Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie des procédés et de l'environnement : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 190 réf.

Oenococcus oeni est la principale espèce de bactérie lactique d’intérêt oenologique, elle réalise la plupart des fermentations malolactiques. Les souches d’O. oeni ont souvent été étudiées dans le but de sélectionner des levains malolactiques. Ces souches possèdent des caractéristiques génétiques, et phénotypiques variées. Néanmoins, l’utilisation de différentes méthodes de typage n’a pas permis à ce jour d’obtenir une image exhaustive de la diversité oenologique de cette espèce. L’intérêt grandissant des viticulteurs pour mieux maitriser les FML spontanées nécessite de mieux connaitre cette diversité.La population de souches indigènes d’O. oeni présentes dans les FML de différentes régions a été étudiée, pour tenter d’obtenir une image plus complète de la diversité de cette espèce et savoir s’il serait pertinent de sélectionner des souches de régions ou d’exploitations. L’analyse d’un très grand nombre de vins a mis en évidence la présence de souches spécifiques aux régions, appellations, produits et exploitations étudiées. Un génotypage à l’aide de SNP a permis de les classer dans les groupes génétiques déjà connu et a confirmé l’existence de groupes spécifiques à un type de produit. Certaines de ces groupes rassemblent des souches présentant des comportements phénotypiques et des capacités fermentaires similaires. En complément de l’analyse de diversité, des essais ont été menés pour proposer des protocoles de production de souches et d’utilisation de lies pour améliorer la réalisation des FML spontanées. L’ensemble de ces travaux soulignent la grande diversité génétique de l’espèce O. oeni, l’étude des souches spécifiques de type de vin pourrait aider à comprendre son adaptation à cet environnement. / Oenococcus oeni is the main species of lactic acid bacteria of oenological interest, it performs most of malolactic fermentation. O. oeni strains have often been studied to select malolactic starters. These strains have various genetic and phenotypic characteristics. However, the use of different typing methods failed so far to obtain a complete picture of the enological diversity of this species. The growing interest of winegrowers to better control the spontaneous requires a better knowledge of this diversity.The population of indigenous O. oeni strains present during MLF in different regions has been studied in an attempt to obtain a more complete picture of the diversity of the species and to know whether it would be appropriate to select strains of regions or wineries. The analysis of a large number of wines showed the presence of strains specific to wineproducing areas, different kind of wines, and wineries. SNP Genotyping allowed us to classify these strains in the already known genetic groups and confirmed the existence of specific groups to a specific kind of product. Some of these strains belonging to the same specific genetic groups showed similar behavior and technological properties. In addition to the diversity analysis, trials of production of strains and use of lees to ameliorate the MLF have been done to improve the achievement of spontaneous MLF. Taken together, these studies emphasize the high genetic diversity of the species O. oeni, the study of specific strains of type of wine could help understand the adaptation of this species to this environment.

