Biotransformation : une histoire de levures et de houblons

Qui n'a jamais entendu parler de "biotransformation" ? Aujourd'hui, ce mot s'est répandu dans le monde entier et fait partie du vocabulaire des brasseurs artisanaux. Malgré la complexité de la biotransformation, est-elle vraiment connue et bien comprise ? A-t-elle vraiment un impact sur nos bières ? Et surtout, comment en tirer profit ? Le présent article, de Joan Montasell publié originellement dans Brewer and Distiller International, tentera de répondre à toutes vos questions à ce sujet.

La biotransformation en soi est définie comme "la modification chimique apportée par un organisme à un composé". Bien que ce terme soit couramment utilisé en pharmacologie et en toxicologie, du point de vue du brasseur, il fait référence à l'interaction de deux ingrédients utilisés dans le brassage : la levure et le houblon. Le rôle de ces deux ingrédients dans la biotransformation sera abordé en détail, ainsi que l'utilisation d'enzymes exogènes pour influencer l'arôme et la saveur du houblon dans la bière.

Le rôle du houblon dans la biotransformation

Il est bien connu que le houblon est essentiel dans la production de la bière, principalement en raison de sa contribution à l'arôme et à l'amertume. Outre l'eau, la cellulose et diverses protéines, la composition chimique du houblon comprend des tanins (polyphénols), des résines de houblon et des huiles de houblon, chacun déterminant le profil organoleptique de la bière obtenue (tableau 1).

- Les polyphénols du houblon : Les polyphénols jouent également un rôle important dans le processus de brassage en raison de leur contribution au trouble non biologique (interaction protéine-polyphénol). Bien qu'ils soient également présents dans le malt, ils représentent jusqu'à 4 % du poids total des cônes de houblon séchés. Leur teneur dépend de la variété de houblon, de la zone de culture, de la technique de récolte et du degré de vieillissement [2].

- Résines de houblon : Les résines de houblon, ainsi que les huiles essentielles, se trouvent dans les glandes de lupulines du cône de houblon femelle. Elles sont principalement composées de résines dures et de résines molles, où se trouvent les acides amers. D'une manière générale, l'amertume est l'un des goûts les plus particuliers qui est associé à la bière, principalement en raison des molécules isomérisées d'acides α formées lors du processus d'ébullition du moût, appelées iso-α-acides.

- Huiles de houblon : La quantité d'huiles essentielles présente dans le houblon est très faible, mais leurs contributions au profil aromatique de la bière sont significatives. Cela est dû au faible seuil sensoriel des composés volatiles, notamment des thiols (groupe sulfuré des huiles de houblon), qui sont détectés à de très faibles concentrations. Le houblon séché contient entre 0,5 % et 3 % p/p d'huile, selon les variétés [2]. Ces huiles sont présentes dans une composition complexe comprenant jusqu'à 1 000 composés, tous issus d'un large éventail de classes chimiques [3]. Les huiles de houblon sont classées en trois groupes : fraction hydrocarbonée, fraction oxygénée et fraction soufrée [2]. Le linalol, un alcool monoterpénique de la fraction oxygénée, est considéré depuis quelques années comme un indicateur clé de l'arôme de houblon dans la bière [4]. Néanmoins, l'arôme et la saveur du houblon dans la bière ne doivent pas être attribués ni associés à une seule substance, car ils sont le résultat des interactions de nombreux composés et des synergies entre eux. Selon Takoi et al. (2010), les huiles de houblon telles que le géraniol et le β-citronellol affectent l'arôme global lorsque le linalol est présent en excès, créant un effet synergique contribuant de manière significative à une saveur fruitée et citronnée plus perçue dans la bière [5].

Le houblon contient un autre composé, le glycoside, qui joue également un rôle important dans la biotransformation. Par définition, les glycosides sont des molécules dans lesquelles une molécule de sucre est liée de manière glycosidique à une autre molécule. Dans la nature, on les trouve couramment dans les plantes et, en termes biologiques, ils jouent de nombreux rôles dans les organismes vivants, comme le stockage des produits chimiques ou même le transport des hydrates de carbone dans la plante et leurs libérations par hydrolyse. En brasserie, les glycosides dérivés du houblon sont principalement formés d'un alcool monoterpénique et d'un hydrate de carbone qui, à l'état combiné, constituent une molécule sans arôme et sans goût sucré. En outre, les composés aromatiques du houblon liés aux glycosides sont considérés comme contribuant à l'arôme du houblon dans la bière [6].

