Rôle de la levure dans la fermentation du glucose : mécanismes, conséquences et applications
La levure est un organisme minuscule : plus petite qu’un grain de sable, la cellule de levure n’est visible qu’au microscope. La levure est l’un des premiers organismes vivants à avoir été domestiqués et elle entre encore aujourd’hui dans la fabrication du pain, de la bière, du vin et de bien d’autres produits fermentés. La levure fait partie de la famille des champignons, qui inclut bien d’autres espèces comestibles.
Qu'est‑ce que la levure utilisée en fermentation ?
Ce micro‑organisme actif a pour nom scientifique Saccharomyces cerevisiae. Cependant, il existe plusieurs centaines d'espèces de levures : certaines sont capables de provoquer une fermentation, comme Saccharomyces cerevisiae. L'espèce Saccharomyces cerevisiae est très répandue. Elle intervient dans la fermentation du pain et la bière (entre autre). appelée « levure de bière » ou « levure de pain » et c'est celle que nous étudierons.
Il ne faut pas confondre la levure saccharomyces avec la levure chimique : la levure de boulangerie, vendue sous forme de cubes ou de granules déshydratés est composée de levures vivantes ; la levure chimique est de la poudre de carbonates et de bicarbonates, elle produit un gaz à la cuisson, le dioxyde de carbone. La levure sèche active se conserve plus longtemps. La levure nutritionnelle sous forme sèche contient de la levure inactivée - généralement à la chaleur.
Mécanismes de métabolisme du glucose chez la levure
Saviez‑vous que contrairement aux êtres humains, la levure peut vivre avec ou sans oxygène ! En présence d'oxygène, la levure peut respirer et se multiplier. C’est le processus utilisé pour la production de levure en grandes quantités. Dans un milieu sans oxygène, la levure tire son énergie de la fermentation des sucres. Les enzymes naturellement présentes dans la levure transforment ces sucres en gaz carbonique (CO2), en alcool et en énergie (chaleur).
La transformation des sucres de céréales ou de fruits par les levures est une fermentation alcoolique. Elle produit de l'alcool éthylique et du gaz dioxyde de carbone. En l’absence d’oxygène (dans la pâte), les levures transforment le glucose en gaz carbonique et métabolites, notamment des acides organiques. Ce processus est utilisé notamment pour la fabrication du pain, du vin et de la bière.
Respiration aérobie vs fermentation anaérobie
- En présence d'oxygène : la levure respire, consomme le glucose et le dioxygène pour produire énergie et CO2 - c’est la respiration (combustion complète).
- En absence d'oxygène : la levure effectue la fermentation du glucose, produisant du CO2 et de l'éthanol en libérant de l'énergie utilisable par la cellule.
Ces deux processus sont utilisés dans la fabrication du pain. Le pétrissage aère la pâte (incorporation d'air), ce qui favorise la multiplication des cellules de levure. Lorsque la pâte repose, la levure fermente et des bulles de CO2 se forment, ce qui fait lever la pâte. Du CO2 continue d’être libéré au début de la cuisson. À 50 °C, la levure meurt et l’alcool produit s’évapore.
Observation expérimentale : évolution des gaz et produits lors d'une addition de glucose
On observe que la quantité d'oxygène baisse faiblement (de 7 à 5 mg/l) jusqu'au temps t = 5 minutes temps auquel on injecte du glucose. Quand on injecte du glucose, la quantité d'oxygène baisse brutalement pour descendre à 0 g/l au temps = 6 minutes. La quantité de CO2 est nulle jusqu'au temps t = 5 minutes. Entre 5 et 6 minutes, la quantité de dioxygène augmente légèrement, puis à partir de 6 minutes le taux de CO2 augmente brutalement pour atteindre son maximum ; 160 mg/l à t = 10 minutes.
La quantité d'éthanol est faible (environ 0.05 g/L) avec une légère hausse jusqu'au temps = 6 minutes. Puis à partir de 6 minutes la concentration d'éthanol grimpe régulièrement en fonction du temps pour atteindre 0.6 g/L au temps = 16 minutes.
Interprétation des courbes
De 0 à 5 minutes, les levures consomment légèrement de l'oxygène malgré l'absence de glucose dans le milieu ; on peut émettre l'hypothèse qu'elles puisent dans leurs réserves à l'aide de l'O2 pour assurer leur métabolisme. Au moment où on donne du glucose, la quantité de dioxygène chute dans le milieu alors que la quantité de CO2 augmente. On peut en déduire que les levures consomment le glucose à l'aide du dioxygène et rejettent du CO2. Ce type de métabolisme est appelé respiration (combustion complète).
A partir de 6 minutes, la quantité d'O2 est nulle ; c'est alors qu'apparaît de l'éthanol, cela signifie que les levures consomment le glucose toujours présent en absence d'oxygène et rejettent de l'alcool. Ainsi, l'ajout de glucose déclenche d'abord une forte consommation d'oxygène (respiration) puis, lorsque l'oxygène est épuisé, un basculement vers la fermentation alcoolique avec production croissante d'éthanol et de CO2.
Conséquences biochimiques et sensorielles
Pendant le processus de fermentation, la levure transforme les glucides en une série de métabolites secondaires. Ces composés rehaussent les arômes et les saveurs, et améliorent aussi la texture. La fermentation « libère » donc des nutriments piégés dans les structures cellulaires des grains de blé, par exemple. Les enzymes décomposent les protéines et d'autres macromolécules de la cellule en molécules solubles plus petites, un processus qui confère aux extraits de levure ses propriétés aromatiques.
