie :
Figure 13. Evolutions des pH dans les 3 types de tanks pendant la fermentation.
Le pH du moût venant de la salle de brassage est de 5,13 (± 0,36) en moyenne. La différence de pH au temps t=0 jour s’explique par le fait que la fermentation dans les TOD10 a déjà démarré depuis plus de 12h avant celles dans les TOD04 et TID. En effet, la
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 45 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA diminution de pH du moût est un résultat normal de la fermentation. Selon KUNZE (2004), cette diminution de pH est due à la formation d’acides organiques pendant la fermentation par - désamination, par l’utilisation des ions phosphates primaires (H2PO4 ), l’absorption des ions + ammoniums (NH4 ) et des ions potassiums par les levures et la libération d’ion hydrogène dans la bière.
Pour les trois types de tank de fermentation, il y a une diminution du pH jusqu’au troisième jour. A partir du 4ème jour, l’ANOVA et les analyses de différences par le test de Duncan au seuil de 95% ont montré que le pH se stabilise à 4.31 (± 0,03) pour les TOD04 et à 4,25 (± 0,03) pour les TID. Ce qui doit être le cas pour les fermentations normales (KUNZE, 2004). Pour les TOD10, les tests ont montré que le pH remonte à partir du 4ème jour. Selon KUNZE (2004) et BOULTON & QUAIN (2001), cette remontée de pH vers la fin de la fermentation est surtout due aux autolyses des levures.
Les pH finaux des bières provenant des tanks TOD04 et TID sont entre 4,2 et 4,4 et sont donc dans les normes pour assurer sa bonne stabilité colloïdale et la rapidité de sa maturation. Tandis que pour les TOD10, les pH finaux sont au-dessus de 4,4. Il y a risque de trouble pour ces bières, ce qui est démontré par la brillance élevée (autour de 1,5 EBC contre des valeurs < 0,8 EBC pour les autres tanks) lors des analyses de la bière finale à l’usine.
II.3.1.2. Evolutions de la concentration des levures en suspension La figure suivante montre les concentrations moyennes (n=3 pour chaque courbe) des levures en suspensions dans les trois types de fermenteurs disponibles à la Brasserie.
Figure 14. Evolution des concentrations des levures en suspension dans les 3 types de fermenteurs dans la Brasserie STAR.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 46 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
La levure, le taux d’injection et les matières premières utilisés dans les trois types de fermenteurs étant les mêmes. Ce sont les dimensions des fermenteurs qui sont différentes c’est à dire le temps et le moment d’injection de levures.
Le taux d’ensemencement cible pour tous les types de tanks est de 1,6 x107 cellules par millilitre de moût. La différence de concentration à t = 0 s’explique par la différence entre les moments d’injection et aussi entre les temps de mélanges du moût et des levures. Les tableaux de l’Annexe V montrent les concentrations des levures en suspension dans les trois types de tanks pendant leur remplissage.
Les évolutions des concentrations des levures diffèrent significativement pendant la fermentation pour les trois types de tanks mais les allures des courbes sont les mêmes. Trois phases distinctes sont observées :
phase de croissance : c’est la phase de multiplication et croissance exponentielle des levures.
phase de floculation : c’est la phase de diminution en nombre des levures pendant laquelle ces dernières s’agglomèrent et commencent à floculer au fond des tanks quand le moût s’appauvrit en matière nutritive et substrat de fermentation (IFBM, 2007).
phase stationnaire: la population de levure en suspension se stabilise à la fin de la fermentation. Une grande partie de ces levures passeront aux tanks de garde pendant le traversage et auront pour rôle d’assurer la garde de la bière.
Le tableau suivant montre la comparaison de ces trois phases pour les trois types de tanks pendant la fermentation principale de la bière.
Tableau 9. Comparaison de l'évolution des levures pendant la fermentation principale dans trois types de tanks.
TOD10 TOD04 TID02
Population après l’ 2,87 (±0,11) x107 7,3 (±0,11) x106 1,45 (±0,11) x107 entonnement (t=0) cellules/ml cellules/ml cellules/ml
Phase de croissance du 0 au 2ème jour du 0 au 2ème jour du 0 au 3ème jour
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 47 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
TOD10 TOD04 TID02
Phase de floculation du 3ème au 5ème jour du 3ème au 5ème jour du 3ème au 5ème jour
Phase stationnaire à partir du 6ème jour à partir du 6ème jour à partir du 6ème jour
Population maximale 3,89 (±0,14) x107 5,48 (±0,11) x107 7,85 (±0,12) x107 cellules/ml cellules/ml cellules/ml
La population maximale des levures est obtenue en deux jours pour les tanks TOD10 et TOD04 avec une croissance maximale respective à 143%, et 242% de la population initiale. Pour les tanks TID02, la population maximale est à 390,5% de la population initiale. Ainsi, la croissance est beaucoup plus grande dans les TID02, suivie de celle dans les TOD04. Cette situation peut s’expliquer par les faits suivants :
Les populations à t=0 ne sont pas les mêmes, les levures injectées dans le premier brassin des TOD se sont déjà multipliées et la fermentation est déjà commencée. Selon HANS en 2009, pendant le remplissage, si la température du moût nouvellement ajouté est inférieure à la température du moût déjà en fermentation, il peut y avoir un choc thermique et ceci affecte la croissance des levures.
Les hauteurs des trois types de fermenteurs sont différentes où les TOD10 sont les plus hautes. La hauteur des tanks a un effet sur le mouvement de convection dans le tank de fermentation qui assure le mélange du moût et la distribution de l’oxygène dissous dans la totalité du moût (BOULTON & QUAIN, 2004). Elle a aussi une conséquence sur la pression hydrostatique et donc la pression sur les levures, surtout celles situées dans les parties inférieures des tanks. Cette situation favorise les stress des levures et inhibe leur croissance (BOULTON & QUAIN, 2004 ; RAZAFINDRAJAONA, 2011, communication personnelle).
La multiplication des levures dans les TOD10 est donc plus lente et la concentration de population maximale atteinte est au-dessous de la normale (< 5,0 x107 cellules/ml) (BOULTON & QUAIN, 2004) avec un taux d’ensemencement de 1,6 x107 cellules/ml, les cas sont différents pour les tanks TID02 et TOD04.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 48 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.1.3. Evolutions de la concentration en dicétone vicinale Les courbes suivantes montrent les évolutions moyennes (n=3 par types de tanks) des concentrations en dicétone vicinale dans les trois types de tank pendant la fermentation.
Figure 15. Evolution des concentrations en dicétones vicinales dans les 3 types de fermenteurs à la Brasserie STAR.
Ces courbes présentent une même allure générale avec deux phases distinctes:
Phase de production de diacétyle: de 0 au 3ème jour, les concentrations en diacétyle ont augmenté significativement avec des concentrations maximales respective de 1,12 (± 0.04), 1,52 (± 0.07) et 1,22 (± 0.05) mg/l pour les tanks TOD10, TOD04 et TID02 au 3ème jour . La concentration est plus élevée pour les tanks TOD04. D’après RANDRIAMITANTSOA (1999), cette phase a duré environ 6 jours à l’époque.
Phase de réduction du diacétyle ou phase de consommation par les levures: à partir du 4ème jour, il y avait une diminution rapide des concentrations en diacétyle jusqu’au 5ème jour et ceci s’est dégradée lentement jusqu’à la fin des fermentations où les concentrations ont été respectivement de 0,23 mg/l (± 0.04), 0,23 mg/l (± 0.05) et 0,28 mg/l (± 0.05) pour les tanks TOD10, TOD04 et TID02.
Les productions de diacétyle sont différentes dans les trois types de tanks pendant la fermentation mais les concentrations en diacétyle se sont rapprochées à la fin de celle-ci.
Ces concentrations finales en diacétyle suivent les normes mais il faut un nombre suffisant de jour de garde pour atteindre la valeur normale qui se situe entre 0,10 à 0,15 mg/l dans les produits finis. Selon RANDRIAMITANTSOA (1999), il faut au moins 3 jours de garde avec une concentration autour de 0,28 mg/l mais cette durée dépend aussi de la concentration de levures en suspension pendant la garde et leurs états physiologiques.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 49 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.1.4. Evolution de la concentration en SO2
Les évolutions des concentrations moyennes (n=3) en SO2 dans la bière dans les tanks sont récapitulées dans la figure suivante
Figure 16. Evolution des concentrations en sulfite pendant la fermentation dans les trois types de fermenteurs dans la Brasserie STAR.
Au temps t=0, les concentrations en sulfites dans les fermenteurs sont nulles. Ainsi, les matières premières n’ont pas apporté une concentration notable en sulfite comme HANS l’a montré aussi en 2004. La formation de sulfite a débuté dès le premier jour de fermentation pour les TOD10 mais elle n’a commencé qu’au deuxième jour pour les TOD04 et TID.
Pour ces derniers, les concentrations en SO2 se sont passées en trois phases :
Une phase de latence : est du zéro au premier jour. Pendant cette phase, il n’y pas encore de production de sulfite.
ème ème Une phase de production de SO2 : est de 2 au 4 jour pour les TOD04 et de 2ème au 5ème jour pour les TID02. Leurs concentrations maximales sont de 16.10 et de 17.94 mg/l (± 3.37 mg/l).
Une phase stationnaire : est située à partir du 5ème jour pour les TOD04 et à partir du 6ème jour pour les TID. Les concentrations en sulfite se sont stabilisées autour de 15 mg/l. Les productions de sulfite sont terminées et ceux-ci ne sont plus utilisés par les levures pour la synthèse des acides aminés soufrés.
Pour les TOD10, l’évolution des concentrations en sulfite est totalement différente. La production de SO2 s’est augmentée presque jusqu’à la fin de la fermentation, qui s’est située au 7ème jour. La production maximale est de 26,37 mg/l (±3.37). A la fin de la fermentation, la concentration est diminué jusqu’à 21.36 mg/l.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 50 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
La production de sulfite est donc plus importante pour les TOD10 par rapport aux deux autres types de fermenteurs et la concentration reste à un niveau relativement élevé à la fin de la fermentation. Les séances de dégustations ont montrées que les bières provenant de ces tanks ont plus d’odeurs soufrées.
ème A partir du 4 jour de fermentation, les concentrations en SO2 pour les TOD04 et TID02 se sont stabilisées. Pour les TOD10, elles ne cessent d’augmenter. Normalement, à ce moment, la phase la plus active de la fermentation vient de se terminer et les levures commencent à se floculer au fond des tanks (BOULTON & QUAIN, 2001) puis vers la fin de la fermentation, il n’y a plus de production de sulfite car la source de carbone est épuisée
(DUFOUR, 1991). Selon WILLIAM en 2011, cette augmentation de concentration en SO2 peut être rencontrée quand il y a stress et surtout autolyse des levures se trouvant au fond des tanks vers la fin de la fermentation.
Les concentrations finales en SO2 sont supérieures à 10 mg/l et inférieures à 25 mg/l.
Ces bières suivent les normes aux Etats-Unis (concentration en SO2 inférieure à 25 mg/l) mais ne sont pas admises aux normes européennes (concentration en SO2 inférieure à 10 mg/l exigée).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 51 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.2. Influences du taux d’ensemencement sur la croissance des levures puis les concentrations en SO2 et en VDK pendant la fermentation L’influence du taux d’ensemencement (TE) sur la fermentation des bières et leurs arômes a été déjà développée par certains auteurs comme BOULTON & QUAIN (2001), ERTEN (2007), NGUYEN ET VIET MAN (2008), VERBELEN et al. (2008) et VERBELEN (2009). Cette partie concerne plutôt les influences de taux d’ensemencement pour les souches des levures de la Brasserie STAR, spécialement, sur leur croissance, leur performance et leurs concentrations en SO2 et dicétones vicinales pendant la fermentation.
II.3.2.1. Influences du taux d’ensemencement sur l’évolution de la densité et la performance de la fermentation La figure suivante présente les influences du taux d’ensemencement sur l’évolution de la densité pendant la fermentation.
Figure 17. Evolutions des densités selon les TE de « 0,8 » ; « 1,6 » et « 2,4 » x107 cellules/ml.
La densité du moût au début de la fermentation est de 15,7°Plato. A la fin de la fermentation, la densité finale sont les mêmes (2,8°Plato) pour les trois valeurs des taux d’ensemencements, soit une atténuation de 82%. Cette atténuation est dans les normes admises (supérieure à 75%).
D’après les calculs, les THG sont respectivement de 76, 63 et 53 heures pour les taux d’ensemencement « 0,8 » ; « 1,6 » et « 2,4 » x107 cellules/ml. Ce qui signifie que la performance de la fermentation est nettement supérieure à un TE de 2,4 x107 cellules/ml et la fermentation est relativement rapide (en avance de près d’une journée) avec une atténuation
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 52 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA finale semblable. Ce qui confirme les travaux de QUAIN & BOULTON en 2001, HUYSEIN en 2007, VERBELEN et al. en 2008 et VERBELEN en 2009.
Bref, le TE de 2,4 x107 cellules/ml est optimal en considérant la densité et la vitesse de fermentation. Il induit un gain de temps notable pour la fermentation.
II.3.2.1. Influences du taux d’ensemencement sur l’évolution du pH pendant la fermentation La courbe suivante montre les évolutions du pH pour les trois taux d’ensemencement.
Figure 18. Evolutions du pH selon les TE de « 0,8 » ; « 1,6 » et « 2,4 » x107 cellules/ml.
L’allure générale est la même pour les 3 courbes de pH. Elles commencent à partir du pH=4,9 à t=0 et diminuent vers une valeur égale à 4,24 (±0,02) pour l’ensemencement à 2,4 x107 cellules/ml (au 3ème jour), 4,33 pour l’ensemencement à 1,6 x107 cellules/ml (au 3ème jour) et enfin 4,27 pour l’ensemencement à 0,8 x107 cellules/ml (au 4ème jour). Le pH moyen à la fin de la fermentation pour les 3 TE est de 4,4 (± 0,02), alors il suit les normes (4,2 à 4,4).
Certes, le pH minimum est obtenu avec un taux d’ensemencement le plus élevé, néanmoins, l’analyse des variances montre qu’il n’y a pas de différence significative entre les pH pour les 3 taux d’ensemencements expérimentés.
En conclusion, le taux d’ensemencement n’influence pas l’évolution du pH pendant la fermentation et le taux de pH de la bière verte à la fin de la fermentation.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 53 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.2.2. Influences du taux d’ensemencement sur la croissance des levures Les influences des trois TE sur les évolutions moyennes des concentrations des levures pendant la fermentation sont montrées par la figure suivante.
Figure 19. Evolutions des concentrations des levures en suspension suivant les trois valeurs du TE « 0,8 » ; « 1,6 » et « 2,4 » x107 cellules/ml.
Les expériences ont été menées avec un taux d’oxygénation du moût à 15ppm, l’oxygène dissous dans le moût ne constitue donc pas un facteur limitant les croissances des levures.
Si les courbes ne montrent pas de façon distincte les différences, les calculs des temps de génération des levures fournissent des informations utiles. Les temps de générations moyens sont respectivement de « 15,20 » ; « 29,30 » et « 30,22 » heures pour les taux d’ensemencement 0,8, 1,6 et 2,4 x107 cellules/ml. En addition, les concentrations maximales atteintes après la phase de croissance pour les trois TE sont de « 4,77 » ; « 4,43 » et « 5,19 » (±0.11) x107 de cellules/ml soit respectivement de 496% ; 177% et 116% des concentrations initiales. ERTEN et al. (2007) ont aussi rapportée des croissances de levures similaires dans leur expérimentation.
La multiplication des levures (en fonction du TE) est donc relativement plus rapide à un TE de 8 x 106 cellules/ml. La corrélation entre le TE et la croissance des levures est négative avec un coefficient de corrélation égal à -0,93.
Néanmoins, le plus grand nombre de levure en suspension est observé avec un TE de 2,4 x107 cellules/ml. Ce qui est identique à ceux rapportés par ERTEN et al. (2007) et VERBELEN et al. (2008), donc ce taux correspond à la fermentation la plus effective. Ce qui
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 54 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA est déjà montré dans la partie influence du taux d’ensemencement sur les évolutions de la densité (cf Paragraphe II-3-2-1).