Depuis 2009, on observe une nette tendance à la croissance des variétés aromatiques plutôt que des variétés à alpha élevé, qui ont diminué au cours des dix dernières années, comme le montre la figure 1. En outre, les taux de houblon élevés ont augmenté au cours de la dernière décennie, ce qui suggère que l'arôme du houblon dans la bière est un attribut considéré comme très intéressant [8]. Cette forte demande de variétés de houblon aromatique, parmi d'autres facteurs de production, a conduit les brasseurs à rechercher des moyens nouveaux et innovants pour renforcer l'arôme et la saveur du houblon. En d'autres termes, la biotransformation du houblon peut devenir une solution potentielle pour optimiser l'utilisation du houblon en changeant la proportion de composés aromatiques spécifiques et, par conséquent, en modifiant la diversité des saveurs et des arômes de la bière.

 Figure 1. Évolution du marché du houblon de 2009 à 2019 [7].

Le rôle de la levure dans la biotransformation

Sans levure, pas de bière. Ce micro-organisme est responsable de la transformation du moût en bière, un processus biochimique au cours duquel se produit la fermentation alcoolique, ainsi que la libération de dioxyde de carbone (CO2) et des composés aromatiques. Cependant, la levure est bien plus que cela. En 2003, King et Dickinson ont découvert pour la première fois une nouvelle biotransformation des composés du houblon par les levures qui avait un impact significatif sur la formation de l'arôme [9]. En outre, la levure est responsable d'une série de réactions modifiant la structure des alcools monoterpéniques pendant la fermentation, ce qui montre à quel point la biotransformation est complexe et diversifiée (figure 2). Selon Liu (2015), la biotransformation des terpènes oxygénés expliquerait au moins partiellement les différences d'arômes houblonnés entre le houblon brut et la bière finie, ainsi que certains autres volatils présents dans la bière [10]. Une étude plus récente de Sharp et al. (2017), a également conclu que les levures de brasserie (Saccharomyces spp.) présentent un éventail plus large de capacités d'hydrolyse des glycosides que ce que l'on pensait auparavant. D'autres études ont révélé l'importance de la levure dans la biotransformation, sur la base de la catalyse des liaisons glycosidiques dans la production de bières houblonnées [10] [11] [12] [13] [21].

Figure 2. Processus proposés pour la biotransformation des terpénoïdes par les levures [10].

Pendant la fermentation, où les cellules sont très actives, la levure sécrète naturellement des enzymes β-glucosidases de manière extracellulaire, celles-ci étant responsables de la réaction d'hydrolyse. La figure 3 montre le mécanisme de segmentation d'un composé non aromatique en un glucose et un linalol, permettant d'obtenir des composés plus aromatiques et des sucres fermentescibles dérivés d'une molécule de lynalyl glycoside.

Figure 3. Hydrolyse du glycoside de lynalyl libérant un sucre fermentescible et un terpène [14].

La libération des terpènes à partir des glycosides n'est pas la seule interaction entre la levure et le houblon, il existe d'autres exemples comme indiqués ci-dessous :

- L'estérification : Par définition, les esters sont une liaison entre un acide carboxylique et un alcool. Des études ont montré que la levure possède une activité estérase, ce qui entraîne l'estérification d'un certain nombre de composés du houblon. Par exemple, le géraniol et le citronellol, que l'on trouve naturellement dans le houblon, sont transformés en leurs formes acétates, l'acétate de géranyle et l'acétate de citronellyle, respectivement [9].

