Microbiologie de la bière: Micro-organismes indésirables dans le produit final

Le processus de production de la bière comporte plusieurs étapes, des matières premières à l'emballage, au cours desquelles la présence et l'activité microbiennes jouent un rôle crucial.

Si de nombreuses activités microbiennes sont fondamentales dans le processus de fermentation que l'on retrouve dans de nombreux produits alimentaires, certaines menacent la qualité du produit fini et nécessitent un contrôle actif de la part des brasseries à l'échelle mondiale.

Cet article explore une partie du monde de la microbiologie de la bière, en se concentrant sur les altérations et les micro-organismes qui peuvent menacer la qualité du produit fini après l'emballage et la distribution.

Que se passe-t-il après l'ébullition ?

Immédiatement après la phase d'ébullition, la séparation de la partie solide (Trub) de la partie liquide a lieu au cours de la phase appelée Whirpool. À ce stade, le moût subit une baisse soudaine de température et est oxygéné pour être finalement transféré dans les fermenteurs où il est ensemencé avec des souches de Saccharomyces pour le transformer en bière.

C'est précisément cette phase de transfert qui représente le premier véritable défi pour les micro-organismes indésirables, le moût de bière étant un substrat parfait pour le développement microbien.

En effet, nous disposons d'un "bouillon" riche en sucres, en nutriments et en oxygène moléculaire en grandes quantités ainsi que d'un ph et d'une température optimaux pour la croissance et le développement de la plupart d'entre eux.

Inoculation et fermentation

Une fois que le moût a été inoculé et que la fermentation a commencé, les conditions changent.

C'est précisément la transformation du maltose et d'autres sucres en éthanol, CO2 et acides organiques, c'est-à-dire la fermentation alcoolique par Saccharomyces, qui rend le substrat hostile à la croissance de la plupart des micro-organismes.

La bière est alors riche en éthanol (en moyenne 4-6%) et en dioxyde de carbone (0,5% w/v), contient des composés antimicrobiens dérivés du houblon (en particulier des acides iso alpha généralement présents à une concentration de 17-55 ppm), et présente une faible valeur de pH, de l'oxygène et des nutriments résiduels, ces derniers étant notamment consommés par la levure dans la phase de croissance reproductrice. Il s'agit là d'éléments qui inhibent généralement la croissance microbienne.

Cependant, malgré ces conditions difficiles résultant de la fermentation, certains groupes de levures et de bactéries se sont spécialisés pour se développer dans la bière en s'adaptant à ces conditions.

Nous pouvons classer les micro-organismes les plus courants qui modifient la bière en deux catégories : les bactéries (Gram positif et négatif) et les levures sauvages.

BACTERIA Gram +

Les bactéries à Gram positif sont un groupe de bactéries caractérisées par leur réaction à la coloration de Gram, une technique de laboratoire utilisée pour classer les bactéries en fonction de la structure de leur paroi cellulaire. Lorsqu'elles sont soumises à cette coloration, les bactéries Gram positives apparaissent violettes ou bleu foncé au microscope.

Les bactéries à Gram positif se distinguent par la présence d'une paroi cellulaire épaisse composée principalement de peptidoglycane. Cette structure leur confère généralement une plus grande résistance et une plus grande stabilité que les bactéries Gram négatives, qui ont une paroi cellulaire plus fine, une deuxième membrane externe de phospholipides et contiennent également une couche externe de lipopolysaccharides.

LAB

Les lactobacilles sont un genre de bactéries Gram-positives, anaérobies facultatives ou microaérophiles, non sporulées, dont la structure ressemble à celle d'un bâtonnet. Elles sont répandues dans la nature, associées aux matières végétales (y compris l'orge et le malt) et à l'homme, entre autres environnements. Par conséquent, leur entrée dans la brasserie est à la fois fréquente et inévitable, et leur dispersion généralisée dans la poussière de malt, les flux d'air et l'équipement est absolument inévitable.

Heureusement, l'activité antibactérienne des composés dérivés du houblon empêche la plupart des BL, y compris certains pathogènes potentiels, de se développer dans la bière.

Toutefois, ceux qui se sont adaptés aux conditions strictes de la bière (c'est-à-dire qui ont surtout développé une tolérance au houblon) sont les micro-organismes altérant la bière les plus répandus aujourd'hui. Ils comprennent L. brevis et P. damnosus et représentent probablement la plus grande menace pour la bière, étant les contaminants les plus fréquemment signalés dans les bières finies (60-90% des contaminations).

