La Biotransformation

Longtemps restée un “secret de fabrication” intuitif, elle est aujourd’hui au cœur de la création des bières modernes, notamment les NEIPA et les bières très aromatiques.

Dans le monde du brassage, la fermentation n’est plus seulement vue comme la conversion du sucre en alcool et en CO2 . C’est un véritable laboratoire chimique où la levure interagit avec les composés du houblon pour créer de nouveaux arômes qui n’existaient pas au préalable.

  1. Qu’est-ce que la biotransformation ?

La biotransformation désigne la modification chimique de composés organiques par des micro-organismes. Dans la bière, cela concerne principalement l’action des enzymes de la levure sur deux types de molécules issues du houblon : les terpènes et les thiols.

  1. Les mécanismes clés :
Les 3 processus de biotransformation

Trois procédés biochimiques de biotransformation – HOPSTORE

La conversion des alcools terpéniques : Reductase

Les huiles de houblon sont riches en géraniol (rose/floral). Durant la fermentation active, la levure peut transformer le géraniol en citronellol (agrume/citronnelle). Ce processus modifie radicalement le profil olfactif de la bière.

C’est une modification de la structure moléculaire. Le Géraniol (odeur de rose) est le précurseur principal. Sous l’action des réductases de la levure, il subit une transformation :

  1. Géraniol  -> Citronellol : La levure réduit la double liaison du géraniol. Le citronellol a une odeur de citron/agrume beaucoup plus fraîche.
  2. Nérol  ->  Géraniol : La levure peut isomériser le nérol en géraniol, augmentant ainsi le potentiel floral avant de le transformer à nouveau.

L’Hydrolyse des Glycosides : la beta-glucosidase

Beaucoup de terpènes sont “prisonniers” : ils sont liés à une molécule de sucre (souvent du glucose). On appelle cela des glycosides. Sous cette forme, la molécule est trop lourde pour s’évaporer  (donc aucune odeur).

La levure produit une enzyme, la beta-glucosidase, qui agit comme un ciseau chimique. Elle coupe le lien glycosidique, libérant ainsi le terpène aromatique dans la bière.

La Libération par la Beta-lyase

Les thiols sont des composés soufrés organiques. Ils sont responsables des notes de fruit de la passion, goyave et buis.

Le mécanisme du précurseur lié

Dans le houblon, les thiols sont majoritairement présents sous forme de précurseurs liés à la Cystéine ou au Glutathion. Exemple : le 3-sulfanylhexan-1-ol (3SH) est lié à la cystéine (Cys-3SH).

La levure entre en jeu avec l’enzyme  beta-lyase :

  1. La levure absorbe le précurseur (Cys-3SH) à travers sa membrane cellulaire.
  2. L’enzyme Beta-lyase casse la liaison carbone-soufre de la cystéine.
  3. Le thiol libre (3SH) est relâché dans le moût.

La plupart des souches de Saccharomyces cerevisiae possèdent le gène (IRC7) codant pour cette enzyme, mais il est souvent “éteint” ou peu efficace. C’est pourquoi les laboratoires sélectionnent ou modifient des souches.

Ces enzymes sont produites par la levure pour son propre métabolisme (souvent pour récupérer du carbone ou de l’azote). Une fois que la fermentation est terminée et que la levure entre en dormance (floculation), la production d’enzymes chute. C’est pour cela que le Dry Hopping doit avoir lieu pendant que la levure est très active.

 

L’équilibre chimique du moût

L’équilibre chimique du moût (pH, nutriments) peut favoriser l’expression de ces enzymes spécifiques : Pour optimiser ces réactions de chimie organique, le brasseur doit agir sur l’environnement physico-chimique dans le fermenteur.

La levure est une machine biologique complexe : ses enzymes ne fonctionnent de manière optimale que sous certaines conditions de pH, de température et de disponibilité en co-facteurs.