- Les thiols : Également connus sous le nom de mercaptans, les thiols sont une famille de composés aromatiques naturellement présents dans le houblon, soit libres, soit sous la forme de précurseurs inodores non volatils, qui peuvent être libérés par l'enzyme β-lyase. De nos jours, ils gagnent en popularité en raison de leur contribution à l'arôme de la bière, malgré leur faible concentration (moins de 1% des huiles de houblon), ainsi que le faible seuil de perception (parties par trillion ou ng/L). Comme l'a déclaré le professeur Shellhammer, "les thiols sont 10 000 fois plus puissants que le géraniol, mais ils ne sont présents dans le houblon qu'en quantités infimes" [15]. Les trois molécules thiol les plus abondantes en brasserie sont le 3SH (3-sulfanyl-hexan-1-ol, également connu sous le nom de 3MH), qui donne des notes d'agrumes et de pamplemousse, sa forme acétate 3SHA (également connue sous le nom de 3MH-A), qui donne des notes de fruit de la passion et le 4MSP (4-méthyl-4-sulfanylpentan-2-one, également connu sous le nom de 4MMP), qui est responsable de l'arôme de cassis [16].
Au cours de la fermentation, la levure Saccharomyces cerevisiae est capable d'absorber et de segmenter les précurseurs pour libérer les thiols libres, comme la 4MSP, grâce à l'activité β-lyase (Figure 4). De plus, les levures ont différentes capacités à révéler les thiols volatils en fonction de leur fond génétique et de leurs activités enzymatiques correspondantes [17]. Les thiols sont bien connus dans la recherche sur le vin depuis des décennies par rapport à la bière, ce qui reflète que davantage d'études sont nécessaires pour comprendre leur grand potentiel dans l'arôme de la bière.

Figure 4. Exemple de conversion d'un précurseur inodore en un thiol volatil par une levure [17].

Autres interactions : Les interactions entre la levure et le houblon peuvent également entraîner des effets indésirables, qui dépendent principalement du régime de houblonnage à sec pendant la fermentation. L'ajout de houblon en post-fermentation est pratiqué dans de nombreuses brasseries, mais les levures ne peuvent alors pas contribuer à la biotransformation. Un bref résumé des considérations relatives à la durée du houblonnage à sec est présenté dans le tableau 2. Parfois, la biotransformation peut être confondue avec une autre interaction entre la levure et le houblon, connue sous le nom d'effet de "hop creep". Ce phénomène est essentiellement décrit comme la refermentation observée dans une bière entièrement atténuée après un houblonnage à sec, et ses premières études ont été publiées en 1893 par Brown et Morris. Comme détaillé précédemment, des molécules de glucose sont libérées par l'hydrolyse des glycosides, bien que cela ne présente pas de problème du point de vue du brasseur, puisqu'elles sont métabolisées pendant la fermentation. Cependant, l'effet "hop creep" implique également la libération de molécules de glucose par l'action des enzymes amylolytiques, naturellement présentes dans le houblon, qui ont la capacité de dégrader les hydrates de carbone non fermentescibles (matière dextrine) en sucres fermentescibles.

Dans la brasserie artisanale, la plupart des bières ne sont pas filtrées, ce qui signifie qu'il reste des cellules de levure en suspension dans le produit final. Par conséquent, la combinaison de glucose libre et de cellules de levure peut entraîner une fermentation dans une bière conditionnée, ce qui conduit à des bières trop carbonatées, à la présence de diacétyle et à une teneur en alcool plus élevée, ce qui pose un problème de qualité pour les bières houblonnées. Comme l'ont récemment suggéré Stokholm et Shellhammer (2020), plusieurs facteurs peuvent favoriser ou réduire l'effet de " hop creep " afin de surmonter ce problème dans les bières houblonnées à sec, notamment la conception de la recette (composition du moût), la sélection de la souche de levure (hautement ou faiblement floculante), sa suspension pendant le houblonnage à sec, la méthode de houblonnage à sec (temps de contact et température), entre autres [19].