Ces espèces altérant la bière présentent une forte résistance à l'acide alpha iso du houblon, ce qui se traduit par la présence des gènes de résistance au houblon horA et horC.

La capacité à différencier les bactéries lactiques possédant les gènes horA et horC de celles qui en sont dépourvues est cruciale tant pour le brasseur que pour le responsable du contrôle de la qualité, car elle leur permet d'estimer le niveau de risque lié à la détérioration du produit final. Par exemple, les bactéries contenant des gènes résistants constituent une réelle menace pour la qualité, tandis que les bactéries dépourvues de gènes sont plutôt un indicateur de désinfection.

Actuellement, dans la pratique, cette différenciation ne peut se faire qu'au moyen de tests basés sur la PCR (Polymerase Chain Reaction) dans un laboratoire de brasserie.

La plupart des espèces de LAB présentent des degrés élevés de tolérance à l'éthanol, mais la tolérance à cette molécule est conservée au sein des espèces et la résistance au houblon joue un rôle plus prépondérant dans la capacité d'altération de la bière.

C'est pourquoi les BL impliquées dans d'autres fermentations d'aliments et de boissons, telles que Leuconostoc, Oenococcus, Lactococcus, Streptococcus et Enterococcus, n'ont pas été fréquemment isolées à partir de la bière.

Les LAB détériorent la bière par acidification, formation de turbidité et/ou production de diacétyle, qui donne à la bière un arôme de beurre intense et artificiel.

De nombreuses souches peuvent également produire des exopolysaccharides (EPS) dans la bière, ce qui lui donne une consistance huileuse ou, dans les cas extrêmes, entraîne la formation de dépôts indésirables.

PEDIOCOCCUS

Bactéries anaérobies facultatives à Gram positif avec des propriétés homofermentaires (convertit le glucose pour produire de l'acide lactique). Cependant, les produits finaux métaboliques varient en fonction des conditions du substrat. On sait notamment qu'elles produisent du diacétyle et de l'EPS, et comme certaines d'entre elles se développent fortement à basse température (par exemple P. Damnosus), elles sont des contaminants courants des brasseries qui produisent généralement des lagers et de celles qui produisent des bières à fermentation haute.

En outre, c'est précisément en raison de ces caractéristiques que des altérations peuvent se produire au cours de la phase de fermentation et de maturation, ainsi que dans le produit emballé.

AUTRES GRAMMES +

En dehors des LAB et des Pediococcus, très peu d'autres organismes Gram-positifs ont été signalés dans la bière.

Kocuria kristinae (anciennement Micrococcus kristinae) a été signalé comme altérant la bière, mais avec un faible potentiel en raison de sa sensibilité au houblon, à l'éthanol et au pH.

Traditionnellement, les bacillacées ne sont pas considérées comme capables d'altérer la bière, mais quatre espèces contenant le gène ho-rA de résistance au houblon - Bacillus cereus, Bacillus licheniformis, Staphylococcus epidermidis et Paenibacillus humicus - ont été isolées à partir de bière artisanale altérée et ont montré une croissance lorsqu'elles ont été réinoculées dans la bière (tests d'adaptabilité).

BACTERIA Gram-

Contrairement aux bactéries vues ci-dessus, les bactéries Gram négatives, lorsqu'elles sont soumises à la coloration de Gram, apparaissent rouges ou roses au microscope.

Elles se distinguent par la présence d'une paroi cellulaire plus fine que celle des bactéries Gram-positives, composée d'une fine couche de peptidoglycane. Cela les rend plus sensibles à divers facteurs environnementaux et à certains agents antimicrobiens.

En outre, les bactéries à Gram négatif possèdent une couche externe composée de lipopolysaccharides (LPS), qui peut jouer un rôle important dans la virulence de certains agents pathogènes. Cette couche externe contribue également à la résistance des bactéries à Gram négatif à certains antibiotiques.

On a découvert que seules quelques bactéries Gram négatif sont responsables de l'altération de la bière. Ces bactéries se répartissent en deux catégories :

1. Bactéries Gram négatives aérobies et anaérobies facultatives, telles que les bactéries de l'acide acétique (AAB), Zymomonas et certaines espèces d'Enterobacteriaceae.