  1. L’influence du pH sur l’activité enzymatique

Le pH du moût évolue drastiquement pendant la fermentation (passant de ~5.2 à ~4.2). Or, chaque enzyme impliquée dans la biotransformation possède un optimum catalytique :

  • La beta-glucosidase : Son activité est généralement maximale autour d’un pH de 5.0.
  • La beta-lyase : Très sensible à l’acidité, son activité est souvent inhibée dans les milieux trop acides.

Conseil : Remonter légèrement le pH avec du bicarbonate de potassium en fin de fermentation pour maintenir une activité enzymatique et limiter l’astringence du houblon.

  1. Co-facteurs et Nutriments : Le rôle des ions métalliques

Les enzymes comme la  beta-lyase sont souvent des métalloenzymes. Elles ont besoin de co-facteurs pour fonctionner, notamment :

  • Le Magnésium ( Mg2+) : Essentiel pour de nombreuses réactions de transfert de phosphate et l’activation de la glycolyse, ce qui maintient la levure assez vigoureuse pour métaboliser les terpènes.
  • Le Zinc ( Zn2+) : Un co-facteur critique pour l’alcool déshydrogénase et d’autres enzymes de bioconversion. Un moût carencé en zinc ralentira par exemple la transformation du géraniol en citronellol.

  1. L’Inhibition par le Glucose 

C’est un point de chimie organique fondamental : la répression par les sucres.

De nombreuses souches de levures n’expriment les gènes de la beta-glucosidase que lorsque les sucres simples (glucose) sont épuisés.

Conseil : Si vous houblonnez trop tôt (dès l’ensemencement), la présence massive de glucose peut “éteindre” la production d’enzymes de biotransformation. Le moment idéal se situe souvent à 24-48h, lorsque le glucose est consommé mais que la fermentation des sucres complexes (maltose) bat son plein.

 

 

Les Précurseurs de Thiols

Si vous avez déjà senti un sac de houblon de Nelson Sauvin, vous avez perçu des notes de raisins blanc. Pourtant, ce même houblon peut donner à la bière finie des arômes explosifs de fruit de la passion ou de goyave. Ce décalage s’explique par les précurseurs de thiols : des molécules inodores présentes dans le houblon qui ne révèlent leur potentiel aromatique qu’après une intervention enzymatique précise.

La Nature Chimique des Précurseurs

Dans le houblon, les thiols libres (aromatiques) ne représentent qu’une fraction infime (moins de 1%). La grande majorité est verrouillée sous forme de précurseurs non-volatils.

Les deux formes majeures :

Les thiols sont principalement liés à deux molécules organiques qui les “emprisonnent” :

  1. La S-Cystéine (Cys-) : Le thiol est lié à cet acide aminé. C’est la forme la plus directe pour la biotransformation.
  2. Le Glutathion (G-) : Une molécule plus complexe (tripeptide). C’est le réservoir le plus abondant, mais il nécessite deux étapes de transformation avant de libérer l’arôme.

Les cibles aromatiques :

  • 3SH (3-sulfanylhexan-1-ol) : Apporte des notes de fruit de la passion et de pamplemousse rose.
  • 4MMP (4-méthyl-4-sulfanylpentan-2-one) : Apporte des notes de bourgeon de cassis et de buis.Le Mécanisme de Libération (La Biotransformation)

Le processus intracellulaire :

  • Transport : La levure doit d’abord faire entrer le précurseur (souvent la Cys-3SH) à l’intérieur de sa cellule via des transporteurs d’acides aminés.
  • Clivage : L’enzyme  beta-lyase casse la liaison Carbone-Soufre ( C-S ).
  • Libération : Le thiol désormais libre et volatil (3SH) ressort de la cellule et se dissout dans la bière

 

Les variétés de houblons à privilégier :

Les houblons riches en précurseurs liés (Cys-3SH / G-3SH) :

Ces houblons sont parfaits pour un ajout à l’empâtage (Mash Hopping) ou en début de fermentation :

  • Cascade : Le champion incontesté des précurseurs. C’est le meilleur rapport qualité/prix pour “charger” un moût en thiols latents.
  • Saaz : Très riche en précurseurs de type 3SH, malgré son profil aromatique noble et herbacé au naturel.
  • Perle : Étonnamment riche en précurseurs de fruits tropicaux.
  • Calypso : Contient des niveaux très élevés de précurseurs liés.
  • Hallertau Blanc : Une source majeure de précurseurs rappelant le vin blanc (Sauvignon Blanc).