II.3.2.3. Influences du taux d’ensemencement sur l’évolution de la concentration en dicétones vicinales Les évolutions des concentrations en VDK pour les trois valeurs du TE sont présentées dans la figure ci-après.
Figure 20. Evolution des concentrations en VDK suivant les trois valeurs du TE « 0,8 » ; « 1,6 » et « 2,4 » x107 cellules/ml.
Avec un TE de 2,4 x107 cellules/ml, la concentration maximale en dicétones vicinales est de 0,88 mg/l, cette valeur est obtenue au 2ème jour. La concentration finale est de 0.13 mg/l à la fin de la fermentation qui suit déjà la norme des bières finies pour une concentration en diacétyle de 0,10 à 0,15 mg/l. Avec le TE de 1,6 x 107 cellules/ml, la concentration maximale est de 0,94 mg/l, obtenue aussi au 2ème jour et dont la concentration finale est de 0,17 mg/l. Enfin, la concentration maximale la plus élevée est obtenue au 3ème jour avec le TE égal à 0,8 x107 cellules/ml est de 1,08 mg/l, la concentration finale étant aussi la plus élevée qui est de 0,23 mg/l. L’analyse des variances pour un intervalle de confiance de 95% montre que les concentrations en VDK finales sont différentes.
La concentration la plus élevée est constatée avec le plus faible taux d’ensemencement, et inversement, la concentration la moins élevée est obtenue avec le taux d’ensemencement le plus élevé (2,4 x 107 cellules/ml). Ce résultat ne correspond pas aux travaux de NGUYEN et VIET MAN (2009), ces auteurs ont trouvé que la concentration en dicétones vicinales augmente avec le taux d’ensemencement. Néanmoins, nos résultats sont identiques à ceux de VERBELEN et al. (2008) qui montre que la réduction des dicétones
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 55 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA vicinales est plus rapide et plus important quand une quantité suffisante de levure est disponible.
II.3.2.4. Influences du taux d’ensemencement sur la production de sulfite La figure suivante montre les évolutions moyennes des concentrations en sulfite selon les trois valeurs du TE 0.8 ; 1.6 et 2.4 x107 cellules/ml.
Figure 21. Evolution de la concentration en SO2 pendant la fermentation suivant les trois valeurs du TE « 0,8 » ; « 1,6 » et « 2,4 » x107 cellules/ml.
La production de sulfite n’a démarré qu’au 2ème jour pour les TE 0,8 et 1,6 x107 cellules/ml et au 3ème jour pour le TE égal à 2,4 x107 cellules/ml.
7 Avec le taux d’ensemencement égal à 2,4 x10 cellules/ml, la concentration en SO2 maximale de 8.44 (±3.37) mg/l est atteinte au 7ème jour et la concentration finale est de 2.84 mg/l. Pour le TE égal à 1,6 x107 cellules/ml, la concentration maximale est obtenue au 6ème jour avec une valeur de 18,14 mg/l et de 9,31 mg/l à la fin de la fermentation. Pour un taux d’ensemencement de 0,8 x107 cellules/ml, la concentration maximale est de 25 mg/l et est acquis au 5ème jour puis à la fin de la fermentation, la concentration est de 9.31 mg/l.
Avec la souche de levure utilisée dans l’expérience, la production maximale de SO2 est donc obtenue avec un taux d’ensemencement plus faible. Avec le TE égal à 2,4 x 107 cellules/ml, la concentration maximale de la bière en SO2 et la concentration à la fin de la fermentation sont toutes inférieures à 10 mg/l. C’est le meilleur taux d’ensemencement adéquat à la production de sulfite par les levures.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 56 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.3. Influences de la concentration en oxygène dissous du moût sur la croissance des levures, les concentrations en SO2 et en VDK pendant la fermentation Le moût doit être aéré afin d’avoir une certaine quantité d’oxygène dissous pour favoriser une bonne croissance des levures. Néanmoins, l’oxygène n’affecte pas que la croissance des levures, il contribue aussi au bon déroulement des fermentations et régulele profil organoleptique de la bière finie (BOULTON & QUAIN, 2001; KUNZE, 2004; DOZ, 2010). Ceci dépend principalement de la souche de levure employée. Les influences de l’aération ou plus précisément, l’oxygénation du moût, sur la croissance des levures, les concentrations en SO2 et en VDK pendant la fermentation avec la souche de levure STAR sont présentées dans les paragraphes suivants.
II.3.3.1. Influences de la concentration en oxygène dissous du moût sur l’évolution de la densité pendant la fermentation Les évolutions moyennes de la densité du moût pendant la fermentation selon la concentration en oxygène dissous du moût sont présentées dans la figure ci-après.
Figure 22. Evolutions moyenne de la densité du moût pendant la fermentation suivant la concentration en oxygène dissous du moût de 0ppm, 15ppm et de 30 ppm.
La densité initiale du moût est de 15,6 °Plato. Une diminution de densité de 2,5 °Plato est constatée à la fin de la fermentation pour les moûts oxygénés (soit une atténuation de 84%) et égale à 3,2 °Plato pour le moût non oxygéné (soit une atténuation de 79%). D’une part, une grande différence est notée avec le moût non oxygéné et le moût oxygéné, d’autre part, avec le moût non oxygéné, il y a une perte de matière soluble d’environ 5% (m/m).
En termes de vitesse de fermentation, les THG sont respectivement de 85, 64 et 62 heures pour les moûts à une valeur de 0, 15ppm et 30 ppm d’oxygène dissous au début de la
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 57 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA fermentation. La différence n’est que deux heures seulement entre l’oxygénation à 15ppm et 30 ppm mais entre le moût oxygéné et le moût non oxygéné, presque une journée de différence est constatée. La fermentation est donc plus rapide avec le moût oxygéné. Il est à noter que les concentrations en oxygène dissous de 15ppm et de 30ppm ont les mêmes effets sur la performance de fermentation comme celles rapportées par BOULTON et QUAIN (2001). Il serait intéressant de reprendre l’expérience avec des valeurs intermédiaires de concentration en oxygène dissous du moût.
II.3.3.1. Influences de la concentration en oxygène dissous du moût sur l’évolution du pH pendant la fermentation Les évolutions moyennes du pH selon la concentration en oxygène dissous du moût sont présentées dans la figure ci-après.
Figure 23. Evolutions des pH pendant la fermentation selon la concentration en oxygène dissous du moût de 0ppm, 15ppm et de 30ppm.
Le pH du moût au début de la fermentation est de 4,9. Pour le moût non oxygéné, le pH diminue jusqu’à 4,52 au 2ème jour de fermentation et se stabilise autour de 4,54 jusqu’à la fin de la fermentation. Avec une valeur de concentration en oxygène à 15 ppm, le pH diminue jusqu’à 4,36 et cette valeur se stabilise autour de 4,43 jusqu’à la fin de la fermentation. Les pH les plus bas sont obtenus avec une valeur de concentration en oxygène égale à 30 ppm, le pH diminue jusqu’à 4,29 et se stabilise autour de 4,35 à la fin de la fermentation.
Le pH devient de plus en plus bas au fur et à mesure que la valeur de la concentration en oxygène du moût augmente. Ceci est intéressant étant donné que le pH entre 4,2 et 4,4 est indispensable pour une bonne stabilité colloïdale et une bonne clarification de la bière (KUNZE, 2004).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 58 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.3.2. Influences de la concentration en oxygène dissous du moût sur la croissance des levures La figure suivante montre les évolutions des concentrations de levures en suspension en fonction des concentrations d’oxygène dissous dans le moût (0, 15ppm et 30 ppm).
Figure 24. Evolutions des concentrations des levures en suspension pendant la fermentation en fonction des concentrations en oxygène dissous du moût de 0ppm, 15ppm et de 30 ppm.
Le taux d’ensemencement utilisé dans l’expérimentation est le même (1,6 x107 cellules/ml) pour les trois valeurs de concentrations en oxygène dissous du moût.
Pour le moût non oxygéné, la concentration maximale en levures en suspension est de 3,94 x107 cellules/ml et est obtenue au 3ème jour. Cette concentration maximale a diminué jusqu’ 0,3 x107 cellules/ml au 7ème et au 8ème jour.
Pour le moût oxygéné à des valeurs de concentration égales à 15ppm et 30ppm, les évolutions des concentrations en levures en suspension sont proches. La population augmente à une valeur de concentration égale à 4,94 x107 cellules/ml au 3ème jour et diminue à une valeur de concentration égale à 3 x106 cellules/ml au 6ème jour.
La différence entre le moût oxygéné et le moût non oxygéné est plus marquée dans cette expérience. Avec le moût oxygéné, la croissance est de 208% par rapport à la population initiale alors qu’elle est de 146% avec le moût non oxygéné. Selon HANS, en 2009, l’oxygène est un facteur limitant la croissance de la levure pendant la fermentation. La lente multiplication des levures entraine une lenteur de la fermentation et une faible atténuation.
L’inexistence de différence notable entre l’évolution de la concentration en levures en suspension, pour l’oxygénation à 15ppm et celle pour l’oxygénation à 30ppm, peut s’expliquer par le fait que l’oxygénation du moût augmente la croissance des levures jusqu’à ce qu’un plateau (variant d’une souche à une autre) est atteint où cette croissance ne dépend RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 59 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA plus de l’oxygénation (BOULTON & QUAIN, 2001). D’autres informations pourraient être obtenues si cette expérience est aussi réalisée avec des valeurs d’oxygénations intermédiaires qui sont de 7,5 et de 22,5 ppm, etc…. Influences de l’oxygénation sur les concentrations en SO2 pendant la fermentation
Les évolutions des concentrations en SO2 pendant la fermentation à différentes oxygénations sont présentées dans la figure ci-après :
Figure 25. Evolutions des concentrations en SO2 pendant la fermentation selon la concentration en oxygène dissous du moût de 0, 15 et 30 ppm.
Pour le moût non oxygéné, la production de sulfite était au maximum au 4ème jour avec une valeur égale à 94,22 mg/l ; cette concentration diminue à 66,57 mg/l à la fin de la fermentation. Avec l’oxygénation à 15ppm, la production maximale est aussi atteinte au 4ème jour avec une concentration de 38,14 mg/l et à la fin de la fermentation, la concentration est de 17,94 mg/l. Enfin, pour l’oxygénation à 30 ppm, la concentration maximale est de 34,71 mg/l et diminue à 5,1 mg/l à la fin de la fermentation.
La production de sulfite est donc très importante pour le moût non oxygéné. Cette concentration diminue pour le moût oxygéné à une valeur de 30 ppm. L’augmentation de la valeur de l’oxygénation du mout diminue la quantité de sulfite produit. BOULTON et QUAIN (2001) ont aussi constaté des résultats similaires à cette étude.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 60 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.3.3. Influences de la concentration en oxygène dissous du moût sur les concentrations en VDK pendant la fermentation La figure suivante montre les évolutions des concentrations en dicétones vicinales dans la bière pour trois niveaux d’oxygénation différents :
Figure 26. Evolutions des concentrations en dicétones vicinales pendant la fermentation suivant la concentration en oxygène dissous du moût de 0ppm, 15ppm et de 30 ppm.
Pour les trois valeurs de l’oxygénation, les concentrations maximales en dicétones vicinales sont obtenues au 3ème jour. La valeur de la concentration est plus élevée avec le moût non oxygéné, suivi de l’oxygénation à 15 ppm et enfin, avec l’oxygénation à 30ppm. A la fin de la fermentation, les concentrations finales sont de 0,31mg/l (± 0,05) pour le moût non oxygéné et respectivement 0,25mg/l et 0,24 mg/l pour les valeurs de l’oxygénation à 15ppm et à 30 ppm. Ces valeurs suivent les normes (RANDRIAMITANTSOA, 1999) mais il faut un temps de garde suffisant (supérieur à 3 jours) pour avoir une concentration en VDK dans les bières finies entre 0,10mg/l et 0,15 mg/l.
Certes, avec le moût non oxygéné, la production en dicétones vicinales est relativement plus grande et sa concentration à la fin de la fermentation est légèrement plus importante, mais l’analyse des variances montre qu’il n’y pas de différence significative entre les concentrations moyennes à la fin de la fermentation. Donc, l’oxygénation n’affecte pas la concentration de dicétones vicinales dans la bière.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 61 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.4. Influences de la température de fermentation sur les croissances des levures, les concentrations en SO2 et en VDK pendant la fermentation La température est l’un des paramètres faciles à gérer pendant la fermentation mais ses influences réelles sur les croissances des levures et leurs productions en SO2 et en VDK, surtout en utilisant la levure STAR sont encore méconnue dans la Brasserie. Les trois gammes de températures qui sont 11°C-14°C, 13°C-16°C et 15°C-18°C permettent d’avoir les résultats suivants.
II.3.4.1. Influences de la température de fermentation sur les densités pendant la fermentation Les évolutions moyennes des densités pendant la fermentation suivant les gammes de températures utilisées sont montrées dans la figure suivante.
Figure 27. Evolutions des densités pendant la fermentation selon les températures utilisées de 11°C-14°C, 13°C-16°C et 15°C-18°C
La densité initiale du moût est de 15,8 °Plato. Avec les températures 11°C-14°C, la densité finale est 3,0 °Plato soit une atténuation de 81,01% avec un THG de 102 heures. Avec les températures 13°C-16°C, la densité finale est de 2,9 °Plato soit une atténuation de 81,65% et le THG est de 73 heures. Enfin, avec les températures 15°C-18°C, le THG est de 56 heures seulement et la densité finale est de 2,8 °Plato soit une atténuation de 82,28%.
La fermentation est donc beaucoup plus rapide aux températures 15°C-18°C, et l’atténuation est meilleure. Des résultats similaires sont obtenus par BOULTON & QUAIN (2001).
L’utilisation des gammes de températures 15°C-18°C permet donc un gain de temps notable en fermentation.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 62 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.4.1. Influences de la température de fermentation sur les évolutions du pH pendant la fermentation L’influence de la température sur les évolutions du pH pendant la fermentation est indiquée par la figure suivante.
Figure 28. Evolutions des pH pendant la fermentation suivant les températures utilisées qui sont de 11°C- 14°C, 13°C-16°C et 15°C-18°C
Avant la fermentation, le pH des moûts est de 4,8. Pour les températures entre 11°C à 14°C, le pH diminue et devient 4,34 au 6ème jour puis remonte et se stabilise à 4,46 vers la fin de la fermentation. Avec les températures entre 13°C à 16°C, le pH arrive à une valeur minimale égale à 4,37 au 4ème jour puis remonte et se stabilise à une valeur égale à 4,52 vers la fin de la fermentation. Enfin, pour les températures entre 15°C à 18°C, la valeur minimale du pH (4,32) se situe au 3ème jour et identique aux précédentes, elle remonte et se stabilise à une valeur égale à 4,53 à la fin de la fermentation.
Pour les trois couples de températures utilisées, les valeurs de pH sont tous augmentés vers la fin de la fermentation mais avec, les températures entre 15°C et 18°C, la valeur de pH augmente encore et devient plus élevée (la différence entre la valeur de pH final et de pH minimal est de 0,21 contre 0,14 et 0,16 respectivement pour les gammes de températures 11°C-14°C et 13°C-16°C). Ce qui peut être dû aux autolyses des levures (KUNZE, 2004) et ceci s’amplifie à des températures de fermentations élevées.
Néanmoins, avec les températures entre 15°C et 18°C, une meilleure valeur de pH diminuée est obtenue plus tôt. A cette température, des mesures doivent être prises pour empêcher la remontée du pH vers la fin de la fermentation en empêchant les autolyses des levures d’une part et/ou en sélectionnant de nouvelles souches de levures ne présentant pas des problèmes d’autolyses d’autre part (KUNZE, 2004).
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 63 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.4.2. Influences de la température de fermentation sur la croissance des levures Les évolutions moyennes des populations de levures vivantes en suspension pendant la fermentation principale de la bière, selon la température de fermentation, sont récapitulées comme suit.