2. Les anaérobies obligatoires des genres Pectinatus, Megasphaera et Zymophilus, les plus couramment rencontrés.

ACETOBACTER

Dans le passé, lorsque la bière était vieillie en fûts sans les technologies des brasseries modernes (par exemple, des fermenteurs en acier tronqués avec un espace de tête contrôlé), l'AAB était une menace plus courante et on la trouve encore souvent dans les bières vieillies en fûts.

Les bactéries acétiques ont un métabolisme oxydatif intense et métabolisent les sucres et l'éthanol par oxydation, produisant de l'acide acétique et transformant facilement la bière en vinaigre.

La famille comprend environ 10 genres, dont les plus courants sont Acetobacter aceti, Gluconobacter oxydans, Acetobacter Pasterianus et Gluconacetobacter.

Ces micro-organismes sont largement répandus dans les environnements contenant des sucres, des alcools et des acides, tels que la bière, le vin, le vinaigre, le cidre, dans la production d'aliments fermentés, sur les plantes, les fruits et dans l'air, et, s'ils sont en présence d'oxygène, ils provoquent une grave détérioration de la bière.

Comme elles tolèrent les acides et l'éthanol et qu'elles ne sont pas inhibées par les composés du houblon, elles se développent rapidement dans la bière, produisant des arômes acides et de la turbidité. Cependant, tant que la bière est stockée correctement et à de faibles niveaux d'oxygène, les bactéries acétiques ne constituent pas un problème grave. C'est pourquoi elles sont la cause la plus fréquente de problèmes dans les bières vieillies en fût pendant la phase de brassage.

ZYMOMONAS

Elles sont aérotolérantes et anaérobies facultatives, tolèrent l'éthanol (moins de 10 % d'éthanol v/v) et se développent le mieux à un pH supérieur à 3,4 et à des températures comprises entre 25 °C et 30 °C. Goûts/arômes désagréables : fruité, pomme pourrie, œuf pourri. Produits métaboliques : acétaldéhyde et H2S

ENTÉROBACTÉRIES

La famille des entérobactéries comprend une grande variété de bactéries Gram négatives aérobies et anaérobies facultatives, en forme de bâtonnets, asporigènes et oxydases négatives.

Plusieurs espèces appartenant à la famille des Enterobacteriaceae, telles que Klebsiella, Citrobacter, Obesumbacterium et Hafnia, sont associées à l'altération des moûts fermentés et non fermentés.

Les entérobactéries sont capables d'utiliser le lactose avec formation de gaz et d'acide à 35 °C - 37 °C dans les 48 heures.

Ces bactéries ne peuvent normalement pas se développer dans la bière finie, mais on les trouve parfois au début du processus de fermentation, ce qui provoque des goûts désagréables dans le produit final. Les bactéries coliformes sont des indicateurs des conditions et du niveau d'hygiène dans les brasseries.

OBESUMBACTERIUM

Le genre Obesumbacterium ne contient qu'une seule espèce, O. proteus. Il est typiquement aérobie à Gram négatif ou anaérobie facultatif et relève de la description générale de la famille des Enterobacteriaceae.

En raison de leur incapacité à se développer en dessous d'un pH de 3,9, elles n'ont pratiquement jamais été détectées dans la bière, mais ont été identifiées et isolées dans la levure de bière de fermentation haute et dans le moût de fermentation. Les levures réutilisées présentent un risque important.

Au cours du processus de fermentation, O. proteus se développe rapidement et réduit par conséquent le taux de fermentation, ce qui conduit à un produit de moindre qualité. En outre, sa croissance pendant la fermentation est connue pour entraîner la production de métabolites tels que le sulfoxyde de diméthyle (DMS), responsable du goût de panais, l'acétoïne, l'acide lactique, le propanol, l'isobutanol et le 2, 3-butanediol.

Risque d'apparition dans les brasseries : Goûts/arômes désagréables : panais, odeur de soufre Produits métaboliques : sulfure de diméthyle (DMS), diacétyle, alcools supérieurs, N-nitrosamines, acétoïne

PECTINATUS ET MEGASPHAERA

Ces bactéries sont rarement considérées comme des agents compromettant la qualité de la bière par rapport aux bactéries lactiques. Elles peuvent s'établir plus sporadiquement dans les brasseries, où elles peuvent persister pendant de longues périodes sans manifester de défauts évidents. Leur présence devient souvent évidente en raison de problèmes techniques ou de pratiques de nettoyage inadéquates, qui peuvent ensuite entraîner une contamination et, par conséquent, une altération de la bière. Dans toutes les brasseries qui produisent notamment des bières non pasteurisées à faible teneur en alcool (<5%), les surfaces complexes de l'équipement de remplissage peuvent constituer des sources de risque particulières, car elles peuvent favoriser la formation de biofilms. La réutilisation des fûts représente un risque particulier.