Le potentiel d'interaction entre la levure et le houblon a suscité un intérêt accru ces dernières années, à tel point que certains fournisseurs de levures commerciales se sont efforcés de mieux comprendre la valeur potentielle des souches de levure disponibles dans le commerce pour influencer la biotransformation et avoir un impact sur l'arôme et la saveur de la bière. La figure 5 en est un exemple : des souches de levure de brasserie disponibles dans le commerce ont été caractérisées par leur activité β-glucosidase, par le biais d'un test d'enzyme sécrétée à température ambiante. Néanmoins, il existe également des enzymes associées aux cellules, qui peuvent contribuer à la biotransformation lorsque la levure et le houblon sont en contact pendant la fermentation. En ce qui concerne les souches de fermentation haute ou basse, Sharp et al. (2017) ont conclu que rien n'indique que les levures lager ou ale présentent des activités plus élevées l'une de l'autre [12].

Figure 5. Caractérisation de l'activité β-glucosidase dans les souches de levure de brasserie Lallemand [14].

L'utilisation d'enzymes β-glucosidases exogènes

Dans la même étude menée par Sharp et al, un nombre total de 80 souches de levure ont été testées et classées en fonction de leur capacité à transformer les composés du houblon [12]. Bien que les résultats ne soient pas très encourageants, l'ajout d'enzymes pures a également été étudié, montrant un potentiel de biotransformation plus intéressant que les enzymes sécrétées naturellement par la levure. Se référant à l'une de ses études, Shellhammer rapporte que "l'arôme de houblon représente probablement environ 90% de l'arôme total du houblon dans la bière et que les glycosides n'en représentent probablement que 10%". Cependant, il mentionne également qu'une partie importante de l'arôme du houblon peut être libérée par ces glycosides [15]. Plus récemment, Meiners et Cavanna (2020) ont également testé l'utilisation d'enzymes commerciales, telles que la β-glucosidase et la β-lyase, afin de stimuler la biotransformation des terpènes et des thiols, respectivement [20]. Les résultats ont montré que l'utilisation d'enzymes offre une réelle possibilité de modifier le profil aromatique et/ou gustatif des IPA, même si les recettes doivent être adaptées en fonction des variétés et des quantités de houblon.

Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre la complexité des réactions impliquées dans l'utilisation d'enzymes exogènes et leur impact sur le profil organoleptique de la bière. En outre, il est également important de prendre en compte les nombreux autres facteurs qui pourraient jouer un rôle, tels que la sélection de la souche de levure, l'année de récolte du houblon, la variété et la composition de l'huile, son point d'addition, le temps/la température de contact levure-houblon, entre autres. En résumé, l'univers de la biotransformation est assez fascinant, et la sélection adéquate des souches de levures, des variétés de houblons et de leurs utilisations, ainsi que l'ajout d'enzymes exogènes, offrent aux brasseurs de nouvelles possibilités d'explorer de nouveaux moyens d'obtenir des bières aux goûts et aux arômes exceptionnels.

Article rédigé par Joan Montasell, MSc, Dipl. Brew, Responsable Technico-Commercial Lallemand Brewing Espagne et Portugal, et publié précédemment dans Brewer and Distiller International : https://www.ibd.org.uk/ibd-publications/coffee-break/

Remerciements : Nous remercions l'équipe de Lallemand Brewing pour son soutien sans faille et tout particulièrement Chaz Rice (Mascoma) et Tobias Fischborn (Lallemand R&D) pour leurs contributions.

Table 1. Composition du houblon [1]

Table 2. Effets du dry-hopping en fonction du moment d'ajout.

Source: based on Sharp et al. (2016) [18].