Figure 29. Evolutions des concentrations de levures en suspension pendant la fermentation suivant les gammes de températures utilisées.
Le taux d’ensemencent pour les fermentations est de 1,6 x107 cellules/ml.
Pour une gamme de température entre 11°C et 14°C, la concentration maximale est atteinte au 4ème jour avec une valeur de TE égale à 37,66 x 106 cellules/ml. Le temps de génération est de 34 heures, soit une multiplication de levure de 135% par rapport au TE.
Pour une gamme de température entre 13°C et 16°C, la concentration des levures maximale est de 41,3 x 106 cellules/ml, obtenue au 3ème jour. Le temps de génération et la croissance par rapport à la valeur de TE sont respectivement de 42 heures et de 158%.
Enfin, pour une gamme de température entre 15°C et 18°C, la concentration maximale est acquise au 2ème jour avec une valeur égale à 47,57 x 106 cellules/ml, soit 197% du TE. Le temps de génération est de 22,20 heures seulement.
Ainsi, la croissance maximale de population de levures est obtenue avec la gamme de température entre 15°C à 18°C et le temps de génération est relativement plus court. BOULTON ET QUAIN (2001) ont aussi obtenu des résultats similaires à cette étude.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 64 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.4.3. Influences de la température de fermentation sur les concentrations en sulfite La figure suivante montre les évolutions moyennes des concentrations en sulfite pendant la fermentation pour les 3 couples de températures étudiées.
Figure 30. Evolutions des concentrations en sulfites pendant la fermentation selon les couples de températures utilisées.
Avec la souche de levure utilisée dans l’expérience, la production de sulfite commence au 2ème jour de fermentation pour le couple de température entre 11°C et 14°C. Un palier est rencontré entre le 3ème et le 5ème jour puis entre le 7ème et le 11ème jour. La concentration maximale est de 24, 41 mg/l (± 3.37), et se trouvent à la fin de la fermentation.
Pour le couple de température entre 13°C et 16°C, la production de sulfite débute au 2ème jour de fermentation. Ce qui entraine une production importante entre le 2 et le 3ème jour et elle remonte lentement jusqu’à la fin de la fermentation. La production maximale de sulfite est de 21,47 (± 3.37) mg/l.
Enfin, pour le couple entre 15°C et 18°C, la production commence plus tôt et atteint son valeur maximum au 4ème jour. La concentration diminue ensuite jusqu’au 6ème jour. Un deuxième pic se passe au 7ème jour mais celui-ci est moins important que le premier. Cette concentration diminue petit-à-petit jusqu’à la fin de la fermentation jusqu’à une valeur égale à 19,41 (± 3.37) mg/l.
A première vue, la concentration finale en sulfite est moins importante pour le couple de température entre 15°C et 18°C. Néanmoins, l’analyse des variances montre qu’il n’y a pas une différence significative entre les concentrations de SO2 à la fin de la fermentation pour un seuil de 95%. La conclusion qu’on peut tirer sur l’utilisation de la couple de température entre
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 65 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
15°C et 18°C sur la concentration de sulfite est que la production commence plus tôt mais elle diminue progressivement jusqu’à la fin de la fermentation.
II.3.4.4. Influences de la température de fermentation sur les concentrations en dicétones vicinales La figure suivante montre les évolutions moyennes des concentrations en dicétones vicinales pour les trois couples de températures pendant la fermentation.
Figure 31. Evolutions des concentrations en dicétones vicinales pendant la fermentation suivant les gammes de températures utilisées.
Avec les températures entre 11°C et 14°C, la production maximale en dicétones vicinales est de 1,08 mg/l acquise au 3ème jour et la concentration finale est de 0,29 mg/l. Pour les gammes de températures entre13°C et 16°C, la concentration maximale est obtenue au 2ème jour soit 1,23 mg/l et à la fin de la fermentation sa valeur est de 0,16 mg/l. Et pour le couple de températures entre 15°C et 18°C, la concentration maximale est de 1,37 mg/l au 2ème jour et à la fin de la fermentation, elle diminue à 0,11 mg/l.
A de Pour une fermentation à basse température, la production de dicétones est plus faible mais la diminution de la concentration jusqu’à la fin de la fermentation est aussi faible laissant une concentration élevée en VDK dans la bière verte. Par contre, à des températures de fermentation plus élevées, la production de dicétones vicinales est plus importante et obtenue plus tôt mais elle diminue plus rapidement et plus fortement. La concentration obtenue à la fin de fermentation est ainsi minimale. En effet, les hautes températures diminuent beaucoup les concentrations en VDK vers la fin de la fermentation (KUNZE, 2004). Les résultats obtenus ici ont été similaires à ceux obtenus par BOULTON et QUAIN (2001).Les concentrations finales obtenues avec les gammes de températures entre 13°C et 16°C et entre 15°C et 18°C sont près ou déjà dans les normes (0,10 à 0,15 mg/l). La garde
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 66 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA n’est plus nécessaire pour réduire la concentration en dicétones vicinales. Avec les températures 11°C-14°C, il faut encore un temps de garde de quelques jours au minimum afin d’obtenir une concentration normale.
II.3.5. Influences de la surpression sur la croissance des levures, les concentrations en SO2 et en VDK pendant la fermentation La pression dans le tank de fermentation se manifeste de trois manières à savoir, la pression hydrostatique due à une dénivellation du liquide (moût) dans le fermenteur, la pression osmotique exercée sur les levures due à une différence d’activité de l’eau dans le moût et à l’intérieur des levures et enfin, la pression dans la partie haute des tanks (surpression) due à la production de gaz carbonique pendant la fermentation. Cette dernière est très utilisée par les brasseurs comme moyen de contrepression afin de limiter la croissance des levures et la production des composants volatiles dans les bières (BOULTON & QUAIN, 2001). Les paragraphes suivants relatent les influences de cette surpression sur la croissance des levures et la concentration de la bière en SO2 et en VDK pendant la fermentation.
II.3.5.1. Influences de la surpression sur la densité pendant la fermentation Les courbes de la figure suivante illustrent les évolutions de la densité du moût en fonction de la durée de fermentation pour trois valeurs de surpressions exerçée dans les fermenteurs.
Figure 32. Evolutions de la densité du moût pendant la fermentation pour trois valeur de surpression dans les fermenteurs« 0 » ; « 0,75 » et « 1,5 » bar.
La valeur initiale de la densité du moût est de 16 °Plato avant la fermentation. D’abord, avec la surpression nulle, la performance de la fermentation exprimée en THG est de 60 heures et la densité à la fin de la fermentation est de 3 °Plato, soit une atténuation de 81,25%.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 67 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Puis, avec la surpression de 0,75 bar, le THG est de 69 heures et la densité à la fin de la fermentation est de 3,1 °Plato, soit une atténuation égale à 80,63%.
Enfin, avec la surpression de 1,5 bar, le THG vaut 79 heures et la densité est de 3,3 °Plato à la fin de la fermentation, soit une atténuation de 79,38%.
La conclusion tirée à partir de ces résultats est que la surpression ralentit réellement la fermentation. Entre le THG à 0 bar et à 1,5 bar, il y a une différence de 19 heures, soit presque une journée entière. De plus, une atténuation plus faible est constatée avec une surpression plus élevée. Il est à noter que l’atténuation est normale (supérieur à 75%) même à la surpression de 1,5 bar mais elle est insuffisante.
II.3.5.1. Influences de la surpression sur le pH pendant la fermentation Les trois courbes de la figure suivante montrent les évolutions du pH pendant la fermentation pour les surpressions de 0bar ; 0,75bar et 1,5 bar dans les tanks.
Figure 33. Evolutions des pH pendant la fermentation suivant la surpression dans les fermenteurs de « 0bar » ; « 0,75bar » et « 1,5 » bar.
Le pH au début des fermentations est de 4,9. Avec la surpression nulle, le pH diminue à une valeur minimum de 4,31 au 3ème jour, puis remonte et se stabilise à une valeur de 4,43 à la fin de la fermentation. Avec la surpression 0,75 bar, le pH minimum est de 4,43, et est atteint au 4ème jour, puis sa valeur est remontée jusqu’à la fin de la fermentation pour atteindre la valeur de pH final qui est de 4,59. Enfin, pour la surpression 1,5 bar, le pH est minimum, ayant une valeur de 4,47 et est acquis au 4ème jour puis sa valeur remonte jusqu’à la fin de la fermentation pour avoir la valeur de pH final qui est de 4,68.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 68 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
D’après cette expérience, on peut conclure qu’une valeur élevée de pression dans la cuve de fermentation entraine une faible diminution du pH pendant la fermentation et son augmentation à la fin de la fermentation. Il est tout de même à noter que pour les 3 pressions, l’allure de la courbe du pH remonte vers la fin de la fermentation. Il peut s’agir de l’autolyse des levures mais la comparaison des états des levures sur ce critère d’autolyse n’a pas pu être effectuée par faute de moyen d’observation.
Par rapport aux normes, les pH à la fin des fermentations sont tous supérieurs à 4,4 et qui sont considérés comme hors-normes et ne permettront pas une meilleure stabilisation colloïdale de la bière finie. Cette situation peut être causée par la levure elle-même qui de la 8ème génération (Q8).
II.3.5.2. Influences de la surpression sur la croissance des levures La figure suivante montre les évolutions de la concentration des levures en suspension pendant la fermentation suivant les surpressions agissant sur le moût dans les fermenteurs.
Figure 34. Evolutions des concentrations en levures en suspension pendant la fermentation suivant la surpression de « 0 » ; « 0,75 » et « 1,5 » bar dans les fermenteurs.
Le taux d’ensemencement utilisé est de 1,6 x 107 cellules/ml. Pour le fermenteur avec une surpression nulle, la population de lévure augmente vers un maximum au 2ème jour avec une valeur de 5,51 x 107 cellules/ml, soit 244% du TE. Pour le tank à une surpression de 0,75 bar, la concentration maximale est de 3,28 x107 cellules/ml, soit 104,71% du TE. Enfin, pour le tank à une surpression de 1,5 bar, la concentration maximale est de 4,05 x107 cellules/ml, soit 153% du TE et est atteinte au 3ème jour.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 69 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
La population maximale est donc obtenue avec le tank à une surpression nulle. Avec une surpression de 1,5 bar, il y a une faible croissance de la population et la concentration maximale des levures en suspension est atteinte plus tardivement.
II.3.5.3. Influences de la surpression sur la concentration en sulfite pendant la fermentation
Les évolutions moyennes des concentrations en SO2 selon les surpressions dans les tanks sont présentées dans la figure suivante.
Figure 35. Evolutions des concentrations en SO2 pendant la fermentation suivant la surpression de « 0 » ; « 0,75 » et « 1,5 » bar dans les fermenteurs.
Dans les tanks avec une surpression nulle, la concentration en SO2 atteint un maximum au 5ème jour avec une valeur de 72,06 mg/l et la concentration à la fin de la fermentation est de 70,59 mg/l. Pour les tanks avec une surpression de 0,75 bar, la valeur maximale de la concentration en sulfite est de 47,54 et est obtenu au 5ème jour puis la concentration à la fin de la fermentation est de 47,35 mg/l. Enfin, pour les tanks avec une surpression de 1,5 bar, sa concentration maximale est de 45,69 mg/l et est acquise au 5ème jour puis à la fin de la fermentation, elle diminue à une valeur égale à 39,61 mg/l.
On peut donc en déduire que la surpression réduit la production de SO2 par les levures. Cependant, étant donné que la surpression dans les tanks est obtenue grâce au gaz carbonique produits pendant la fermentation, il est impossible de maintenir la surpression à 1,5 bar jusqu’à la fin de la fermentation puisque le gaz carbonique est récupéré et réutilisé dans l’usine.
Les concentrations finales en SO2 obtenues à la fin de la fermentation sont toutes supérieures à 25 mg/l. Elles sont donc hors des normes aux Etats-Unis et en Europe en ce qui
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 70 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA concerne la concentration en SO2 autorisée dans la bière. La cause peut aussi être liée à la souche et à la génération de levure utilisée (Q8) comme le cas du pH au paragraphe II-3-5-1.
II.3.5.4. Influences de la surpression sur la concentration en dicétones vicinales pendant la fermentation La figure suivante présente les évolutions moyennes des concentrations en dicétones vicinales dans la bière pendant la fermentation suivant la surpression dans les tanks.
Figure 36. Evolutions moyennes des concentrations en dicétones vicinales pendant la fermentation suivant la surpression de « 0 », « 0,75 » et « 1,5 » bar dans les fermenteurs.
Avec la surpression nulle, la concentration maximale en dicétones vicinales est obtenue au 2ème jour avec une valeur de 0,87 mg/l et à la fin de la fermentation, cette concentration diminue à 0,15 mg/l. Avec la surpression de 0,75 bar, la concentration maximale est de 1,56 mg/l, obtenue aussi au 2ème jour et à la fin de la fermentation, la concentration devient 0,29 mg/l. Enfin, avec la surpression 1,5 bar, la concentration maximale est de 1,79 mg/l qui diminue à 0,36 mg/l à la fin de la fermentation.
La production de dicétones vicinales et sa concentration à la fin de la fermentation augmentent donc avec la surpression. Ce qui peut être expliqué par le fait que la surpression exercée sur les tanks ait un impact sur les métabolismes des levures. Quand la surpression est nulle, l’inhibition est réduite et il y a une meilleure absorption des diacétyles par les levures (KUNZE, 2004). Il est tout de même à noter que les concentrations finales en dicétones vicinales sont relativement plus élevées (0,29mg/l et 0,36 mg/l) et il faut alors un temps de garde plus prolongé pour avoir une concentration suivant les normes dans les produits finis (0,10 à 0,15 mg/l), ce qui n’est pas le cas pour la surpression nulle.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 71 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
II.3.6. Influences de la densité primitive du moût sur la croissance des levures, les concentrations en SO2 et en dicétones vicinales pendant la fermentation La densité primitive du moût est un facteur qui peut être géré par l’addition de sucre (saccharose) dans la matière première et/ou par le volume d’eau à utiliser lors du brassage. La densité normale utilisée dans les brasseries est de 11°Plato à 12°Plato produisant une bière à 5% (v/v) d’éthanol (NGUYEN & VIET MAN, 2009). Dans le cas de la fabrication des bières à haute densité (HD), la densité du moût à fermenter est de 16°Plato à 18°Plato (COOPER et al, 1998). Récemment, plus d’intérêt a été porté sur la fabrication des bières de très haute densité (THD) (≥20 °Plato) pour des raisons économiques (GUIMARÃES et al, 2008). Cette partie rapporte alors les résultats obtenus en utilisant des moûts de 16°Plato et de 20°Plato.
II.3.6.1. Influences de la densité primitive du moût entonné sur l’évolution de la densité pendant la fermentation Les évolutions moyennes des densités pendant les fermentations du moût industriel de 16 °Plato et des moûts préparés à la Brasserie pilote (16°Plato et 20°Plato) sont montrées par la figure suivante.
Figure 37. Evolutions de la densité du moût pendant les fermentations issues du moût industriel de 16°Plato et des moûts produits à la brasserie pilote de 16°Plato et de 20 °Plato.
Comme toutes les expériences précédentes, la fermentation est dite terminée quand la densité n’évolue plus pendant deux jours successifs. Pour le moût industriel de 16 °Plato, la densité finale au 7ème jour est de 3,1°Plato (soit une atténuation de 81%), le THG est de 68 heures. Pour le moût préparé à la brasserie pilote de 16°Plato, la densité finale au 11ème jour est de 1,1°Plato (soit une atténuation de 93%), le THG est de 58 heures. Enfin, pour le moût de 20 °Plato, la densité à la fin de la fermentation au 13ème jour est de 1,7 °Plato (soit une atténuation de 91%) et le THG est de 67 heures.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 72 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
L’atténuation du moût industriel et celle des moûts préparés à la brasserie pilote sont différentes. Cette différence est due à la quantité de de sucre 21,5% (m/m) qui a été ajouté aux matières premières pour les moûts préparés à la brasserie pilote et qui sont plus fermentescible par les levures (MOLL, 1991) ; de plus, l’aération pendant l’entonnement en brasserie pilote ne peut être quantifiée et l’oxygénation est jugée beaucoup plus importante que celle des moûts industriels. Enfin, la dilution du moût pendant l’entonnement nécessite un insufflation d’air stérile en bas de tank, ce qui agite aussi les levures et augmente les surfaces de contact entre celles-ci et le moût.