 

Les Houblons de “Nouvelle Génération” (Thiols libres + Précurseurs)

Ces variétés apportent des arômes immédiats et fournissent aussi du carburant pour la biotransformation.

  • Nectaron (NZ) : Riche en thiols libres (4MMP) et en précurseurs.
  • Nelson Sauvin (NZ) : La référence pour les notes de raisin de cuve et de fruit de la passion.
  • Motueka (NZ) : Très riche en formes liées qui rappellent le citron vert et les fruits tropicaux.

Conseil : Si vous voulez maximiser les thiols avec des houblons européens, je vous conseille :

  1. Utilisez un ancien millésime de Perle ou de Cascade à l’empâtage (Mash Hopping) pour libérer les précurseurs dans le moût à moindre coût.
  2. Utilisez du Hallertau Blanc en Whirlpool à 80°C.
  3. Ensemencez avec une levure de chargée en Beta-Lyase et en Beta-Glucosidase

 

Focus sur le Mash Hopping

Le Mash Hopping (houblonnage à l’empâtage) est la technique ultime pour extraire les précurseurs de thiols. Contrairement au houblonnage classique qui vise les huiles volatiles (terpènes), ici, on cherche à solubiliser des molécules lourdes et stables : les thiols liés au Glutathion.

Voici un guide technique pour réussir cette étape :

  1. Les paramètres physico-chimiques du Mash Hopping

L’objectif est de transférer les précurseurs du houblon vers le moût avant même l’ébullition.

  • Le moment : Ajoutez le houblon dès le début de l’empâtage, juste après avoir mélangé le grain et l’eau.
  • La température : Les précurseurs de thiols (S-conjugués) se dissolvent parfaitement entre 62°C et 68°C. À cette température, vous n’extrayez pas d’amertume (les acides alpha ne sont pas isomérisés).
  • Le pH : Maintenez un pH d’empâtage standard entre 5.2 et 5.4. Un pH trop élevé pourrait extraire des polyphénols (astringence) de la matière végétale du houblon.
  • Le dosage : Visez environ 2 à 4 g de houblon par litre de bière finale. Pour 20L, prévoyez entre 40g et 80g de houblon riche en précurseurs (Saaz, Cascade FR, Motueka).

  1. Pourquoi ça ne “s’évapore” pas à l’ébullition ?

C’est la question que se posent tous les brasseurs. Les arômes de houblon sont normalement très volatiles, mais les précurseurs de thiols liés sont des molécules non-volatiles.

  • Ils sont “alourdis” par la molécule de sucre ou d’acide aminé à laquelle ils sont attachés.
  • Ils restent donc dans le moût pendant toute l’ébullition.
  • C’est seulement une fois dans le fermenteur que la levure “coupera” ce lien pour rendre le thiol volatil (et donc odorant).

  1. Le risque d’oxydation :

Le plus grand danger du Mash Hopping est l’oxydation. Le moût chaud est une éponge à oxygène, et les thiols détestent ça.

  • L’astuce des polyphénols : Le fait d’ajouter du houblon à l’empâtage apporte des antioxydants naturels qui protègent le moût pendant le transfert.
  • Le “Hot Side Aeration” : Évitez de faire éclabousser le moût lors du transfert vers la cuve d’ébullition. Utilisez des tuyaux qui arrivent au fond des cuves.

Le Mash Hopping ne remplace pas le Dry Hopping. C’est une fondation chimique. Visez 15% à 20% de votre charge totale de houblon pour le Mash Hopping.

Focus sur les enzymes

Si vous ne souhaitez pas changer votre souche de levure préférée (par exemple, si vous tenez absolument à utiliser une US-05 ou une WLP001 qui ne sont pas naturellement très actives sur les thiols), vous pouvez ajouter des enzymes exogènes. C’est une pratique courante en œnologie qui se démocratise chez les brasseurs artisanaux.