Les bactériophages (ou phages) sont des prédateurs de bactéries et sont redoutés dans les productions agro-alimentaires mettant en œuvre des fermentations. En œnologie, la transformation du jus de raisin en vin fait appel à différents types de fermentation. La fermentation alcoolique est réalisée par des levures, et peut être suivie par une fermentation malolactique (FML), notamment pour les vins rouges, afin d’améliorer la stabilité microbiologique et les qualités organoleptiques du produit. La bactérie lactique OEnococcus oeni (O. oeni) appartient à la famille des Leuconostocaceae et est l’acteur principal de la FML. Des souches d’O. oeni sont utilisées comme levain malolactique, et inoculées dans le vin pour mieux maitriser les fermentations. O. oeni rencontre dans son environnement des phages spécifiques appelés oenophages. Toutefois, bien que la présence de ces oenophages ait été constatée, leur diversité reste à ce jour peu explorée, tout comme leurs implications dans l’élaboration du vin. Une fréquence élevée de la lysogénie a été observée dans l’espèce et parmi les levains commercialisés. Les risques associés a la présence de phages ou à la lysogénie sont des paramètres peu abordés dans la filière. Afin de répondre à ces interrogations, dans un premier axe, la diversité des oenophages a été étudiée en isolant des phages à partir d’une large collecte d’échantillons œnologiques menée dans le sud-ouest de la France. L’analyse d’échantillons de différents types de vin, de différents cépages, collectés à différentes étapes de la vinification nous a permis de mettre en lumière une diversité génomique des oenophages non suspectée. Nous avons initié le développement de nouveaux outils moléculaires pour étudier la dynamique des populations bactériennes et phagiques dans le contexte œnologique. Ainsi, une première approche par Digital Droplet PCR a été utilisée pour détecter et quantifier les populations lysogènes. Dans un deuxième axe, l’interaction phage-hôte en présence de composés phénoliques du vin a été étudiée. Les travaux suggèrent que la croissance d’O. oeni en présence de certains flavonols et acides phénoliques réduit la capacité d’adsorption des phages sur leur hôte. / Bacteriophages are viral predators of bacteria and a major concern in fermentations involved in food processing industry. In winemaking, transformation of grape juice into wine involves different types of fermentations. Alcoholic fermentation is driven by yeasts, and can be followed by malolactic fermentation (MLF), especially for red wines, which can improve microbial stability and sensorial quality of wine. The lactic acid bacterium OEnococcus oeni (O. oeni), member of Leuconostocacae family, is generally responsible for the MLF process. Strains of O. oeni are also used as starters to master MLF. O. oeni encounters specific phages called oenophages. Even though the presence of oenophages has been observed, their diversity remains poorly investigated, just like their implications in winemaking. However, high frequency of lysogeny has been observed among O. oeni strains and starters. Risks linked with the presence of phages and lysogeny are questioned in the sector. In the first part of this thesis, oenophages diversity has been studied with the isolation of a large number of phages during the collection of a broad range of oenological samples in South West France. Analysis of samples coming from different wine types and varieties, collected at different steps of winemaking enabled us to highlight an underestimated genomic diversity. We also initiated the development of new molecular tools to study population dynamics among phages and hosts in the winemaking context. Thus, a first approach by Digital Droplet PCR has been used to detect and quantify lysogenic strains. In the second part, phage-host interactions in the presence of wine phenolic compound were investigated. Our results suggest that growth of O.oeni cells in the presence of particular flavonols and phenolic acids reduces adsorption capacities of phages on their host.

L’objectif de cette thèse est d’étudier le rôle de la fermentation malolactique (FML) sur l’arôme fruité des vins rouges. Les bactéries lactiques (BL) modifient la composition du vin mais il n’existe pas de consensus concernant spécifiquement cette famille aromatique. Contrairement aux idées empiriques sur la FML, ce travail a démontré l’absence à court terme d’un " masque lactique ", cependant l’apparition d’une telle interaction olfactive pourrait être plus tardive. Par contre, il est montré l’existence d’un masque proche de la note de réduction, de type fumé/grillé, dont la caractérisation n’a pas été effectuée dans cette étude.Le suivi des principaux marqueurs fruités du vin (70 molécules) a été rendu possible par le développement des méthodes d’analyse chromatographique en phase gazeuse couplée à la microextraction sur phase solide (esters, C13-norisoprénoïdes, lactones, thiols). En particulier, une " base de données esters " (32 composés) a rendu plus robuste l’ensemble des variations constatées au cours du développement des BL. En effet, les modifications des teneurs en esters sont démontrées comme un processus majeur de la balance de la note fruitée au cours de la FML. Cette fermentation permet à court terme, aussi bien la synthèse que l’hydrolyse des esters grâce aux activités estérases et, à plus long terme, la formation tardive d'esters éthyliques d'acides branchés issus du catabolisme de certains acides aminés. La spécificité des estérases vis-à-vis de la nature et de la longueur de la chaîne carbonée des esters est mise en évidence, ainsi que l'importance de la disponibilité des substrats, liée en partie à l'activité des levures.L’étude de l’influence des souches de BL et de la co-inoculation levures/bactéries a permis de confirmer le rôle clé des interactions entre les microorganismes, ainsi que l’importance de la composition de la matrice vin. / The aim of this thesis is to study the role of malolactic fermentation (MLF) on the fruity aroma of red wines. Lactic acid bacteria (LAB) modify wine composition but there is no consensus concerning this aromatic group specifically. In opposition to empirical ideas on MLF, this work has demonstrated the absence, in short-term, of a “lactic-mask” although this kind of olfactory interaction may still occur in a later stage of wine development. Nevertheless, the existence of a smoked/toasted reduction-like mask note was proved. Its characterization has not been done in this work. The survey of the main fruity markers of wine (70 compounds) was made possible by the development of several gas chromatography coupled with solid-phase microextraction analytical methods (esters, C13-norisoprenoids, lactones, thiols). In particular, the creation of an “ester database” (32 compounds) has improved the detection of variations during LAB development in terms of analysis robustness. In fact, changes on esters contents are proved to be responsible for a major part of fruity notes evolution during MLF. Initially, this fermentation allows both synthesis and hydrolysis of esters as a consequence of esterase activity. Moreover, it promotes late-production of ethylic esters through the catabolism of certain aminoacids. Esterases specificity towards nature and size of the esters carbon chain is pointed out along with substrates availability, partially related to yeast activity.The study of the influence of both LAB strains and yeast/bacteria co-inoculation has confirmed microorganisms interactions and wine matrix composition to be of the great importance.