Pour les moûts produits à la brasserie pilote, les différences du point de vue atténuation et vitesse de fermentation peuvent s’expliquer par la pression osmotique élevée exercée par le moût de 20°Plato sur les levures et la teneur en alcool (éthanol) élevée à la fin de la fermentation (10,33% ±0.1 (v/v) contre 8,48% ±0.1 (v/v) pour le moût de 16°Plato) qui occasionnent des stress pour ces levures et entrainent des performances plus faibles en fermentation (BOULTON et QUAIN, 2001 ; NGUYEN et VIET MAN, 2009). Ce problème peut être résolu en utilisant un taux d’ensemencement plus élevé (ERTEN et al., 2007 ; VERBELEN et al., 2008 ; NGUYEN et VIET MAN, 2009 ; VERBELEN, 2009)
II.3.6.1. Influences de la densité primitive du moût entonné sur l’évolution du pH pendant la fermentation Les évolutions moyennes des pH pendant les fermentations issues du moût industriel et les moûts préparés en brasseries pilotes sont montrées par la figure suivante.
Figure 38. Evolutions des pH pendant les fermentations issues du moût industriel de 16°Plato et des moûts produits à la brasserie pilote de 16°Plato et de 20 °Plato.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 73 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Le pH du moût industriel est de 4,86 au début de la fermentation. Pour ceux produits en brasserie pilote, les pH minimums sont respectivement 5,05 (± 0,03) et 5,06 (± 0,03) pour le moût de la brasserie pilote de 16°Plato et 20°Plato.
Pour le moût industriel, le pH diminue à une valeur minimum égale à 4,33 (± 0,03) au 2ème jour de fermentation et se stabilise autour de cette valeur jusqu’à la fin de la fermentation. Avec le moût de 16°Plato, brassé à la brasserie pilote, le pH diminue jusqu’à 4,16 (± 0.03) et augmente légèrement vers la fin de la fermentation, le pH minimal est de 4,29 (± 0,02). Enfin, avec le moût de 20°Plato, le pH minimum est de 4,30 atteinte au 3ème jour qui augmente légèrement et se stabilise autour de 4,4 (± 0,02) jusqu’à la fin de la fermentation.
Bref, un valeur de pH plus élevé est obtenu avec le moût de 20°Plato. La raison peut être le stress des levures au début de la fermentation à cause de la forte pression osmotique exercée par les moûts, ce qui affecte les métabolismes des levures et la production d’acides organiques pendant la fermentation (BOULTON & QUAIN, 2001 ; KUNZE, 2004). Cette situation affectera la stabilité colloïdale de la bière finie et sa turbidité (KUNZE, 2004).
II.3.6.2. Influences de la densité primitive du moût entonné sur la croissance des levures Les courbes de la figure suivante révèlent les évolutions moyennes des levures en suspension pendant les fermentations des bières à partir des moûts fabriqués à l’échelle pilote de 16°Plato et de 20°Plato et à partir d’un moût issu d’un brassin industriel
Figure 39. Evolutions des populations de levures en suspension pendant les fermentations issues du moût industriel de 16°Plato et des moûts produits à la brasserie pilote de 16°Plato et de 20 °Plato.
Comme toutes les expériences précédentes, la fin de la fermentation est acquise quand la densité du moût se stabilise. Le taux d’ensemencement employé au début de la
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 74 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA fermentation est de 16 x106 cellules/ml. Pour le moût du brassin industriel, la concentration maximale de levures en suspension est de 39,11 x106 cellules/ml (soit 144% du TE) atteinte au 2ème jour et à la fin de la fermentation, la population finale (au 7ème jour) est de 3,01 x106 cellules/ml. Avec le moût brassé à l’échelle pilote de 16°Plato, la concentration maximale est de 64,84 x106 cellules/ml (soit 289% du TE) obtenue également au 2ème jour et la concentration finale (au 11ème jour) est de 3,36 x106 cellules/ml. Enfin, pour le moût brassé à la brasserie pilote de 20°Plato, la concentration maximale devient 83,48 x106 cellules/ml (soit 422% du TE), acquise au 3ème jour et la concentration finale au 11ème jour est de 18,21 x106 cellules/ml. La croissance maximale de la population est obtenue avec le moût de 20°Plato. De plus, la population de levure à la fin de la fermentation est encore relativement élevée, ce qui peut être intéressant pour la réduction des diacétyles et la fermentation secondaire de la bière (KUNZE, 2004).
II.3.6.3. Influences de la densité primitive du moût entonné sur la concentration en SO2 pendant la fermentation
La figure suivante met en évidence les évolutions moyennes des concentrations en SO2 pendant les fermentations issues du brassin industriel et des deux brassins préparés à la brasserie pilote.
Figure 40. Evolutions moyennes des concentrations en sulfite pendant les fermentations issues du moût industriel de 16°Plato et des moûts produits à la brasserie pilote de 16°Plato et de 20 °Plato.
Pour le cas des fermentations issues du brassin industriel, la production de sulfite commence dès le premier jour et cette production continue jusqu’au 4ème jour pour atteindre le maximum de 47,45mg/l (± 3,08) et se stabilise autour de cette valeur jusqu’à la fin de la fermentation. Avec le moût de 16°Plato remué à la brasserie pilote, la production commence au 2ème jour et la concentration maximale de 61,57mg/l (± 3,09) est atteinte au 5ème jour ; la
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 75 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA concentration à la fin de la fermentation (11ème jour) est de 46,86mg/l (± 3,08). Enfin, pour le moût de 20°Plato, la production commence également au 2ème jour et la production maximale est atteinte au 4ème jour avec une concentration de 62,94mg/l (± 3,08); la concentration finale (au 13ème jour) est de 49,9mg/l (± 3,1).
Entre les deux moûts brassés à la brasserie pilote, l’analyse des variances a montré que les concentrations maximales et les concentrations à la fin de la fermentation ne présentent pas de différences significatives entre les deux densités.
II.3.6.4. Influences de la densité du moût sur la concentration en VDK pendant la fermentation Les évolutions moyennes des concentrations en dicétones vicinales pendant les fermentations, issus d’un moût de 16°Plato brassé à l’échelle industrielle et de moûts de 16°Plato et de 20°Plato préparés à la Brasserie pilote, sont exposées dans la figure suivante.
Figure 41. Evolutions des concentrations en dicétones vicinales pendant les fermentations issues du moût industriel de 16°Plato et des moûts produits à la brasserie pilote de 16 et 20 °Plato.
Pour le moût issu du brassin industriel, la concentration maximale en dicétones vicinales est atteinte au 2ème jour avec une valeur de 1,16 mg/l puis la concentration à la fin de la fermentation est de 0,24 mg/l. Avec le moût de 16°Plato remué à la brasserie pilote, la concentration maximale est de 1,3 mg/l et la concentration finale est de 0,1 mg/l. Enfin, avec le moût de 20°Plato, la concentration maximale est obtenue au 4ème jour avec une valeur de 1,44 mg/l et cette concentration diminue jusqu’à la fin de la fermentation pour atteindre 0,02 mg/l.
Il ressort de ces valeurs que la production maximale en dicétones vicinales est obtenue avec le moût de 20 °Plato. A la fin des fermentations, la différence n’est significative pour les
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 76 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA valeurs de concentrations en VDK des bières issues des moûts préparés à la brasserie pilote. Si la fermentation est limitée à l’atténuation de 81% (atténuation finale moyenne à la brasserie), les concentrations finales obtenues sont respectivement de 3,08 et 3,74 mg/l pour le 16°Plato et le 20°Plato. La concentration pour le moût de 20°Plato est donc plus importante. Ce problème peut être résolu par une augmentation du taux d’ensemencement.
II.3.7. Tableau récapitulatif des paramètres étudiés en brasserie pilote et leurs influences sur les variables de fermentation Le tableau suivant récapitule les paramètres étudiés en brasserie pilote sur la performance de la fermentation, la production et la concentration finale en VDK, la production et la concentration finale en sulfite, le pH final et la population de levure.
Tableau 10. Tableau récapitulatif des paramètres étudiés en brasserie pilote et leurs influences sur les variables de fermentation.
Oxygène Densité TE dissous Température Surpression primitive THG
Atténuation - pH - -
Population de levure -
Production de SO2
Concentration - finale en SO2
Production de VDK
Concentration finale en - - VDK Signifie AUGMENTATION Signifie DIMINUTION - Signifie PAS D’EFFET ou IMPOSSIBLE DE TIRER UNE CONCLUSION
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 77 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Conclusion partielle II Les modèles de croissances des levures et l’origine de la formation des dicétones vicinales et des sulfites par les levures dans la bière sont développés dans cette deuxième partie.
Les caractéristiques des fermentations principales de la bière à la brasserie STAR ont été présentées en fonction des capacités des tanks disponibles. Des comparaisons entre ces tanks ont été d’ailleurs effectuées. Enfin, les influences du taux d’ensemencement, de l’oxygénation du moût, de la température, de la pression et de la densité sur la performance de la fermentation, la croissance des levures et les concentrations en sulfites ont été étudiées.
Les résultats ont montrés que la croissance des levures n’est pas identique dans les tanks de fermentation de la bière, de même que pour les concentrations de la bière en sulfites et en dicétones vicinales. Les paramètres étudiées séparément à la Brasserie pilote ont montrés leurs effets sur ces dernières.
Les propositions d’améliorations en vue d’avoir une meilleure croissance des levures et en même temps de réduire les concentrations en sulfites et en diacétyles de la bière sont proposées dans la partie suivante.
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Partie III PROPOSITIONS D’AMELIORATION
Partie III. RECOMMANDATIONS GENERALES Les différents tanks disponibles dans la brasserie STAR d’Antsirabe ont été comparés entre eux dans la partie précédente. Les influences du taux d’ensemencement, de l’oxygénation du moût, des températures, de la pression et enfin de la densité primitive du moût sur la fermentation, et particulièrement, sur la croissance des levures, les concentrations des bières en dicétones vicinales et en sulfite ont été aussi étudiées séparément.
Suite à ces résultats, cette troisième partie évoquera les recommandations pour la standardisation de la fermentation dans les différents tanks, pour l’optimisation des fermentations et pour la continuité de la présente étude.
Les propositions avancées concernent :
La technologie de fabrication,
Les analyses des sulfites et des diacétyles de la bière,
La gestion de la levure,
La protection contre les contaminations,
Et la Recherche et le développement.
III.1. Technologie de fabrication
III.1.1. Taux d’ensemencement Selon VERBELEN et al. (2008), l’influence d’un taux d’ensemencement de levures élevée sur la performance de la fermentation dépend d’une manière prépondérante de la souche de levure employée. Il est utile de bien sélectionner la souche de levure appropriée, puisque son utilisation peut accélérer la fermentation sans problème majeur sur la flaveur de la bière. C’est d’ailleurs un des moyens les plus utilisés aujourd’hui pour raccourcir la durée des fermentations. L’augmentation des autres paramètres comme la température, l’agitation ou l’oxygénation raccourcit bien la fermentation mais elle a un impact sur la flaveur de la bière si des mesures d’accompagnement pour limiter les dégâts ne sont pas prises.
L’étude en brasserie pilote, sur l’influence du taux d’ensemencement sur la fermentation montre que l’augmentation du taux d’ensemencement à 24 x106 cellules/ml raccourcit bien la fermentation, elle réduit correctement le pH et ne présente pas d’inconvénient sur la concentration en sulfites et en dicétones vicinales.
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 79
Selon EDELEN et al. (1996), les levures basses sont traditionnellement ensemencées avec un taux de 1 à 1,5 x106 cellules/ml par degré Plato de moût. Le taux d’ensemencement utilisé actuellement à la Brasserie STAR est de 1,6 x107 cellules/ml pour la fermentation d’un moût de 16°Plato (soit 106 cellules/ml/°Plato). L’augmentation du taux d’ensemencement actuel à 2,0 x107 cellules/ml (BOULTON & QUAIN, 2001 ; ERTEN, 2007) ou même à 2,4 x107 cellules/ml (1,5 x106 cellules/ml/°Plato), pour un mout à 16°Plato, ou à 3,0 x107 cellules/ml, pour un mout à 20°Plato, est suggérée à condition de bien sélectionner la souche, la génération des levures (inférieure à 5 ou 6ème génération); leurs conditions physiologiques (en bon état physiologique) et leurs viabilités (>90%) (VERBELEN, 2009).
III.1.1. Oxygénation du moût À la Brasserie STAR, la concentration en oxygène dissous utilisée est de 15ppm mais le fait que la concentration dans les tanks de fermentation atteigne exactement cette valeur n’est pas encore assurée. Un appareil (rattaché à chaque tank ou portatif) de mesure d’oxygène dissous dans le moût pendant l’entonnement est recommandé.
D’après les résultats obtenus durant l’étude effectuée à la Brasserie pilote, l’oxygénation du moût diminue considérablement le temps de fermentation, la concentration de sulfite en fin de fermentation et augmente la croissance de la population de levures. Une concentration en oxygène dissout du mout entre 15 et 30 ppm est alors suggérée pour un moût de 16°Plato.
Les effets de l’oxygénation sont plus marqués sur la concentration en sulfite et sur la valeur du pH en les réduisant à 30ppm. Les résultats des suivis industriels ont précisément présenté un problème de hausse du pH et de la concentration en sulfite pour les tanks TOD10. L’augmentation de la concentration en oxygène dissous des moûts destinés à ces tanks à une valeur de 30ppm est envisageable, accompagnée d’une purge ou récolte dès le 4ème au 5ème jour pour éviter le stress et l’autolyse des levures qui ont déjà floculées.
III.1.2. Température de fermentation L’augmentation de température est utilisée pour raccourcir d’une manière considérable la durée de la fermentation mais elle affecte aussi, selon divers auteurs, les flaveurs et la qualité de la bière (BOULTON & QUAIN, 2001 ; VERBELEN, 2009).
Les études en brasserie pilote ont montré l’intérêt d’uneaugmentation de température de fermentation mais des autolyses des levures à la fin de la fermentation ont été aussi décelées
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pour les températures élevées à partir de l’augmentation du pH à la fin de la fermentation. Ce qui affecte de manière notable la stabilité colloïdale de la bière finie (KUNZE, 2004).
À la Brasserie STAR, ce paramètre, avec l’augmentation du taux d’ensemencement sont utilisés fréquemment durant les hautes productions afin d’augmenter la vitesse de fermentation. Les gammes de températures entre 15°C et18°C sont suggérées mais les mesures suivantes doivent être prises pour éviter l’autolyse des levures. En premier lieu, il faut augmenter l’oxygénation du moût à une valeur supérieure à 15ppm car les hautes températures diminuent la solubilité de l’oxygène (BOULTON & QUAIN, 2001) ce qui diminue la croissance des levures. En second lieu, il faut récolter ou purger les levures dès qu’elles ont floculé (à partir du 4ème au 5ème jour) pour éviter leur contact prolongé avec la bière à une température et à un taux d’alcool élevés (WILLIAM, 2011 ; BOULTON & QUAIN, 2001). Enfin, l’installation des tanks cylindro-coniques doit être réalisée afin d’assurer le refroidissement isolé du cône pour réduire les risques de stress des levures et leurs autolyses vers la fin de la fermentation (BOULTON & QUAIN, 2001).
III.1.3. Surpression dans les tanks de fermentation À la Brasserie STAR, la surpression a pour premier objectif d’éviter le débordement de la bière pendant la fermentation surtout au moment de la phase la plus active de celle-ci. Il a été difficile de simuler les tanks industriels dans les expérimentations à la brasserie pilote pour les raisons suivantes : la faible capacité des fermenteurs ne permet pas de supporter la pression de 1,5 bar à la Brasserie pilote, et la hauteur des tanks de fermentation industriel qui est de16 m par rapport à la hauteur des fermenteurs à la brasserie pilote qui est de 3 m. Il est plus difficile d’appliquer industriellement les résultats des expérimentations eus en brasserie pilote surtout du point de vue pression.