Les principaux produits du métabolisme de Pectinatus sont l'acide acétique, l'acide propionique, l'acide lactique, l'acide succinique, l'H2S, l'acétoïne, le méthylmercaptan et d'autres composés sulfurés qui produisent des odeurs désagréables d'œuf pourri.

Il existe cinq espèces de Megasphaere, dont Megasphaera cerevisiae, Megasphaera paucivorans et Megasphaera sueciensissi, que l'on ne trouve que dans les bières contaminées.

Les principaux produits de leur métabolisme sont les suivants : H2S, acide butyrique, acide isobutyrique, acide caprique, acide valérique, acide isovalérique.

SELENOMONAS

Elle comprend actuellement 10 espèces, dont une seule, Selenomonas lacticifex, a été détectée en association avec des levures contaminées et, plus récemment, sur les surfaces des usines d'embouteillage.

Risque d'épidémies dans les brasseries : Levures réutilisées.

Goût/arôme désagréable.

Produits métaboliques : acide acétique, lactique et propionique

ZYMOPHILUS

Elle comprend deux espèces de bactéries, Zymophilus paucivorans et Zymophilus raffinosivorans, qui sont toujours présentes dans les opérations de brassage, en particulier dans la levure de bière et les déchets de production. Zymophilus est dérivé du grec "zyme" = levure et "philos" = amoureux.

Les bactéries du genre Zymophilus sont des bâtonnets hélicoïdaux mobiles, droits ou légèrement courbés, qui se présentent généralement seuls ou par paires, ou plus rarement en courtes chaînes. Risque d'apparition dans les brasseries : Levures réutilisées ou déchets de bière.

Goûts/arômes désagréables : odeur désagréable.

Produits métaboliques : acide acétique, lactique et propionique

LEVURES SAUVAGES

Par définition, une levure sauvage est une levure qui "n'a pas été utilisée délibérément et sous contrôle total".

Il s'agit d'une catégorie générique qui se situe en dehors de celle identifiée par les levures classiques de fermentation haute et qui provient souvent de l'environnement.

À l'exception du Lambic et d'autres bières à fermentation spontanée, les levures sauvages sont considérées comme des organismes d'altération dans la production de bière et doivent être évitées à tout prix. Il convient toutefois de souligner que toutes les levures sauvages n'altèrent pas la bière, mais que leur présence est le signe d'une infection et d'un problème sanitaire dans la brasserie.

L'altération de la bière peut se produire par la production d'esters ou d'arômes phénoliques (POF), la formation de turbidité ou de sédiments, ou par une atténuation excessive, entraînant une carbonatation supérieure à la norme et un corps réduit.

Les composés produits par ces altérations confèrent à la bière un arôme médicinal ou épicé de clou de girofle inhabituel et atypique pour la plupart des bières, bien qu'ils soient considérés comme une caractéristique des bières de blé allemandes et de certaines ales belges, étant donné que les levures utilisées dans ces bières sont positives pour les POF.

Lorsqu'on parle de "levures sauvages", les souches les plus importantes appliquées ou applicables à l'industrie de la bière sont les "levures Saccharomyces" et les "levures non-Saccharomyces".

LEVURES NON SACCHAROMYCES : BRETTANOMYCES / LEVURE DEKKERA

À une époque révolue, le caractère de Brettanomyces était même considéré comme un élément indispensable des véritables bières d'entrepôt anglaises, et a été décrit pour la première fois pour la bière anglaise (1904), donnant à cette levure son nom (British fungus).

Brettanomyces est la variante asexuée (non sporigène), tandis que Dekkera est la variante télémorphique (sexuelle).

Cinq espèces de Brettanomyces sont actuellement décrites.

Brettanomyces (Brett) est capable de résister à des niveaux élevés d'alcool et peut également se développer dans des environnements limités en oxygène et à faible pH, ce qui signifie qu'il est capable de prospérer dans des environnements de fermentation alcoolique. Elle est également capable de fermenter les sucres dans des conditions aérobies (connues sous le nom d'effet Crabtree) et de concurrencer d'autres microbes grâce à sa capacité à produire de l'acide acétique dans des conditions aérobies.