En brasserie, l’enzyme que nous recherchons est la  beta-lyase. Cependant, elle est rarement vendue “pure”. On la trouve souvent intégrée dans des préparations enzymatiques.

Les références du marché :

  • Aromazyme (Lallemand) : C’est la référence la plus accessible pour les brasseurs. Elle contient des beta-glucosidases qui libèrent les terpènes et aide à l’expression aromatique globale.
  • Rapidase Revelation Aroma (DSM) : Très utilisée par les vignerons, cette enzyme possède une forte activité de clivage des précurseurs de thiols. Elle fonctionne très bien dans le moût de bière.
  • Enzymes de type “Thiol-Lib” : Certains fournisseurs spécialisés commencent à commercialiser des mélanges spécifiques de glycosidases et de lyases pour maximiser le 3SH.

Quand et comment ajouter l’enzyme ?

Pour que l’enzyme soit efficace, elle doit agir pendant que le milieu est encore en mouvement et avant que le pH ne descende trop bas.

  1. Le moment idéal : Ajoutez l’enzyme au moment de l’ensemencement (quand vous mettez la levure). L’enzyme commencera à casser les précurseurs du houblonimmédiatement.
  2. La température : Les enzymes fonctionnent parfaitement aux températures de fermentation classiques (18°C – 22°C).
  3. Le dosage : Généralement très faible, environ 5g pour 100 litres (référez-vous toujours à la fiche technique du fabricant).

 

Autres techniques à prendre en compte

  1. Le Whirlpool à basse température (80°C)

Les thiols libres (déjà odorants) sont extrêmement volatils et sensibles à la chaleur.

Après l’ébullition, refroidissez votre moût jusqu’à 80°C avant d’ajouter vos houblons de whirlpool.

À cette température, l’isomérisation des acides alpha (amertume) s’arrête quasiment, mais surtout, vous limitez l’évaporation des thiols fragiles tout en permettant une extraction optimale des précurseurs restants.

  1. Le “Dip Hopping” : La technique japonaise

Inventée par la brasserie Kirin, cette technique consiste à placer du houblon dans le fermenteur avant d’y envoyer le moût, puis à verser le moût chaud (environ 75-80°C) par-dessus.

Cela permet une extraction par infusion rapide. Mais surtout, le fait de commencer la fermentation immédiatement après permet de “chasser” l’oxygène par le CO2 produit par la levure, protégeant ainsi les thiols de l’oxydation précoce.

  1. La lutte contre l’oxydation (Low Oxygen Brewing)

Les thiols (comme le 3SH) possèdent une fonction soufre qui s’oxyde très facilement en disulfures, lesquels sont totalement inodores.

L’utilisation de métabisulfite de potassium (KMS) ou d’acide ascorbique (Vitamine C) en très petites quantités dans l’eau d’empâtage permet de piéger l’oxygène qui détruirait les thiols du houblon dès les premières minutes.

Purgez systématiquement vos fermenteurs et vos tuyaux au CO2. Un seul contact avec l’air peut diviser par deux la perception aromatique des thiols.

Le fait de fermenter sous pression est également un bon moyen de conserver les molécules aromatiques dans la bière. Attention toute fois à conserver une pression “viable” pour les levures (ex: 1 bar).

  1. Le “Phantasm” ou les peaux de raisins

Si vous voulez passer au niveau supérieur, l’ajout de poudre de Phantasm (peaux de raisin Sauvignon Blanc) ou de rafles de raisin au Whirlpool apporte une concentration de précurseurs (3SH) impossible à obtenir uniquement avec du houblon. C’est le “carburant” le plus puissant.

  1. Le Dry Hopping (Early Dry Hop)

Pour maximiser la biotransformation, le moment du houblonnage à cru est vital.

Ajoutez votre houblon de Dry Hop quand il reste environ 2 à 3 points de densité avant la fin de la fermentation (souvent au jour 2 ou 3).

La levure est encore assez active pour cliver les derniers précurseurs apportés par ce houblon frais, tout en consommant l’oxygène introduit lors de l’ouverture du fermenteur.