La surpression nulle a semblé donner de nombreux avantages sauf concernant la concentration en sulfite qui augmente quand la pression diminue. Néanmoins, cette surpression nulle ne peut être utilisée industriellement qu’après la phase la plus active de la fermentation.
La gestion de pression existante à la Brasserie semble être déjà optimale et il est suggéré de la garder.
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III.1.4. Densité primitive du moût Les expérimentations en brasserie pilote ont confirmé la capacité des levures STAR à supporter les moûts avec une densité élevée, au moins à 20°Plato. Selon NGUYEN et VIET MAN (2009), par rapport à la productivité obtenue avec un moût normale de 12 °Plato, la productivité augmente de 50% en termes de capacité avec un moût de haute densité à 18 °Plato et les avantages accroissent encore avec les moûts de très hautes densités (ZHIMIN et al., 2011).
Le brassage à très haute densité de 20°Plato est suggéré pour augmenter la productivité de la société. Les arguments suivants sont aussi proposés pour augmenter la vitesse de la fermentation, pour la surproduction en en sulfite par les levures et enfin pour éviter leurs stress :
Un taux d’ensemencement de 2,0 à 3,0 x107 cellules/ml (soit 1 à 1,5 x106 cellules/ml/°Plato) est suggéré pour éviter le ralentissement de la fermentation et pour avoir une atténuation satisfaisante (EDELEN et al., 1996 ; VERBELEN, 2009). NGUYEN et VIET MAN (2009) ont obtenu des résultats satisfaisant même avec une concentration de levures de 75 x106 cellules/ml pour ensemencer un moût de 24 °Plato.
L’utilisation des levures sélectionnées n’ayant pas de problème de floculation prématurée des levures (PYF) est aussi suggérée car le risque de floculation prématurée des levures peut être rencontré avec des moûts à concentration en sucre élevée (LODOLO et al., 2008).
La purge ou la récolte des levures dès leurs floculations est suggérée afin d’éviter les stress des levures à cause des concentrations en éthanol et des pressions osmotiques élevées.
L’utilisation de moût à une concentration en FAN de 310 mg/l (15,5 mg/l/°Plato de FAN, BOULTON & QUAIN (2001)) est proposée pour une bonne fermentation des bières avec des moûts de densités très élevés de 20°Plato. Un ajout de levures alimentaires est même suggérée pour apporter à la fois des matières azotées assimilables par les levures, des ions métalliques (surtout le magnésium) et des acides gras insaturés.
Enfin, une oxygénation de 19ppm à 38 ppm est recommandée pour le moût de 20°Plato (équivalent à 15ppm jusqu’à 30ppm pour un moût de 16°Plato, l’oxygénation
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du moût est augmentée en fonction du TE selon BOULTON & QUAIN, 2001) pour permettre une bonne croissance des levures et pour obtenir une meilleure atténuation.
III.2. Analyses du sulfite et du diacétyle de la bière pendant la fermentation et de la bière finie Pendant la durée de l’étude à la brasserie STAR d’Antsirabe, les analyses du sulfite et du diacétyle pendant la fermentation ou à la fin de celle-ci ne se font que très rarement et ne sont effectuées que ponctuellement. Cependant, les contrôles sont nécessaires, non seulement pour standardiser les produits finis mais aussi et surtout, pour savoir l’évolution de la production de ces produits secondaires indésirables par une souche de levure.
III.2.1. Analyses internes Des analyses systématiques sont alors prioritaires. Le laboratoire de la brasserie dispose des moyens nécessaires pour analyser les sulfites et les diacétyles, mais les analyses de ces produits prennent du temps à la brasserie. Il est impossible d’effectuer des analyses à chaque fermentation. Les analyses de ces produits secondaires à chaque génération de levure et pour chaque souche à la fin des fermentations sont alors suggérées. Les résultats des analyses seront archivés et utilisés pour apporter des rectifications si nécessaire pour les futures fermentations.
Toutefois, les travaux de RASOLONJATOVO (2011) ont montré que les analyses fréquentes des sulfites sont relativement faibles. L’incertitude totale pour chaque mesure est de 6,87 mg/l, ce qui est relativement élevé. Ces erreurs proviennent surtout des opérateurs. La formation des laborantins avec la mise en place d’un protocole de mesure bien détaillé sont des moyens pour résoudre ce problème.
III.2.2. Analyses externes et inter-laboratoires Pour évaluer les écarts entre ses valeurs et celles des autres, un laboratoire doit constamment comparer ses résultats d’analyses avec celles des autres institutions. Des analyses externes et inter-laboratoires pour ces deux produits surtout pour le diacétyle sont recommandés car la méthode disponible à la brasserie ne peut quantifier séparément le diacétyle, le 2,3-pentanedione et les α-acétolactates. EBC (2007) avec l’Analitica-EBC, ont proposé également l’analyse du diacétyle par une chromatographie en phase gazeuse, des institutions à Madagascar pourraient l’effectuer, citons comme exemple le laboratoire du CNRE (Centre Nationale de Recherche pour l’Environnement) ou celui du Département IAA de l’ESSA. RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 83
III.3. Gestion de la levure La fabrication de la bière n’est possible sans les levures car c’est un des meilleurs amis du brasseur (WILLIAM, 2011). Une bonne gestion des levures garantit la production d’une bonne bière dans une brasserie. Selon HANS (2009), une gestion bien adaptée de levure est la base même d’une production de bière reproductible avec des qualités répondant aux normes. Dans la partie suivante, un ensemble de pratiques pour une meilleure gestion de la levure est proposé.
III.3.1. Sélection de souche de levures La sélection des souches de levures présentant les meilleures caractéristiques est la première étape. Ceci est suivi par la gestion de la bonne souche. La sélection peut être faite industriellement mais l’effectuer au laboratoire en utilisant des fermenteurs (cf. Figure 43) est suggéré. La souche proposée est celle capable de fermenter un moût concentré (avec une densité primitive ≥ 20°Plato), supportant des températures de fermentation élevées, celle qui n’est pas exigeante du point de vue température de fermentation, capable de fermenter à des pressions relativement élevées, ne nécessitant pas un long temps de démarrage de fermentation, ayant une vitesse rapide de fermentation, une bonne croissance, produisant le diacétyle en quantité acceptable et bien apte à sa réduction, fournissant d’une manière équilibrée les produits volatiles et les composants de la flaveur, ayant une bonne atténuation limite, ne floculant pas ni trop précocement, ni trop tardivement, insensible au froid, à l’autolyse et à l’infection, avec une bonne capacité d’acidification pendant la fermentation et produisant une bière finie de bonne caractéristique sensorielles et une meilleure tenue de mousse (IFBM, 2007 ; HANS, 2009).
III.3.2. Conservation des souches Les meilleures souches doivent être bien conservées. La meilleure méthode de conservation est la cryogénisation dans l’azote liquide à son point d’ébullition de -196°C (BOULTON et QUAIN, 2001 ; HANS, 2009). Cette méthode conserve la souche pendant plusieurs années et ne compromet ni la viabilité des levures ni leur stabilité génétique. La méthode de conservation de souche utilisée par la Brasserie STAR est actuellement la culture sur moût agar à 3°C mais la durée maximale de conservation est plus courte (4 à 6 mois), cette méthode réduit fortement la viabilité des levures et provoque leur mutation (modification du patrimoine génétique des levures) (BOULTON et QUAIN, 2001) (cf. Annexe VII). L’adoption de la méthode de conservation avec l’azote liquide est recommandée
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et doit être accompagnée d’une formation adéquate des microbiologistes. La souche est conservée en plusieurs exemplaires et à deux endroits différents pour s’assurer qu’il y a toujours une souche à disposition, même en cas d’accident.
III.3.3. Moment de renouvellement de souche Pour les levures hautes, les récoltes se font souvent dans les meilleures conditions physiologiques et les souches peuvent être utilisées pendant toute une année. Par contre, les levures basses ont besoin d’être renouvelées toutes les 3 à 6 générations à cause de la mauvaise condition subit par les levures dans les cônes des tanks cylindro-coniques. Le remplacement de manière systématique des souches toutes les 5 à 6 générations est suggéré mais une telle amélioration doit être accompagnée d’un nombre suffisant de matériels de propagations de levure qui doit permettre au moins deux propagations simultanées par semaine compte tenu du besoin de levure actuel dans la brasserie. Les critères de remplacement d’une souche sont recommandés afin d’éviter la contamination par des bactéries lactiques et/ou la mauvaise atténuation.
III.3.4. Récolte de levures après fermentation Comme les résultats l’ont montré, il est suggéré de récolter et/ou purger les levures dès qu’elles se floculent au fond des tanks. Il est aussi conseillé de séparer les récoltes des levures en plusieurs lots afin d’éviter de mettre la bière verte en contact trop longtemps avec les levures à la température de fermentation (à cette étape, la température pour la brasserie STAR d’Antsirabe est de 16°C). Ce contact entraîne la consommation par les levures de ses propres réserves entraînant ainsi leurs affaiblissements pour l’ensemencement suivant.
III.3.5. Traitement après récolte Dans la mesure du possible, le réensemencement direct de la levure récoltée est suggéré. Dans ce cas, les levures doivent être bien homogénéisées et aérées pour augmenter leur vitalité pendant les deux à trois heures qui suivent (KUNZE, 2004).
Dans le cas de récoltes des levures à utiliser ultérieurement, il est conseillé d’enlever les CO2 des cellules dans un tank refroidi (aéré ou non) sans pression pendant 4 heures. Après le dégazage, le stockage de levures recommandées est sous agitation et à la température de 2°C à 4°C pour réduire les métabolismes des levures. S’il y a arrêt de fabrication (conservation de la levure pour plus d’une semaine), la température de stockage suggérée est de 0 à 1°C.
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III.3.6. Développement d’un système HACCP pour la production de levures bien aptes à la fermentation HACCP est l’acronyme pour Hazard Analysis Critical Control Point ou Analyse des Dangers pour la Maîtrise des Points Critiques (ADMPC). C’est un système qui permet d’identifier les dangers spécifiques, de les évaluer et d’établir des mesures préventives afin de les maitriser (RASOARAHONA, 2010 ; RAZAFINDRAJAONA, 2009).
EL ATYQY (2009) avance que la HACCP est une méthode ou une démarche systématique et rationnelle de la maîtrise des dangers qui garantit la sécurité d’un produit.
La HACCP est intimement liée à la sécurité des denrées alimentaires. Cependant, son application ne se limite plus à la production de ces derniers, elle est utilisée dans plusieurs domaines (comme en industrie aéronautique, en industrie chimique ou encore en industrie nucléaire) (EL ATYQY, 2009 ; RAZAFINDRAJAONA, 2009). Cette méthode a été choisie dans cette partie dans le but de maîtriser la qualité de la levure et de garantir son aptitude à la fermentation.
III.3.6.1. Développement du système HACCP effectué antérieurement RANDRIAMITANTSOA a déjà développé, en 1999, un système HACCP pour la fabrication de bière dans la brasserie STAR d’Antsirabe.
Ce système, selon RANDRIAMITANTSOA (1999) a été axé sur la protection de toute l’usine contre la contamination microbienne. L’auteur a identifié 10 CCP dans toute la chaine de fabrication de la bière qui sont présentés dans le tableau suivant
Tableau 11. Les CCP et les dangers identifiés pendant la fabrication de la bière (RANDRIAMITANTSOA, 1999).
Etape de production Dangers Mesures préventives Filtration de la maische Contamination par le filtre Stérilisation suffisant du filtre Cuisson du moût Barème non observé Ebullition suffisante (96°C pendant 90 minutes) Refroidissement du moût Contamination par les Stérilisation de la conduite conduites Aération du moût Air contaminé Stérilisation de l’air comprimé Préparation de la levure Contamination du levain Stérilisation des levuriers et des conduites
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Etape de production Dangers Mesures préventives Filtration de la bière Défection des filtres Filtration suffisante, stérilisation des filtres Lavage des bouteilles Contamination de l’eau de Stérilisation de la laveuse et lavage par la laveuse chauffage de l’eau suffisant Embouteillage Contamination par les Lavage des bouteilles suffisant bouteilles, par l’air comprimé Stérilisation de l’air Pasteurisation Bière mal-pasteurisée, Contrôle périodique du sertissage insuffisant et air du sertissage, analyse col trop abondant microbiologique de la bière et bouteilles bien remplies
Depuis 1999, la technologie de fabrication de la bière dans la brasserie a beaucoup évolué mais une grande partie de ces CCP peuvent être encore retenus. Pour compléter cette étude, le système HACCP développé dans la partie suivante sera axé seulement sur la levure dans le but de produire une levure apte à la fermentation et protégée des contaminations.
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III.3.6.2. Développement du système HACCP lié à la gestion de la levure Le système HACCP développé dans cette partie est axé sur la production de levures aptes à la fermentation et protégées des contaminations. Le produit est alors la levure et sa description est donnée dans le tableau 12 ci-après.
Tableau 12. Description de la levure STAR.
LEVURE ou LEVAIN Catégorie Matière première de la fermentation Composition Levure : Saccharomyces cerevisiae (65% à 75%), bière (20% à 30%), trouble (1%-5%) Nombre de générations 10 à 13 générations Caractéristique physique, chimique et Constitué essentiellement d’êtres vivants, de microbiologique forme pâteuse Traitements subis (se rapporter au cycle de la levure) Condition de conservation Toujours à froid (≤4°C)
La levure est destinée à la fermentation du moût dans les cuves de fermentation. Elles sont utilisées anormalement dans les cas suivants : au-delà du nombre de génération permis, même contaminée, avec un état physiologique médiocre (levure affaiblie ou taux de mortalité élevé) et en conservation inadaptée (qui doit être à une température inférieure ou égale à 4°C).
La méthode HACCP pour la production de cette levure repose sur les 7 principes suivants (EL ATYQY, 2009 ; RAZAFINDRAJAONA, 2009 ; RASOARAHONA, 2010).
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a. Principe 1 : Analyse des dangers sur la levure La levure est produite et utilisée en cycle. Le cycle de la levure est illustré dans la figure suivante (les conditions de chaque étape au laboratoire et la propagation ne sont pas détaillées pour respecter leurs confidentialités).
Figure 42. Le cycle de la levure à la Brasserie
Les dangers potentiels liés à chaque étape (opération) du cycle précédent doivent être listés que ce soient des dangers biologiques (contamination, multiplication biologique, ravageurs et nuisibles, survie de germes), des dangers physiques (corps étrangers, rouille), des
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dangers chimique (résidus de produits de nettoyage) ou d’autres dangers (défaut de traçabilité).
b. Principe 2 : Détermination des points critiques (CCP) sur la levure L’analyse des dangers terminée, chaque étape du diagramme doit être analysée pour savoir si c’est un point critique ou non pour chaque type de danger.
Dix (10) CCP ont été identifiés dans le cycle de la levure. Ils ont été confirmés grâce à l’arbre de décision de l’Annexe VIII. Ces points critiques sont présentés dans le tableau 9.
Tableau 13. Les CCP identifiés pendant le cycle de la levure.
Etapes CCP
Conservation de la levure lyophilisée. 1- Température de conservation de la levure lyophilisée.
Revivification de la levure lyophilisée. 2- DLUO de la levure lyophilisée.
Revivification-Isolement-Purification- 3- Stérilisation de tous les instruments de Multiplication. laboratoire utilisés.
Conservation de la souche. 4- Température de conservation de la souche.
Propagation. 5- DLUO de la levure conservée.
Propagation-Stockage de la levure-Injection 6- Stérilisation de tout appareil, tank et de la levure-Fermentation-Récolte. conduite.
Stockage de la levure au levurier. 7- Température de stockage de la levure dans le levurier.
Stockage de la levure au levurier. 8- Durée de stockage de la levure.