Les composés aromatiques libérés par la levure jouent un rôle essentiel le brassage de la bière et la vinification. Certaines levures libèrent ainsi des arômes tout à fait uniques (le fameux goût de banane du beaujolais nouveau est particulièrement apprécié) et en intensifient d’autres (les saveurs caractéristiques du chardonnay, par exemple). Selon certains experts, les levures - ces minuscules micro‑organismes - interviennent à concurrence de 80 % dans les arômes dégagés par le vin.
Effet sur la mousse et la texture
Le col de la bière (la mousse blanche) se compose de gaz carbonique, qui est libéré par la levure pendant le processus de fermentation, et de protéines qui entourent le gaz carbonique et font ainsi remonter les bulles vers la surface. Les protéines de la levure stabilisent la mousse des bières à fermentation haute (« ales ») ou basse (« lagers »), et empêchent ainsi le col de mousse de disparaître trop rapidement.
Applications industrielles et alimentaires
La levure est l’ingrédient doté de propriétés fermentantes le plus connu. Elle existe sous différentes formes (levure fraîche en cube, micro‑granulés de levure sèche, levure liquide, comprimés…). Les différentes souches peuvent être utilisées pour fabriquer de la bière et du vin, dans l’industrie pharmaceutique, comme exhausteur de goût, et même dans l’industrie des carburants (biocarburants à base d’éthanol) ! La levure est également indispensable pour la production de bioéthanol, elle soutient dans ce sens la longue marche vers la décarbonisation des transports.
En brasserie, deux grands types de levures sont utilisés, chacun correspondant à une des deux grandes familles de bières, à savoir les bières à fermentation haute (« ales ») et les bières à fermentation basse (« lagers »). Saccharomyces pastorianus est le premier choix pour les « lagers ». Saccharomyces cerevisiae est la levure par excellence des « ales ».
Aspects nutritionnels et formes dérivées
La levure est un produit peu coûteux qui permet de faire le plein de protéines, vitamines et minéraux indispensables à la santé et au bien‑être ! Depuis quelques années, un type spécifique de levure rencontre un succès croissant : la « levure nutritionnelle » (ou nooch). La levure nutritionnelle est par ailleurs pauvre en sodium et ne contient pas de cholestérol ainsi que très peu de lipides.
Tout comme la levure, l’extrait de levure est un ingrédient naturel utilisé par de nombreux professionnels du secteur alimentaire. Comme la levure « classique », elle affiche une valeur nutritionnelle élevée. Ses usages sont en revanche différents. Elle est couramment utilisée en cuisine pour rehausser la saveur des plats, un peu comme des fines herbes ou des épices. Les extraits de levure sont ensuite séparés des parois cellulaires après que les enzymes aient décomposé les macromolécules en molécules solubles plus petites.
Exemples culinaires et culturels
Sans levure, le pain, la bière et le vin n’existeraient tout simplement pas ! Certains aliments proviennent de la transformation de produits d'origine animale ou végétale par des micro‑organismes. Parmi ces micro‑organismes, la levure tient la première place. La fermentation est un processus essentiel qui trouve de nombreuses applications : chocolat, cacao et café, diverses boissons, comme le kéfir, les sodas et les limonades, mais aussi vinaigre.
Pour vous aider à vous rendre compte à quel point la levure - et la fermentation - est omniprésente, rien ne vaut un exemple. Les mets qui garnissent une table festive sont tous à base d'aliments fermentés : légumes, viande et poisson, produits laitiers, céréales, sauces et condiments. Sans la fermentation, aucun de ces aliments et mets festifs ne garnirait cette table !
Aspects historiques et scientifiques
La bière, boisson fermentée, était déjà connue des Sumériens et des Babyloniens (6 000 ans av. J.-C.). On utilisait « les ferments » pour fabriquer du vin, du vinaigre, des fromages, du pain mais on ne savait pas encore qu'ils contenaient des levures. Elles ont été observées, pour la première fois, au XVIIe par le Hollandais A. van Leeuwenhoek. Mais c'est L. Pasteur (de 1857 à 1876) qui a démontré qu'il y avait différents types de fermentation, et que chaque type de fermentation était réalisé par un micro‑organisme spécifique.
La levure est aussi un modèle pour l'étude de la génétique et de la physiologie eucaryote. Sa simplicité, ses propriétés de multiplication, la simplicité de leurs exigences nutritionnelles et leurs caractéristiques en font un modèle scientifique majeur.
La fermentation 🍺
Tableau récapitulatif : évolution après ajout de glucose (exemple expérimental)
| Temps (min) | O2 (mg/L) | CO2 (mg/L) | Ethanol (g/L) |
|---|---|---|---|
| 0-5 | 7 → 5 | 0 | ≈ 0.05 (légère hausse) |
| 5 (injection glucose) | chute brutale | début d'augmentation | léger accroissement |
| 6 | 0 | forte hausse | début de montée régulière |
| 10 | 0 | ≈ 160 mg/L (max) | en hausse |
| 16 | 0 | stabilisation | ≈ 0.6 g/L |
Ce tableau synthétise l'évolution typique observée lorsque l'on apporte une source de glucose à un milieu contenant des levures : consommation d'oxygène initiale, basculement vers l'anaérobiose puis production soutenue de CO2 et d'éthanol.
Pourquoi étudier la dynamique du glucose et de la levure ?
Comprendre comment les levures métabolisent le glucose permet d'optimiser des procédés industriels (brasserie, panification, vinification, production d'éthanol) et d'améliorer la qualité sensorielle des produits fermentés. L’utilisation d’une levure hautement spécifique est absolument nécessaire aujourd’hui : l’évolution des technologies de panification et des habitudes des consommateurs impose en effet aux boulangers d’utiliser une levure plus stable et plus tolérante aux process de panification.
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