RÉFÉRENCES
[1] Bamforth, C. W. (2004). Beer: Health and Nutrition (1st Ed.). Wiley-Blackwell Publishing.
[2] Almaguer, C., Schönberger, C., Gastl, M., Arendt, E. K., & Becker, T. (2014). Humulus lupulus - A story that begs to be told. A review. J. Inst. Brew., 120(4), 289-314. doi:10.1002/jib.160
[3] Eyres, G., and Dufour, J.-P. (2009). 22 - Hop essential oil: Analysis, chemical composition and odor characteristics. Editor(s): V. R. Preedy. In Beer in health and disease prevention (239-254). Elsevier Inc. doi:10.1016/B978-0-12-373891-2.00022-5
[4] Hanke, S. (2009). Linalool - A key contributor to hop aroma. MBAA - Global Emerging Issues.
[5] Takoi, K. et al. (2010). The contribution of geraniol metabolism to the citrus flavour of beer: synergy of geraniol and β‐citronellol under coexistence with excess linalool. J. Inst. Brew., 116(3), 251-260. doi:10.1002/j.2050-0416.2010.tb00428.x
[6] Kollmannsberger, H., Biendl, M., & Nitz, S. (2006). Occurence of glycosidically bound flavour compounds in hops, hop products and beer. Monatsschrift fur Brauwissenschaft, 59, 83-89.
[7] Barth-Haas (2019). Hop market update Barth-Haas Group (Last update Nov. 27th 2019).
[8] Lafontaine, S. and & Shellhammer, T. (2019). How hoppy beer production has redefined hop quality and a discussion of agricultural and processing strategies to promote it. MBAA TQ, 56(1), 1-12. doi:10.1094/TQ-56-1-0221-01
[9] King, A. J., and Dickinson, J. R. (2003). Biotransformation of hop aroma terpenoids by ale and lager yeasts. FEMS yeast research, 3, 53-62. doi:10.1016/S1567-1356(02)00141-1
[10] Liu, S.-Q. (2015). Impact of yeast and bacteria on beer appearance and flavour. Editor(s): A. E. Hill. In Brewing Microbiology (357-374). Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition. doi:10.1016/B978-1-78242-331-7.00017-4
[11] Takoi, K., Koie, K., Itoga, Y., Katayama, Y., Shimase, M., Nakayama, Y., & Watari, J. (2010). Biotransformation of hop-derived monoterpene alcohols by lager yeast and their contribution to the flavor of hopped beer. Journal of agricultural and food chemistry, 58, 5050-8. doi:10.1021/jf1000524
[12] Sharp, D. C., Steensels, J., & Shellhammer, T. H. (2017). The effect of hopping regime, cultivar and β ‐glucosidase activity on monoterpene alcohol concentrations in wort and beer. J. Inst. Brew., 123, 185-191. doi:10.1002/jib.418
[13] Opstaele, F., De Rouck, G., Janssens, P., & Montandon, G. (2020). An exploratory study on the impact of the yeast strain on hop flavour expressions in heavily hopped beers: New England IPA. BrewingScience. 73, 26-40. doi:10.23763/BRSC20-04OPSTAELE
[14] Lallemand (2017). Best Practices: Biotransformation. Retrieved from www.lallemandbrewing.com/wp-content/uploads/2017/03/LAL-bestpractices-Biotransformation-digital-1.pdf
[15] Bullen, C. (2019, January 2). An uncharted wilderness - Understanding hop compound biotransformation. Retrieved June 6, 2020, from Good Beer Hunting: www.goodbeerhunting.com/blog/2018/12/19/an-uncharted-wilderness-understanding-hop-compound-biotransformation
[16] Hieronymus, S. (2018, Sep 19). The complex case of thiols. Retrieved Jun 7, 2020, from Craft Beer & Brewing Website: www.beerandbrewing.com/the-complex-case-of-thiols
[17] Lallemand (2019). Sauvy™ - The thiolic yeast. Internal communication, Lallemand Oenology.
[18] Sharp, D., Vollmer, D., Shellhammer, T. (2016). Recent advances in controlling flavor and aroma in hoppy beers. Craft Brewers Conference . Philadelphia, Pennsylvania.
[19] Stokholm, A. and Shellhammer, T. H. (2020). Hop Creep - Technical Brief. Brewers Association. Retrieved from www.brewersassociation.org/educational-publications/hop-creep-technical-brief
[20] Meiners, L. and Cavanna, M. (2020). Using exogenous enzymes to boost biotransformation. MBAA TQ, 57(1), 33-36. doi:10.1094/TQ-57-1-0330-01.
[21] Praet, T., Van Opstaele, F., Jaskula-Goiris, B., Aerts, G., & De Cooman, L. (2012). Biotransformations of hop-derived aroma compounds by Saccharomyces cerevisiae upon fermentation. Cerevisia, 36(4), 125-132. doi:10.1016/j.cervis.2011.12.005

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