Fermentation. 9- Conduite à tenir lors de la fermentation (respect des paramètres : taux d’ensemencement, oxygénation, température, densité, surpression).
Récolte. 10- Moment de récolte
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c. Principe 3 : Etablissement des limites critiques pour chaque CCP sur la levure Les limites critiques sont des seuils correspondant à chacun des CCP pour la maîtrise des dangers. Elles ont été choisies de façon à ce que leur dépassement indique un glissement vers la zone dangereuse, mais bien avant l’apparition du danger.
Le tableau 14 suivant montre les limites critiques pour chaque CCP sur la levure.
Tableau 14. Valeurs cibles et limites critiques des CCP.
CCP Valeurs cibles Limites critiques 1- Température de 0-3°C 0-4°C conservation de la levure lyophilisée. 2- DLUO de la levure 3 mois 6 mois lyophilisée. 3- Stérilisation de tout 170°C pendant 60 minutes en 121°C pendant 15 minutes en instrument de laboratoire. autoclave. autoclave. 4- Température de ≤ 3°C 0-4°C conservation de la souche. 5- DLUO de la souche 3 mois de conservation. 4 à 6 mois de conservation. conservée. 6- Stérilisation de tout CIP des tanks après CIP des tanks après appareil, tank et conduite. fermentation, circulation fermentation, circulation d’eau chaude à 80°C pendant d’eau chaude à 80°C pendant 1 heure pour les conduites, 45minutes à 1 heure pour les CIP des conduites pour conduites, CIP des conduites l’entonnement tous les 5 pour l’entonnement tous les 5 brassins. brassins. 7- Température de stockage ≤ 4°C ± 0,5 °C par rapport à la des levures dans le levurier température consigne 8- Durée de stockage de la 24 heures à 4°C. 7 jours à 4°C. levure dans le levurier 7 jours à 0°C. 7 jours à 0°C. 9- Conduite de la Oxygénation suffisante Oxygénation 15 ppm, fermentation (≥15ppm), Surpression Surpression 1,5 bar, normale (≤ 1,5 bar), Ensemencement 1,5-1,6 x107 Ensemencement suffisant (≥ cellules/ml, Température 2,0 x107 cellules/ml), (13°C-16°C), Purge pendant
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CCP Valeurs cibles Limites critiques Température (15°C-18°C), les 2 premiers jours et du Purge tous les jours. 4ème au 6ème jour. 10- Moment de récolte Le plus tôt possible (à partir Quand le moût est refroidi du 5ème jour de fermentation). (après le 7ème jour en tank de fermentation)
d. Principe 4 : Surveillance des CCP sur la levure Les procédures de surveillance des Points Critiques pour la Maîtrise sont matérialisées par (cf. Tableau 15): un enregistrement des paramètres par l’opérateur. Celui-ci veille à respecter les valeurs cibles. un contrôle continu des enregistrements par l’entité en charge de la surveillance qui peut être le service du laboratoire, le service qualité et hygiène ou le département fabrication. Pour chaque CCP, les éléments suivants sont déterminés pour la surveillance (cf. Tableau 15): le moyen : le matériel ou la méthode de surveillance, la fréquence : le moment où chaque enregistrement est effectué, le responsable : celui qui doit effectuer l’enregistrement, la personne en charge : celui qui contrôle que la surveillance a été effectuée.
e. Principe 5 : Détermination des mesures correctives sur la levure Les mesures correctives sont mises en place lorsque la surveillance décèle une tendance vers une limite critique, ou de son dépassement (cf. Tableau 15): les actions correctives produites : ce sont les mesures immédiates à prendre qui décident du devenir du produit quand le CCP n’est pas maîtrisé. les actions correctives procédé : il s’agit de la procédure à suivre en cas de non maîtrise d’un CCP. Elle permet à la fois de déterminer l’origine de la non-conformité et de son prévention.
Les détails des principes 2 à 5 sont présentés dans le Tableau de maîtrise des Points Critiques (cf. Tableau 15).
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f. Principe 6 : Mise en place des procédures de vérification sur la levure Contrairement à la surveillance qui est réalisée d’une manière continue, la vérification est : soit inopinée : sondages (ex : vérifier l’application des bonnes pratiques d’hygiène et de fabrication par le personnel); soit planifiée : audits, analyses microbiologiques (test de viabilité de levure, analyse microbiologique pendant la fermentation, dans les levuriers, etc...).
Les vérifications sont effectuées par les responsables de chaque CCP (cf. Tableau 15). Une vérification inopinée une fois par semaine et planifiée des analyses microbiologiques et un audit par mois sont proposés.
g. Principe 7 : Mise en place de la documentation et de l’archivage sur la levure La mise en place du système HACCP (analyse des dangers, détermination des CCP et des limites critiques) et son exécution (surveillance des CCP, écarts et mesures correctives associées, mise à jour des procédures) sont bien documentées et archivées par les responsables des CCP afin d’avoir une meilleure application.
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Tableau 15. Tableau de maîtrise des points critiques sur la levure
Principe 2 Principe 3 Principe 4 Principe 5
Actions Actions Danger(s) Etape(s) Limites Modalités Valeurs cibles Surveillance correctives correctives CCP concerné(s) concernée(s) critiques d’enregistrement produits procédés 1- Multiplication Conservation 0-3°C 0-4°C Moyen : Détruire la levure Revoir la Libellé : Fiche de Température microbiologique des levures Enregistrement de la si la température maintenance contrôle des levures de lyophilisées température dépasse 4°C préventive de lyophilisées Fréquence : 2 fois par conservation Epuisement de pendant plus de l’appareil et Type : Papier jour des levures la levure Responsable : 12 heures son aptitude à Emplacement : lyophilisées Laborantin conserver les Laboratoire Mutation Personne en charge : températures microbiologique génétique Responsable Archivage : 1 an laboratoire Destruction : Responsabilité du Service Laboratoire; 2- DLUO des Contamination Revivification Date comprise Date dans les Moyen : Visuel Assurer Revoir le Libellé : Fiche de levures microbienne des levures dans le premier deux premiers Fréquence : Par l’utilisation avant planning contrôle des levures lyophilisées lyophilisées tiers de la date tiers de la DLUO semaine la date cible d’approvision- lyophilisées Responsable : Mutation affichée sur affichée nement des Type : Papier Laborantin génétique l’emballage Personne en charge : Détruire les levures Emplacement : Responsable levures après la lyophilisées Laboratoire Epuisement laboratoire date critique microbiologique des levures Archivage : 1 an Destruction : Responsabilité du Service Laboratoire;
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Actions Actions Danger(s) Etape(s) Limites Modalités Valeurs cibles Surveillance correctives correctives CCP concerné(s) concernée(s) critiques d’enregistrement produits procédés 3- Contamination Revivification 170°C pendant 121°C pendant 15 Moyen : enregistrement Refaire la Réviser la Libellé : Fiche de Stérilisation microbienne des levures 60 minutes sous autoclave du temps et de la stérilisation procédure de contrôle des de tout lyophilisées température et contrôle maintenance stérilisations des de stérilité instrument de Revoir le préventive instruments de Fréquence : Par laboratoire semaine planning de des appareils laboratoire Responsable : propagation des Type : Papier Laborantin levures Emplacement : Personne en charge : Laboratoire Responsable microbiologique laboratoire Archivage : 1 an Destruction : Responsabilité du Service Laboratoire; 4- Multiplication Conservation ≤ 3°C 0-4°C Moyen : Prise de la Si la température Revoir la Libellé : Fiche de Température microbiologique de la souche température dépasse 4°C maintenance contrôle des levures de Epuisement de Fréquence : 2 fois par pendant plus de préventive du conservées jour conservation la levure 12 heures, réfrigérateur Type : Papier Responsable : de la souche Mutation Laborantin détruire la levure ou modifier le Emplacement : génétique Personne en charge : réfrigérateur Laboratoire Responsable ou la méthode microbiologique laboratoire de Archivage : 1 an conservation Destruction : 5- DLUO de Multiplication Propagation 3 mois de 4 à 6 mois de Moyen : Visuel Assurer Revoir le Responsabilité du la souche microbiologique conservation conservation Fréquence : Par l’utilisation des planning de Service Laboratoire; conservée Epuisement de semaine levures dans 3 propagation Responsable : la levure mois Si la Laborantin Mutation Personne en charge : souche est génétique Responsable conservée laboratoire pendant plus de 6 mois, elle doit être détruite 6- Contamination Propagation- CIP des tanks CIP des tanks Moyen : Thermomètre, En cas de Revoir le Libellé : Fiche de
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Actions Actions Danger(s) Etape(s) Limites Modalités Valeurs cibles Surveillance correctives correctives CCP concerné(s) concernée(s) critiques d’enregistrement produits procédés Stérilisation microbienne Stockage de la après après temps, vérification de contamination de planning de contrôle CIP tank et de tout levure-Injection fermentation, CIP fermentation, CIP concentration, contrôle la fermentation, production conduite appareil, tank de la levure- de tout appareil de tout appareil et de stérilité ne plus utiliser la Type : Papier Fréquence : Par et conduite Fermentation- et conduite, CIP conduite, CIP des levure Emplacement : semaine Récolte des conduites conduites pour Responsable : contaminée Service qualité et pour l’entonnement Brasseur, Caviste hygiène l’entonnement tous les 5 brassins Personne en charge : Archivage : 1 an tous les 5 Responsable Qualité Destruction : brassins Responsabilité du Service Qualité et Hygiène; 7- Multiplication Stockage de la ≤ 4°C ± 0,5 °C par Moyen : Vérifier le taux Vérifier Libellé : Fiche de Température microbiologique levure au rapport à la Enregistrement de la de mortalité, la l'aptitude des contrôle des levures de stockage Epuisement de levurier température température l’odeur de la matériels à Type : Papier Fréquence : 2 fois par des levures la levure consigne levure et la maintenir les Emplacement : jour dans le Responsable : Caviste couleur, en cas températures Département levurier Personne en charge : de doute, la requises fabrication Responsable mettre à l’égout Archivage : 1 an fabrication Destruction : 8- Durée de Multiplication Stockage des 24 heures à 4°C 36 heures à 4°C Moyen : Vérifier le taux Mettre au point Responsabilité du stockage des microbiologique levures au 2 jours à 0°C 3 jours à 0°C Enregistrement du de mortalité, la un planning de département fabrication; levures dans Epuisement de levurier début et fin de l’odeur des récolte de stockage le levurier la levure levures et la levure Fréquence : Par jour Responsable : Caviste couleur, en cas Personne en charge : de doute, n’est Revoir le Responsable plus à utiliser planning de fabrication production
9- Conduite Epuisement Fermentation Oxygénation Oxygénation 15 Moyen : Visuel, Si l’atténuation Revoir la Libellé : Fiche de
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Actions Actions Danger(s) Etape(s) Limites Modalités Valeurs cibles Surveillance correctives correctives CCP concerné(s) concernée(s) critiques d’enregistrement produits procédés de la des levures suffisante ppm, Pression Pesage, Mesure est faible ou si maintenance suivi entonnement et fermentation (15ppm), 1,6-1,7 bar, concentration les des appareils fermentation Pression normale Ensemencement Fréquence : Par jour caractéristiques utilisés Type : Papier (≤ 1,5 bar), 1,5-1,6 x107 Responsables : organoleptiques Emplacement : Ensemencement cellules/ml, Caviste, Laborantin de la levure sont Revoir le Département suffisant (≥ 2 Température Personne en charge : différentes de planning de fabrication x107 cellules/ml), (13°C-16°C), Responsable l’habitude, la fabrication Archivage : 5 ans Température Purge pendant les fabrication mettre à l’égout Dest²ruction : (13°C-16°C), 2 premiers jours et Responsabilité du Purge tous les à partir du 5 à département jours 6ème jour fabrication; 10- Moment Epuisement Récolte Récolte le plus Quand le moût est Moyen : Visuel sur le Si la récolte est Mettre au point Libellé : Fiche de de récolte des levures tôt possible (à refroidi (après le temps de fermentation trop tard, bien un planning de suivi récolte partir du 5ème jour 7ème jour en tank Fréquence : Par jour vérifier la récolte de Type : Papier Responsable : Caviste de fermentation) de fermentation) couleur, l’odeur levure Emplacement : Personne en charge : Responsable de et le gout de la Département fabrication levure, en cas de fabrication moindre doute, Archivage : 1 an ne pas utiliser la Destruction : levure Responsabilité du département fabrication.
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III.4. Protection contre les contaminations Les contaminations par les microbes pathogènes sont des problèmes graves dans les brasseries. Pendant la fermentation, les contaminants sont essentiellement les bactéries lactiques (genre Pediococcus et Lactobacillus) qui peuvent provenir du levain, du moût, des conduites et du tank (HANS, 2009). Ces bactéries détruisent la qualité de la bière et souillent les levures. Elles peuvent produire du diacétyle et rendent la concentration de ce dernier hors norme. En général, les composés du houblon, dont les α-acides ont des effets antimicrobiens, ralentissent le développement des bactéries lactiques. Et de plus, la Brasserie STAR est en mesure de maîtriser ces microorganismes, les incidents sont très rares. Mais il faut toujours renforcer les actions en vue de protéger toute la fabrication contre les agents contaminants en faisant des analyses microbiologiques périodiques des matières premières, du moût, des levains, des surfaces (tanks, conduites, etc...) ; renforcer le nettoyage et la désinfection et enfin, respecter les différentes consignes de stérilisations (conduites, tanks, etc...).
III.5. Recherche et développement Que ce soit une question d’optimisation de la production ou encore la création de nouveaux produits, le département de la« recherche et développement (R&D)» est nécessaire dans une entreprise. La Brasserie STAR ne dispose pas encore de département axé sur « la R&D ». Sa création est recommandée car il s’avère être un des meilleurs moyens pour faire face aux concurrences.
III.5.1. Besoins matériels La Brasserie STAR dispose d’une brasserie pilote pour effectuer des essais de fermentation, pour résoudre des problèmes ou pour créer de nouveaux produits mais la capacité est trop grande induisant à des pertes non négligeables lors des essais et des recherches (BOULTON & QUAIN, 2001). En effet, le volume minimum du moût à utiliser à la brasserie pilote est de 6 hectolitres soit environ 900 bouteilles de 0,65 litre en produit fini. L’acquisition des fermenteurs de laboratoire de quelques litres (cf. Figure 43) et/ou des micro- brasseries de capacité de quelques dizaines de litres sont suggérées. Avec ces fermenteurs de petites capacités, les pertes sont minimes et les fermentations sont beaucoup plus reproductibles.
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Figure 43. Fermenteurs de laboratoire de 2 litres (à gauche) (LEKKAS et al., 2007) et en tubes EBC (à droite) (IFBM, 2007).
III.5.2. La mise à l’échelle ou Scaling Up La mise à l’échelle ou Scaling Up est l’art de concevoir un prototype en utilisant les données obtenues à partir d’un modèle à l’échelle de la brasserie pilote (SCHMIDT, 2005). Son objectif est de permettre la production à grande quantité sans altérer, dans la mesure du possible, les qualités du produit. Pour la brasserie, l’objectif ultime est d’avoir les mêmes qualités de bière à la brasserie pilote (lors des essais) et à l’échelle industrielle, d’une part et la standardisation des produits des trois différents tanks (TID02, TOD04 et TOD10) d’autre part. Les dimensions de ces tanks sont différentes, d’où la nécessité de la mise à l’échelle. L’étude plus approfondie d’une mise à l’échelle de la fermentation à l’échelle pilote jusqu’à la fermentation industrielle dans les tanks de plus grandes capacités est recommandée.
Conclusion partielle III Le taux d’ensemencement, l’oxygénation, la température de fermentation, la pression et aussi la densité du moût peuvent être modifiées en vue d’avoir non seulement une multiplication optimale de levures, une réduction des concentrations en sulfites et en diacétyle mais surtout une augmentation de la productivité de la brasserie. Des paramètres et des mises en garde ont été proposés.
Des analyses systématiques, internes ou externes, des taux de sulfites et de diacétyle sont nécessaires pour la normalisation des concentrations des composants de bières.