Brett est également capable de battre S. cerevisiae dans certaines conditions de fermentation et peut métaboliser un large éventail de sources de carbone, telles que le maltose et le fructose, mais aussi le glucose et les sucres complexes qui ne sont pas facilement utilisables par S. cerevisiae, tels que le cellobiose et les dextrines, ce qui donne des bières "super atténuées" avec des niveaux d'alcool plus élevés et des concentrations de sucre plus faibles.

Un grand nombre d'autres levures non-Saccharomyces sont capables de se développer dans la bière, mais leur potentiel d'altération est limité dans des conditions de stockage optimales en raison des facteurs combinés de la limitation de l'oxygène, de la toxicité de l'éthanol et de la concurrence avec Saccharomyces. Il s'agit notamment de Pichia anomala, Pichia fermentans, Pichia membranifaciens, Pichia guilliermondii, Candida tropicalis, Candida boidinii, Candida sake et Candida parapsilosis.

En général, le risque d'altération est limité dans des conditions optimales en raison de l'accès limité à l'oxygène, de la toxicité de l'éthanol et de la compétition pour les nutriments avec Saccharomyces.

La plupart de ces levures se retrouvent dans l'ensemble de la brasserie, en particulier dans les vannes de dégustation sales et sur d'autres surfaces en contact avec la bière.

Ils produisent des goûts désagréables (en particulier les acides organiques et le POF), de la turbidité, des sédiments ou des films de surface. Ils doivent être considérés comme des contaminants opportunistes, qui provoquent des altérations lorsque les conditions sont favorables, mais qui ne posent généralement pas de problème dans les pratiques de brassage modernes.

Ces levures posent davantage de problèmes dans les bières fermentées en fûts, où l'entrée d'oxygène stimule leur croissance, d'où la nécessité de limiter l'espace entre l'environnement à l'intérieur du fût et celui à l'extérieur, pendant la phase de maturation.

SACCHAROMYCES LEVURES SAUVAGES

La contamination croisée avec une souche de S. cerevisiae autre que celle prévue peut entraîner des défauts de goût et des performances de fermentation inhabituelles. La levure sauvage Saccharomyces la plus problématique et la plus discutée est Saccharomyces diastaticus, qui n'a été identifiée comme contaminant qu'il y a quelques années et a été détectée dans le monde entier dans l'industrie brassicole.

Saccharomyces diastaticus, comme son nom l'indique, est une variante de S. cerevisiae qui possède le gène STA (1, 2 ou 3). Ces gènes induisent la production par la levure d'une enzyme appelée glucoamylase, capable d'hydrolyser des glucides plus complexes, en particulier la dextrine, en sucres simples, ce qui entraîne une hyper-atténuation. Cela se traduit généralement par :

• Sur-tenaison (> 90 %) et/ou fermentation secondaire

• Sur-carbonatation (observée sous forme de "jaillissement" à l'ouverture de la bouteille / de la canette / du fût)

• Saveurs désagréables

Causes possibles de Saccharomyces diastaticus :

-Mauvaise hygiène :

1)Dans l'usine d'embouteillage/de mise en conserve (> 70 % des cas signalés)

2)Dans la brasserie

3)Dans la cuve de fermentation

4)Dans la zone de stockage

-Matières premières : Levure ou houblon (par exemple, houblonnage à sec)

NB. Certaines levures diastatiques peuvent être utilisées pour produire des bières complexes et intéressantes, les bières de type Saison (que j'adore) en étant le parfait exemple. La manipulation de ces levures dans une brasserie nécessite des précautions et un plan de contrôle de la qualité bien conçu afin d'éviter toute contamination croisée. Personnellement, j'utilise un fermenteur exclusivement pour la production de Saison belge, de Farmhouse ou de Grisette, qui ont toutes des S. Diastaticus en commun.

CONCLUSIONS

En conclusion, l'emballage et la distribution constituent des défis pour la stabilité microbienne de la bière et la gestion efficace des micro-organismes est essentielle pour prévenir la contamination et l'altération du produit.

Une compréhension approfondie des différents acteurs microbiens et de leurs fonctions est essentielle pour maintenir des normes de qualité élevées dans l'industrie brassicole.

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