Blanche, brune, blonde ou rousse ?

Lors de la fermentation, les levures provoquent la transformation du sucre avec dégagement de gaz carbonique et la production d'éthanol. Elles agissent sur le moût et sur les acides aminés qui enfin détermineront la saveur de la bière en se transformant en composés aromatiques.

La couleur de la bière dépend essentiellement du malt utilisé, son arôme des conditions de fermentation.

L’objectif économique du brasseur est de réduire le temps de fermentation en préservant les arômes.

Fabrication de la bière

Monsieur Damien Steyer, responsable de Twistaroma, une startup innovante proposant un service de caractérisation et de dosage des composés volatils olfactifs et du pouvoir antioxydant des boissons et Monsieur Behnam Taidi, professeur de biotechnologie à CentraleSupélec, ont avec leurs équipes effectué une recherche pour le compte d’un brasseur dans l'objectif de mesurer l'influence des acides aminés sur les arômes et la vitesse de fermentation.

Damien Steyer (Twistaroma) et Benham Taidi (LGPM CentraleSupélec)

La problématique

L’enjeu est de mesurer l'effet de la concentration des acides aminés, isolément ou en combinaison, sur la vitesse de fermentation et la production de composés volatils à l'origine des arômes.

Le nombre d'acides aminés à étudier est conséquent. Le but est de se concentrer sur les acides aminés ayant le plus d’influence sur la vitesse de fermentation et la production de composés volatiles. L’équipe a recours à la fonction plan d'expériences de Minitab pour identifier les facteurs les plus importants.

Classification des acides aminés dans le moût de bière et temps de fermentation

La contribution de Minitab

L’équipe opte pour un plan factoriel de Plackett Burman. En effet, ce type de plan permet d’examiner 8 à 47 facteurs et d’identifier les plus importants au début de la phase d'expérimentation. C’est un plan de criblage car il permet de débroussailler et d’éviter de réaliser des essais improductifs avec des acides aminés dont la concentration n’a pas d’effet significatif. Le plan de Plackett Burman étudie les effets principaux, pas les interactions entre facteurs, il doit être complété par des analyses complémentaires.

Le menu Assistant de Minitab sur les plans d’expériences : un guide pour vous aider à réduire le nombre d’essais, à les planifier puis à analyser leurs résultats.

Illustration de la matrice du plan d’expériences

L’équipe réalise un plan de Plackett Burman à 24 essais avec un point au centre, soit 25 essais au total, réduisant de moitié le nombre d’expérimentations. Le point central représente l’essai expérimental réalisé avec tous les niveaux de facteurs définis à mi-chemin entre les valeurs minimales et maximales.

Matrice des essais

Lorsque vous créez un plan factoriel dans Minitab, une représentation visuelle des résultats vous est proposée pour déterminer l'importance d'un effet, il s’agit du diagramme de Pareto. Il affiche la valeur absolue des effets et trace une ligne de référence. Tout effet qui s'étend au-delà de la ligne de référence est significatif d'un point de vue statistique. Dans le diagramme ci-dessous, seuls les effets principaux sont affichés puisque le plan de Plackett Burman n’examine pas les interactions. L’effet de l’acide aminé Lysine sur la vitesse de fermentation peut être considéré comme significatif.

Diagramme de Pareto des effets de trois acides aminés sur le temps de fermentation

Les résultats des essais sont analysés, la Lysine apparaît comme un acide aminé influent avec un modèle de régression dont le R² est de 90%, ce qui signifie que 90% de la variation du temps de fermentation est expliqué par les acides aminés présents dans le modèle.

Diagramme des effets

Afin d’affiner l’analyse, d’étudier les interactions entre facteurs et de modéliser la relation entre la réponse (ici la vitesse de fermentation) et les prédicteurs que sont les acides aminés, l’équipe a eu recours à la régression dans Minitab et plus spécifiquement la régression pas à pas en conservant la Lysine dans le modèle ; en retirant et ajoutant tour à tour chaque acide aminé pour vérifier les interactions et déterminer les combinaisons d’acides aminés ayant une influence notable.

La régression pas à pas supprime des termes du modèle et lui en ajoute dans le but d'identifier un sous-ensemble utile de termes.

Minitab propose trois procédures courantes : la procédure pas à pas standard (ajout et suppression de termes), ascendante (ajout de termes) ou descendante (suppression de termes).

Si vous sélectionnez une procédure pas à pas, les termes que vous spécifiez dans la boîte de dialogue « Modèle » sont des candidats pour le modèle final ; comme suit par exemple :

Régression pas à pas dans Minitab

Dans les résultats de cette analyse de régression, Minitab fournit une équation permettant de calculer le temps nécessaire pour parvenir à la fermentation en fonction de la concentration des acides aminés les plus influents. L’équipe a ensuite appliqué la même démarche pour déterminer l’effet des acides aminés sur la production de composés volatiles responsables des arômes.

Résultats

Grâce aux techniques des plans d’expériences et de la régression pas à pas appliquées à l’aide de Minitab, l’équipe a pu déterminer sur quels acides aminés jouer pour augmenter la vitesse de fermentation. Elle a prouvé que doubler la concentration de la Lysine permet d’augmenter la vitesse de fermentation d’une part ; et la production de certains composés volatiles d’autre part. L’ajout d’autres acides aminés spécifiques réduit également le temps nécessaire à la fermentation mais entraîne une modification de l’arôme de la bière.

Etant donné que la concentration en acides aminés du moût est liée aux céréales qui le composent, l’étude de l’influence des acides aminés sur la fermentation permet également de sélectionner les meilleures variétés d’orge en fonction de leurs concentrations en acides aminés.

Le brasseur a ainsi une solution scientifique à l’élaboration de bières qui répondent aux contraintes de la production tout en satisfaisant le consommateur.

Organisations

Twistaroma et le laboratoire Génie des procédés et matériaux de CentraleSupélec

Présentation

  • Twistaroma propose, grâce à ses propres solutions analytiques innovantes, un service de caractérisation et de dosage des composés volatils olfactifs et du pouvoir antioxydant présents dans le vin, le moût de raisin, le champagne, le cidre, le whisky, la bière, les jus de fruits ou matrice liquide
  • Le laboratoire LGPM de CentraleSupélec intervient sur deux champs d'investigation en étroite interaction : le Génie des Procédés et les Matériaux. Modélisation, simulation et expérimentation sont les mots clés communs aux différents thèmes de recherche

Le défi

L’objectif est de mesurer l'influence des acides aminés sur les arômes et la vitesse de fermentation

Produits utilisés

Minitab® Statistical Software

Résultats

  • Les concentrations en acides aminés ont une influence sur la performance de la fermentation et l’arôme
  • Les concentrations en acides aminés diffèrent d’une variété de céréales à l’autre
  • Il serait donc envisageable de sélectionner les meilleures variétés d’orge en fonction des concentrations en acides aminés

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