Enfin, une bonne gestion des levures est indispensable pour assurer la reproductibilité de la fabrication et la bonne qualité de la bière finie.
L’optimisation est encore longue, des matériels pour les essais sont utiles ainsi que des études plus approfondies au sein de la Brassier STAR d’Antsirabe.
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CONCLUSION GENERALE
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
CONCLUSION GENERALE
La bière est une boisson alcoolique produite à travers le monde. Elle s’obtient à partir de la fermentation alcoolique par la levure du moût de malt sucré.
Sur le plan national, la production de bière est assurée actuellement par la Nouvelle Brasserie de Madagascar (NBM) et les Brasseries STAR Madagascar (BSM) mais elle est encore largement dominée par ces dernières.
Les consommateurs apprécient les bières produites par les BSM de telle sorte que leurs demandes ne cessent d’augmenter. La Brasserie STAR d’Antsirabe, une branche des BSM, se doit alors d’optimiser sa production tout en veillant à la qualité du produit fini.
Dans cette quête, l’optimisation de la fermentation et la réduction de la concentration des sous-produits de fermentation qui sont le sulfite et le diacétyle, ont été étudiées en considérant tous les tanks de fermentation disponibles dans la brasserie.
Les résultats de l’étude ont montré que les fermentations au sein de la brasserie sont différentes selon les tanks utilisés, notamment sur la croissance des levures et sur la production de sulfite et de diacétyle dans la bière.
Les études en brasserie pilote ont permis de conclure qu’il existe des influences du taux d’ensemencement, de l’oxygénation du moût, de la température de la fermentation, de la surpression et de la densité primitive du moût sur la fermentation, la croissance des levures et la concentration de la bière en sulfite et en diacétyle.
Nos propositions sont axées sur la technologie de fabrication, les suivis et les contrôles des concentrations en sulfite et en diacétyle, la gestion des levures et sur la recherche et développement. Les paramètres de fermentation conseillés pour son optimisation sont : un taux d’ensemencement de levure de 2,0 à 2,4 x107 cellules/ml, une concentration en oxygène dissous de 15ppm à 30 ppm, une gamme de température de fermentation entre 15°C et 18°C pour un mout de densité primitive égale à 16 °Plato. Le passage à une densité primitive supérieur ou égale à 20 °Plato est possible en rectifiant les autres paramètres de 2,0 à 3,0 x107 cellules/ml pour le taux d’ensemencement, à 19ppm-38ppm pour la concentration en oxygène dissous.
Il serait souhaitable de compléter cette étude par des études de proposition financière afin de pouvoir les appliquer.
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SUPPORTS DE COURS [51] RAMAROSON, R. J.-B. (2010). Les industries de fermentations : la bière. Cours en 5ème Année, Département IAA. Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques. [52] RASOARAHONA, J. E. (2010). La Gestion de la Qualité. Cours en 5ème Année, Département IAA. Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques [53] RAZAFINDRAJAONA, J.-M. (2009a). Analyse Microbiologique des aliments. Cours en 4ème Année, Département IAA. Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques. [54] RAZAFINDRAJAONA, J.-M. (2009b). La conservation par voie biologique. Cours en 4ème Année, Département IAA. Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques.
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 105
PARTIES EXPERIMENTALES
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
PARTIES EXPÉRIMENTALES Partie experiementale I- Mesure de la densité de la bière en fermentation ou du moût par DMA35 (CL.Mo.302, BSM, 2011b)
a. Objet
Détermination de la densité du moût et de la bière en fermentation
b. Matériels et réactifs
i. Matériels
- Densimètre DMA35 - Entonnoir en plastique - Porte entonnoir - Eprouvette graduée de 100ml - Papier filtre : (Marque : WHATMAN – Diamètre : 320 mm – Référence : 10 313 953 – Fournisseur : VWR) - Bécher : 250 ml
ii. Réactifs
- Mucasol 3% - Kieselguhr
c. Méthode
Le lieu de mesure doit se faire dans la salle climatisée à 20°C
- Prélever 150 ml de l’échantillon non dégazé - Porter l’échantillon à 20°C - Filtrer sur du papier filtre avec du kieselguhr puis faire la mesure de la densité sur DMA 35
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 106 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Partie experiementale II- Mesure du pH (CL.Mo.301, BSM, 2011b)
a. Objet
Détermination de l’acidité ou de la basicité de la bière avec le pH-mètre INOLAB.
Calibration du pH-mètre.
b. Matériels et réactifs
- pH-mètre INOLAB : (Marque : INOLAB – Type : pH 730 – N° de série : 07020835) - Bécher : 250 ml - Solutions étalons pH4 et pH7 : (Marque : AVS TITRINORM / PROLABO – Type : Solution liquide tampon pH – Fournisseur : VWR) - Solution de nettoyage électrode : (Marque : Cleaner thermo orion – Type : pH electrode cleaning solution < 4 % HCl – Fournisseur : VWR) - Papier filtre : (Marque : WHATMAN – Diamètre : 320 mm – Référence : 10 313 953 – Fournisseur : VWR) - Entonnoir en plastique - Porte entonnoir - Eau distillée - Kieselguhr
c. Méthode
i. Etalonnage
La fréquence de l’étalonnage est de : 1 fois par semaine.
Appuyer sur la touche « CAL » jusqu’à affichage de la fonction « CONCAL»
Régler la température à 20 °C par les touches « BAS » ou « HAUT »
Immerger l’électrode dans la première solution tampon pH7
Appuyer sur « RUN/ENTER » ; la valeur de pH mesurée est affiché sur l’écran
Régler à 7 la valeur nominale avec les touches « HAUT » ou « BAS »
Appuyer sur la touche « RUN/ENTER » ; affichage de la valeur de l’asymétrie (mV)
Appuyer sur la touche « RUN/ENTER » ; affichage de « SLO »
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 107 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Régler la température à 20 °C par les touches « BAS » ou « HAUT »
Rincer l’électrode à l’eau distillée puis bien sécher par un papier filtre
Immerger l’électrode dans la deuxième solution tampon pH4
Appuyer sur la touche « RUN/ENTER » ; affichage de la valeur de pH mesurée
Régler à 4 la valeur nominale avec les touches « BAS » ou « HAUT »
Appuyer sur la touche « RUN/ENTER » ; affichage de la valeur de l’asymétrie (mV)
Appuyer sur la touche « M » pour revenir au mode mesure.
ii. Mesure du pH
Mettre l’échantillon à mesurer à 20 °C
Filtrer la bière sur du papier filtre avec Kieselguhr pour avoir un volume de 50 à 100 ml d’échantillon
Rincer les électrodes avec de l’eau distillée puis avec de l’échantillon à analyser
Faire plonger les électrodes dans l’échantillon puis appuyer su la touche RUN ENTER
Agiter légèrement pendant la mesure jusqu’à stabilisation de la valeur
Lire directement la valeur du pH de l’échantillon affichée sur l’écran du pH-mètre
Ne jamais laisser l’électrode en l’air. Après chaque mesure, plonger l’électrode dans un bécher contenant de l’eau distillée.
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 108 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Partie experiementale III- Dosage du diacétyle (CL.Mo.322, BSM, 2011b)
a. Objet
Dosage des dicétones totales dans la bière en fermentation
b. Mise en garde
- Utiliser des gants, masque et lunettes pour la préparation des réactifs - Utiliser la poire à pipeter pour pipeter les réactifs
c. Matériels et réactifs
i. Matériels
- Appareil à distiller selon PARNAS - Fioles jaugées de 25ml avec bouchon - 03 Erlenmeyers de 25ml avec bouchon - Pipettes de 100ml, 10ml, 5ml et 1ml - Flacon de 100 ml avec bouchon - Poire à pipeter - Eprouvette de 10ml - Béchers de 800ml - Spectrophotomètre Genesys 5 avec cuvettes en quartz
ii. Réactifs
- HCl 4N : Prélever 123,66ml de HCl concentré 36% au moyen du jeu de pipettes, diluer dans 1,000ml d’eau bidistillée - Orthophénylènediamine : Dissoudre 1g d’orthophénylènediamine dans 100ml de HCl 4N préparé le jour de l’analyse - Solution de diacétyle : Dissoudre 500mg de diacétyle dans 100ml d’eau bidistillée. Conserver cette solution-mère au réfrigérateur dans un flacon ambré. Au moment de l’emploi, préparer une solution étalon contenant 25µg de diacétyle dans 100µl, en diluant 5ml de la solution mère dans 100ml. - Ethanol à 10% : Pipeter 11,11ml d’éthanol 96% et ramener à 100ml avec de l’eau bidistillée.
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 109 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
d. Méthode
- Prélever 100 ml de l’échantillon dégazé et homogénéiser dans un flacon de 100 ml, bouchonner et conserver dans le réfrigérateur (4-12°C) jusqu’à ce que l’appareil de Parnas soit prêt - Verser l’échantillon précédent dans l’appareil PARNAS et distiller de manière à recueillir 25ml de distillat (Temps de distillation : 10-15 minutes) dans une fiole jaugée - Bouchonner la fiole jaugée et conserver au réfrigérateur (4-12°C) - Prélever 10ml de solution d’éthanol à 10%, verser dans un erlenmeyer et bouchonner (Essai à blanc) - Prélever 9,9 ml de solution d’éthanol à 10% dans un autre erlenmeyer et ajouter 0,1 ml de solution de diacétyle et bouchonner (Essai témoin) - Prélever 10 ml du distillat dans un autre erlenmeyer et bouchonner (Essai principal) - Ajouter chacun des 3 erlenmeyers 0,5ml d’orthophénylènediamine - Boucher, bien mélanger et laisser reposer les échantillons à l’obscurité pendant 20 à 30 minutes dans la salle climatisé à « 20°C » - Ajouter 2ml d’HCl 4N dans chaque erlenmeyer et homogénéiser - Dans les 20 minutes qui suivent, mesurer les absorbances des trois échantillons par rapport à l’eau bidistillée à une longueur d’onde de 335 nm en utilisant la cuvette en quartz et le spectrophotomètre.
e. Calculs et expression des résultats
Avec :
P : absorbance de l’essai principal
B : absorbance de l’essai à blanc
T : absorbance du témoin
P B Diacétyle 0.625 [mg / l] T B
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 110 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Partie experiementale IV- DOSAGE DE SO2 TOTAUX DANS LA BIERE (CL Mo. 310, BSM, 2011b)
a. Objet :
Détermination du soufre SO2 dissous dans la bière à l’aide du spectrophotomètre.
b. Champ d’application
Bière en fermentation.
c. Dangers :
Projection lors de la préparation des réactifs.
d. Matériels et réactifs :
i. Matériels
- 2 cuvettes en verre - 1 bécher de 100 ml - 4 Pipettes respectivement 1 ml, 2 ml, 5 - 1 barreau magnétique de 4 cm ml et 25ml - 1 agitateur magnétique - 2 erlenmeyers de 50 ml avec bouchon - 3 fioles jaugées de 100 ml, 1 de liège fiole jaugées de 500 ml, 1 - 1 erlenmeyer de 25 ml fiole jaugée de 1 litre - 1 erlenmeyer de 25 ml - 1 bec bunsen - 1 éprouvette de 10 ml - 1 flacon ambré à bouchon - Parafilm – 1 thermomètre rodé de 100 ml - Poire à pipeter - 2 flacons ambrés à bouchon - 1 compte-goutte rodé de 1 L - Papier filtre, entonnoir en plastique, - 1 thermomètre Porte entonnoir - 1 bain glacé à 0°C - 1 flacon à bouchon rodée de 250 ml ii. Réactifs
- Solution de NaOH 1N (type : Tritisol-liquide) - Amidon soluble (type : poudre pour analyse) - N-Hexanol (Type : liquide) - H2SO4 (Type : liquide) - Iode (Type : Poudre) - Iodure de potassium (Type : Poudre) - Chlorhydrate de para-rosaniline (Type : poudre) - HCl 50% (Type : liquide) - Solution de formaldéhyde à 40% (type liquide)
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 111 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
- Chlorure mercurique (type : poudre) - Eau bidistillée - Kieselguhr
e. III- Méthodes
i. Préparation des réactifs
1. Solution de NaOH 0,1N
Diluer la solution de NaOH 1N conditionné dans l’ampoule dans 1 litre d’eau bidistillée.
2. Solution d’amidon soluble 1%
- Peser et délayer 1,110g+/-0,005 g d’amidon sec avec environ 2 ml d’eau distillée pour obtenir un lait d’amidon dans un erlen de 25ml - Faire bouillir 30ml d’eau bidistillée dans un bécher de 100 ml sur le bec bunsen - Introduire petit à petit le lait d’amidon dans celui-ci sans interrompre l’ébullition - Bien rincer la fiole contenant le lait d’amidon avec de l’eau distillée et verser l’eau de rinçage dans l’erlen - Continuer à bouillir la solution d’amidon pendant 10minutes, puis attendre 1 minute - Refroidir la solution dans l’eau l’eau du robinet pendant 1 minute - Mettre le becher contenant la solution dans un bain glacé à 0°C jusqu’à ce que la solution atteigne 20°C (à contrôler avec un thermomètre) - Transvaser la solution dans une fiole jaugée de 100ml puis rincer trois fois le bécher avec de l’eau bidistillée et remettre à chaque fois l’eau de rinçage dans la fiole - Ajuster le volume à 100 ml à 20°C - Mettre la solution dans un flacon ambré à bouchon rodé propre et sec - Conserver la solution au refrigérateur à 4°C - Période de conservation : 2 jours.
Une période de conservation plus longue peut mener à début de fermentation de l’amidon ce qui fausserait les résultats d’analyse.
3. HCl 50%
Dilution volume/volume (v/v) HCl concentré avec de l’eau distillée
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 112 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
4. H2SO4 0,1N
C’est un réactif d’H2SO4 de 1N à diluer dans l’eau bidistillée comme pour le cas du NaOH
5. Iode 0,1N
Dissoudre 12,690 g +/- 0,001 g d’iode pour analyses et 20 g+/- 0,001 g d’iodure de potassium dans 200ml d’eau bidistillée. Compléter à 1 litre.
6. Iode 0,005 N
Diluer 250 ml d’iode 0,1 N dans 500ml
7. Colorant (rosaniline décolorée)
- Placer 100 mg +/- 0,01g de chlorhydrate de para-rosaniline dans un erlenmeyer de 250 ml - Dissoudre dans 200 ml d’eau bidistillée tout en agitant avec un barreau magnétique sur l’agitateur magnétique à 700rpm. Ajouter 40 ml d’HCl à 50% - Compléter avec de l’eau à 250 ml - Mélanger et attendre au moins 15 minutes à température ambiante avant emploi - Conserver le réactif au réfrigérateur dans un flacon ambré à bouchon rodé
8. Solution de formol
- Diluer 5 ml de solution de formaldéhyde à 40% dans 1 litre, avec de l’eau distillée - Conserver le réactif u réfrigérateur dans un flacon ambré à bouchon rodé
9. Solution mercurique de stabilisation
- Dissoudre 27.2 g+/- 0.01 de chlorure mercurique et 11,7 g+/- 0.01 g de chlorure de sodium dans de l’eau distillée - Compléter à 1 litre.
ii. Préparation de l’échantillon à analyser
Filtrer la bière sur du papier filtre avec Kieselghur juste après le prélèvement (température inférieure à 20°C) pour avoir un filtrat de 100-150 ml
Déverser le filtrat dans le flacon de 250 ml et bien fermer
Mettre l’échantillon au réfrigérateur pendant au moins 1 heure avant analyse
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 113 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
iii. Préparation de l’essai principale (P) et de l’essai à blanc (B)
Essai principale (P) Essai à Blanc (B) - Introduire 2 ml de chlorure mercurique - Dans une autre fiole jaugée de 100 ml, de stabilisation et 5 ml d’H2SO4 0.1N introduire 10 ml de la même bière filtrée dans une fiole de 100ml et froide avec l’éprouvette de 100 ml - Prélever 10 ml de bière froide filtrée comme précédemment avec du kieselghur dans une éprouvette - Ajouter 0.5ml de solution d’amidon de 10 ml contenant 1 goutte de n-hexanol - Ajouter de l’iode 0,005N goutte à - Transvaser cette bière dans la fiole goutte à l’aide du compte goutte jusqu’à jaugée du début et mélanger par rotation ce qu’une coloration bleuâtre persiste manuelle puis ajouter une goutte en excès. - Ajouter 15 ml de NaOH 0,1 ; - remélanger de la même manière - - Compléter à 100ml avec de l’eau - Compléter 100 ml avec de l’eau bidistillée, boucher la fiole avec du bidistillée, boucher la fiole avec du parafilm et bien mélanger en secouant parafilm et bien mélanger en secouant - A l’aide d’une pipette de 25 ml, - Quand la couleur bleuâtre disparait, introduire 25 ml de cette solution dans un prélever 25 ml de la solution obtenue, et erlenmeyer de 50 ml introduire dans l’erlenmeyer de 50 ml - Ajouter 5ml de réactif colorant - Développer la couleur en versant 2 rosaniline, boucher et bien mélanger par gouttes de réactif colorant rosaniline, rotation manuelle boucher et bien mélanger en secouant - Compléter à 50 ml avec de l’eau - Maintenir à 25°C pendant 30 minutes bidistillée, boucher et bien mélanger en en parallèle avec l’essai principal secouant - Maintenir au bain-marie à 25°C pendant 30 minutes
f. Calcul et expression des résultats
Mesurer l’extinction de l’essai principal (P) et de l’essai à blanc par rapport à l’eau bidistillée à une longueur d’onde 550 nm.