 

Le cas du BIO

Dans le cadre de la certification BIO (Agriculture Biologique) selon le règlement européen, l’utilisation d’additifs ou d’ingrédients issus du raisin (comme les peaux, les moûts ou les extraits) est encadrée par deux principes majeurs : l’origine certifiée du produit et son rôle dans la recette.

Les ingrédients agricoles (Ex : Peaux de raisin)

Si vous utilisez des peaux de raisin déshydratées (comme le produit Phantasm) ou des marres de raisin frais pour apporter des précurseurs de thiols :

  • Certification obligatoire : Le produit doit être lui-même certifié BIO. Vous ne pouvez pas introduire de la poudre de raisin conventionnelle dans une bière certifiée AB.
  • La règle des 95% : Pour porter le logo BIO européen, 95% des ingrédients d’origine agricole doivent être certifiés. Si votre raisin est bio, il entre dans ce calcul au même titre que le malt ou le houblon.
  • Le cas du Phantasm : À ce jour, la poudre de Phantasm classique est issue de vignobles de Marlborough qui ne sont pas tous certifiés BIO. Il existe cependant des alternatives (marres de raisins de vignerons locaux en bio) qui remplissent parfaitement ce rôle.

Les enzymes (Aromazyme, beta-lyase)

  • Statut des auxiliaires de fabrication : Dans le règlement BIO, les enzymes sont considérées comme des “auxiliaires de fabrication”.
  • Origine non-OGM : Pour être autorisée en BIO, une enzyme ne doit pas être produite par ou à partir d’Organismes Génétiquement Modifiés (OGM).
  • Non-Ionisation : Pour être autorisée en BIO, une enzyme ne doit pas avoir été ionisée.
  • Disponibilité : Vous devez vérifier auprès de votre organisme certificateur que l’enzyme spécifique figure sur leur liste des auxiliaires autorisés. La plupart des enzymes œnologiques classiques sont acceptées si elles sont garanties sans OGM et sans additifs de conservation non autorisés (comme certains sulfites ou benzoates).

Les extraits et arômes

  • Arômes naturels : Si vous utilisez un “extrait de précurseurs” sous forme liquide, il doit être étiqueté comme “Arôme naturel de [XX]” et au moins 95% de la partie aromatique doit provenir de la source mentionnée (ex : le raisin).
  • Interdiction des solvants : L’extraction ne doit pas avoir été réalisée avec des solvants chimiques interdits en bio (comme l’hexane). Seuls l’eau, l’éthanol ou le CO2  sont généralement admis.

 

Avant de vous lancer, il est préférable de faire valider les produits que vous pensez utiliser par votre organisme certificateur. Que ce soit une levure, un concentré d’enzymes, des sels minéraux, …

Et au moment de l’achat de tous ces produits, assurez-vous que votre fournisseur est certifié et que les produits qu’il propose le sont aussi.

 

Bibliographie / Liens utiles

Voici la compilation des références scientifiques, techniques et commerciale.

Références Scientifiques (Études Piliers)

Ces articles constituent le fondement de la compréhension de la bioconversion des terpènes et de la libération des thiols.

  • Takoi et al. (2010) : Synergistic Effects of Hop-Derived Volatile Compounds
  • Holt et al. (2011) : The Impact of beta-lyase Activity on Tropical Aroma
  • King & Dickinson (2003) : Biotransformation of Hop Terpene Alcohols
  • Belda et al. (2017) : Microbial Contributions to Wine and Beer Aroma

Souches de Levures

Voici les liens vers les spécifications des fournisseurs pour les souches optimisées pour la biotransformation.

Précurseurs de Thiols et Produits Innovants

Concepts Techniques et Méthodes (Vulgarisation)

  • Scott Janish – “The New IPA”
  • Omega Yeast – “The Mash Hopping Project”

Documents Réglementaires et Synthèses 

  • Règlement (UE) 2021/1165 (Additifs et Enzymes en Bio)
    • Pour vérifier l’usage des enzymes exogènes ( \beta -glucosidase) en production biologique.
    • Lien EUR-Lex