1 SO2 totaux (mg.l ) (P B) 179,08
P : Extinction de l’essai à blanc
B : Extinction de l’essai à blanc
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 114 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Partie experiementale V- Numération des levures avec l’hématimètre (MI.Pr.015, BSM, 2011b)
a. Objets
Numération des levures en suspension avec l’hématimètre
b. Danger
Néant
c. Matériels et réactifs
i. Matériels
- Microscope Type Motic, B1 series - Cellules de Thoma - Pipette pasteur - Lamelle 20 x 20 mm - Pipette de 10 ml - Dispensette 10 à 60 ml - Barreau magnétique de 3 cm - Erlen de 75 ml - Agitateurs magnétiques Fisher scientific – Fisher land
ii. Réactif
- Eau physiologique
d. Méthode
i. Mode opératoire
- Placer une lamelle sur la cellule de Thoma en humectant au préalable les bords - Agiter l’échantillon prévu pour la numération avec l’agitateur à la vitesse « 2,5 » et le barreau magnétique pendant 5 minutes - Prélever un peu de la solution avec une pipette Pasteur et laisser s’étaler entre la lamelle et la cellule - Placer la cellule de Thoma sous l’objectif X40 - Amener dans le champ microscopique, un grand carré composé de 16 petits carrés et compter les cellules qui s’y trouvent.
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 115 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
- Changer le champ microscope de façon à compter de cellules dans les 16 grands carrés. - En moyenne, le nombre de cellule dans un grand carré est compris entre 10 et 30 - Au cas où le maximum de 30 est dépassé, on procède à la dilution. ii. Dilution au 1/10
- Homogénéiser l’échantillon puis prélever 5 ml avec la pipette - Ajouter 45 ml d’eau physiologique à l’aide du dispensette
iii. Remarques
- Les bourgeons ne sont comptés que si leur taille dépasse la moitié de la cellule mère - Pour les cellules chevauchant les lignes de quadrillages, compter seulement celles qui chevauchent 2 arêtes du carré sur 4 (en pratique, on ne prend en compte que celles du haut et celles de droite). - La détermination doit être faite en double - Préparer une nouvelle cellule si un écart de plus de 10% est constaté entre les deux numérations
- Laver la cellule de numération après usage
iv. Expressions des résultats
Soit T= Nombre de cellules totales dans les 16 grands carrés
Dilution T 250 103 Nombrede cellules (ml 1) 16
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 116 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Partie experiementale VI- Levure : taux de mortalité et taux de cellules froissées au Bleu de méthylène (MI.Pr.016, BSM, 2011b)
a. Objet
Calcul du taux de mortalité et taux de cellules froissées des levures en suspension
b. Matériels et réactifs
i. Matériels
- Papier filtre - Fiole de 1000 ml - Microscope - Bécher de 100 ml et un bécher de 150ml - Baguette en verre - Cellule de Thoma - Lamelle 18 x 18 mm - Pipette - Barreau magnétique de 3 cm - Erlenmeyer de 75 ml - Agitateurs magnétiques Fisher scientific – Fisher land ii. Réactifs
- Solution de bleu de méthylène : Dissoudre 0,1g de bleu de méthylène dans 800ml
d’eau déminéralisée. Ajouter 20 g de Sodium Citrate 2H20, agiter jusqu’à dissolution. Filtre à travers un papier filtre dans une fiole de 1000ml et ajuster à 1 litre avec de l’eau déminéralisée. Stocker la solution dans un flacon brun.
- Eau physiologique : dissoudre 9g de NaCl dans 1litre d’eau
c. Méthode
- Agiter l’échantillon prévu pour la numération avec l’agitateur à la vitesse « 2,5 » et le barreau magnétique pendant 5 minutes - Pipeter 5ml de la suspension dans l’erlenmeyer, ajouter 5ml de bleu de méthylène (Si dilution 1/10, ajouter 40 ml d’eau physiologique)
- Agiter à la vitesse « 2 » avec l’agitateur pendant 2 minutes.
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 117 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
- Remplir une pipette pasteur du mélange bien homogénéisé et charger la cellule de Thoma par capillarité. - Compter les levures à l’aide d’un microscope - Les cellules bleu foncées sont les cellules mortes. Les cellules bleues ciel sont considérées comme vivantes. - Les cellules froissées sont les cellules qui présentent des membranes déformées. - Les bourgeons ne sont comptés que si leur taille dépasse la moitié de la cellule mère.
d. Calculs et expressions des résultats
Nombrede cellules bleues foncées 100 % de cellules mortes Nombretotal des cellules
Nombrede cellules froissées 100 % de cellules froissées Nombretotal des cellules
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 118
ANNEXES
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
ANNEXES Annexe I. La composition du houblon
Tableau 16. Compositions du houblon (par rapport au poids)
Constituant Composition (%) Humidité 10-11 Acides α 2-12 Acides β 2-10 Huiles essentielles 0,5-2,0 Polyphénols 2-5 Lipides et cires 2-4 Protéines 12-18 Celluloses 40-50 Cendres 7-9 Pectines 1-2 (Source : MOLL, 1991)
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 119 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Annexe II. L’évolution enzymatique pendant le touraillage
Tableau 17. Changements au niveau des activités enzymatiques pendant le touraillage
Enzyme Changement au niveau de l’activité enzymatique par rapport au malt vert α-amylase Augmentation de 12-17% β-amylase Forte inactivation avec perte de 50% Endo-petidase Augmentation de 30% Aminopeptidase Augmentation de 70% Dipeptidase Forte inactivation avec perte de 50% carboxypeptidases Augmentation de 10-15% Endo-β-glucanase Préséchage à une température <50°C jusqu’à 10% d’humidité protège l’enzyme. Diminution de l’activité enzymatique si température > 80°C Exo-β-glucanase Forte inactivation avec perte de 60% Polyphénoloxydases Perte de 40% (Source : Moll, 1991)
Annexe III. Exportation de bière par les BSM de 2006 à 2010
Tableau 18. Exportation de bières par les Brasseries STAR Madagascar de 2006 à 2010
2006 2007 2008 2009 2010
Volume (Hl) 684 1 477 2 616 3 996 5 014
(Source : BSM, 2011a)
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 120 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Annexe IV. Organigramme de l’Usine STAR d’Antsirabe
Directeur d’Usine
Secrétaire
Contrôleur interne
Département Département Département Département administratif Département HQSE production laboratoire maintenance et du personnel
Responsable Responsable administratif et maintenance du personnel
Service magasin et pièce de rechange Service Conditionnement
Service électrique Service Fabrication
Laboratoire d’analyses Service atelier mécanique Service administratif et des matières premières et fabrication de cageot du personnel
Laboratoire d’analyses Brassage physico-chimiques Service force motrice Service comptabilité
Laboratoire d’analyses Service Qualité et FERMENTATION Service mécanique Service entretiens microbiologiques Hygiène conditionnement extérieurs
Laboratoire d’analyses Service Sécurité et Service entretien et Service magasin Filtration sensorielles Environnement réparation des général et matière bâtiments première
Figure 44. Organigramme de l'Usine STAR d’Antsirabe (BSM, 2008)
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES 121 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Annexe V. Concentrations des levures en suspension pendant le remplissage des tanks
Pour les TOD10 :
Tableau 19. Concentrations des levures en suspension pendant le remplissage des tanks pour les TOD10
Volume entonné (Hl) Population de levure (30 minutes après entonnement du brassin) (en 106 cellules/ml) 260 (Non mesurable, niveau de moût en dessous de la zone de prise d’échantillon) 520 11 780 7 1040 5 1300 5 1560 4 1820 30 2080 30 2340 30 2600 30
Pour les TOD04
Tableau 20. Concentrations des levures en suspension pendant le remplissage des tanks pour les TOD04
Volume entonné (Hl) Population de levure (30 minutes après entonnement du brassin) (en 106 cellules/ml) 260 30 520 30 780 12 1040 7
Pour les TID02 :
Tableau 21. Concentrations des levures en suspension pendant le remplissage des tanks pour les TID02
Volume entonné (Hl) Population de levure (30 minutes après entonnement du brassin) (en 106 cellules/ml) 260 30 520 12
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 122 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Annexe VI. Taux de mortalité des levures et taux de cellules froissées par génération
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00 ,
cellules froissées (%) cellules froissées 4,00
2,00 Taux de mortalité des levures et taux de taux de Taux et mortalité levures des 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Numéro de génération
Mortalités Cellules froissées
Figure 45. Taux de mortalité et taux de cellules froissées dans les levains par génération à la Brasserie STAR
Annexe VII. Comparaison des méthodes de conservations de souches
Tableau 22. Comparaison des méthodes de conservations de souches (BOULTON & QUAIN, 2001)
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 123 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES IAA-ESSA
Annexe VIII. Arbre de décision pour la détermination des points critiques pour le système HACCP
Figure 46. L'arbre de décision pour déterminer les CCP pour le système HACCP (EL ATYQY, 2009)
RAZANAKOTONARIVO Toky Olivier 124 Thème : Etude de la croissance de la levure et des évolutions de la concentration en SO et en diacétyle de la bière pendant 2 la fermentation. Cas de la Brasserie Star d’Antsirabe.
Université d’Antananarivo Département Industries Agricoles et Alimentaires Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques B.P : 175 C.P : 101
Auteur : Toky Olivier Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’Ingénieur RAZANAKOTONARIVO Agronome [email protected] Promotion VONA Tuteur : Pr. Jean-Marie RAZAFINDRAJAONA 2006-2011
RESUME La production de bière à Madagascar dépasse les 1,23 x106 hectolitres en 2010. La demande des consommateurs en cette boisson ne cesse d’augmenter et ils exigent de plus en plus la qualité des produits surtout avec l’émergence d’une nouvelle brasserie dans le pays. Pour faire face à cette demande et aux concurrences, la Brasserie STAR d’Antsirabe a besoin d’optimiser la production de bière. Pour cela, des suivis industriels de la fermentation ont été effectués en considérant tous les tanks disponibles dans la brasserie. Des expérimentations en brasserie pilote sont entreprises, par la suite, en faisant varier le taux d’ensemencement, la concentration en oxygène dissous, la densité primitive du moût, la température de fermentation et la surpression des fermenteurs pour béneficier de leurs influences individuelles sur la fermentation. Les suivis industriels ont montré des différences entres les tanks surtout du point de vue pH, concentration des levures en suspension et la concentration en SO2. Quant aux études en brasseries pilotes, de bons résultats ont été obtenus avec un taux d’ensemencement de 2,4 x10 7 cellules/ml, une concentration en oxygène dissous de 30 ppm, à une gamme de température de fermentation entre 15°C et 18°C et avec une densité primitive du moût de 20 °Plato ; les surpressions de 0bar et de 1,5bar ont été toutes les deux avantageuses. Des recommandations sur la technologie de fabrication de la brasserie, les analyses des sous-produits de la fermentation tels que le sulfite et le diacétyle, la gestion de la levure et la recherche et développement ont été alors suggérées. Mots-clés : levure, sulfite, diacétyle, optimisation, fermentation, bière, STAR
ABSTRACT The production of beer in Madagascar passes the 1.23 x106 hectoliters in 2010. Demands of consumers of this drink are always increasing and they require more and more the quality of the product especially with the emergence of the new brewery in Madagascar. To face this demand and the competitions, the Brewery STAR of Antsirabe needs to optimize the production of beer. For this, industrial follow-ups of fermentation have been done while considering all available tanks in the brewery. Experimentations in pilot scale are undertaken, thereafter, while varying the pitching rate, the concentration of dissolved oxygen and the original gravity of wort, the temperature of fermentation and the top pressure, for having benefit of their individual influences on fermentation. The industrial follow-ups showed some differences between tanks especially concerning pH, concentration of yeasts in suspension and concentration of SO2. With studies at pilot scale, good results have gotten with a pitching rate of 2.4 107 cells / ml, a concentration of dissolved oxygen of 30 ppm, temperatures of fermentation between 15°C and 18°C and with a wort original gravity of 20 °Plato; the top pressure of 0bar and 1.5bar were both advantageous. Then, some recommendations have been proposed on the brewing technology, on the by-products analysis like sulfide and diacetyl, on yeast management and on research and development. Keywords : yeast, sulfite, diacetyl, optimization, fermentation, beer, STAR
FAMINTINANA Tafahoatra ny 1,23 x106 litatra ny vokatra labiera tamin’ny taona 2010 teto Madagasikara. Tsy mitsaha-mitombo ny filan’ny mpisotro io zava-pisotro io ary takiany hatrany ny kalitaon’ny vokatra indrindra indrindra hatarmin’ny nisokafan’ny toera- mpamokaran-dabiera vaovao iray teto an-toerana. Manoloana izany, dia mila manatsara ny famokarany kokoa ny toeram- pamokarana labiera STAR ao Antsirabe. Ho amin’izany ary no nanarahana akaiky ny fermentation tao amin’ny orinasa ka noraisina avokoa ny fitaovana fanaovana izany nisy teo am-pela-tànana. Nisy andrana maromaro, avy eo natao, tao amin’ny orinasa amin’ny endriny madinika ka novaovaina hatrany ny tahan’ny leviora nampiasaina, ny habetsahan’ny oxygène levona ao anatin’ny ranotsiramamy fanaovana ny labiera, ny densité primitive-ny, ny hafanana nampiasaina nandritra ny fermentation ary ny tsindry ampiasaina mba hahalanana ny vokatr’ireo misaraka mandritra ny fermentation. Ny fanarahana ny fermentation no nahitana fahasamihafana teo amin’ny fampiasana ireo karazan’ny fitaovana fanaovana ny fermentation indrindra momba ny pH, ny habetsahan’ny leviora mitsingevana ary ny ny tahan’ny SO2 tao amin’ny labiera. Tamin’ilay orinasa amin’ny endriny kelikely kosa no nahitana vokatra tsara tamin’ny fampiasana ny habetsahan’ny leviora 2,4 107/ml, ny tahan’ny oxygène 30ppm, ny hafanana anelanelan’ny 15°C sy18°C ary ny densité primitive 20°Plato; ny tsindry kosa dia samy nahitam-bokatra tsara avokoa ny 0bar sy ny 1,5bar. Vahaolana maromaro no naroso araka izany momba ny fanamboarana ny labiera, ny fitiliana ireo vokatra tsy ilaina toy ny sulfite sy ny diacétyle, ny fitantanana ny leviora ary ny fikarohana sy ny fampivelarana ao amin’ny orinasa. Teny manan-danja : leviora, sulfite, diacétyle, fanatsaram-pamokarana, fermentation, labiera, STAR