Oenococcus oeni est la principale bactérie lactique retrouvée dans les fermentations malolactiques (FML) spontanées du vin. Pendant la FML, l’acide malique est converti en acide lactique, modulant l’acidité du vin et améliorant son goût. L’activité métabolique d’O. oeni produit aussi des changements dans la composition du vin, modifiant son profil aromatique. Des études précédentes ont suggéré que l’espèce est divisée en deux principaux groupes génétiques, désignés A et B. Nous avons examiné les souches d’O. oeni sous des approches de génomique comparative à l’aide d’outils bioinformatiques développés sur place, dévoilant l’existence de nouveaux de groupes et sous-groupes de souches. En outre, nos résultats suggèrent que certains groupes contiennent des souches qui sont adaptées à des produits spécifiques tels que le vin rouge, vin blanc, champagne et cidre. Ce phénomène est visible à différents niveaux des génomes des souches : l’identité de séquence, les signatures génomiques, et les caractéristiques génomiques spécifiques de groupes telles que la présence/absence de gènes et les mutations uniques. Afin de comprendre l’impact des caractéristiques génomiques dans l’adaptation de l’espèce à différents produits, nous avons sélectionné une collection de souches isolées de la même région, mais appartenant à deux groupes génétiques différents et adaptées soit au vin rouge, soit au vin blanc. Une analyse de données génomiques et métabolomiques intégrées révèle que les caractéristiques génomiques des souches de chaque groupe ont un impact sur l’adaptation des bactéries à leurs niches respectives et sur la composition de la fraction volatile du vin. / Oenococcus oeni is the main lactic acid bacteria found in spontaneous malolactic fermentation (MLF) of wine. During MLF, malic acid is converted into lactic acid, modulating wine’s acidity and improving its taste. The metabolic activity of O. oeni also produces changes in the composition of wine, modifying its aromatic profile. Previous studies have suggested that the species is divided in two major phylogenetic groups, namely A and B. We have examined O. oeni under comparative genomics approaches by the aid of bioinformatics tools developed in-place, unveiling the existence of more phylogenetic groups of O. oeni than previously thought. Moreover, our results suggest that certain groups are domesticated to specific products such as red wine, white wine, champagne and cider. This phenomenon is visible at different levels of the strains’ genomes: sequence identity, genomic signatures, and group-specific features such as presence/absence of genes and unique mutations. With the aim of understanding the impact of group-specific genomic features on the species adaptation to different products, we have selected a set of strains isolated from the same region, but belonging to two different genetic groups and adapted either to red wine, either to white wine. An integrated analysis of genomic and metabolomic data reveals that the genomic features of each genetic group have an impact on the strains adaptation to their respective niches, affecting the composition of the volatile fraction of wine.

La production de la majorité des vins rouges et de certains types de vins blancs et de vins pétillants requiert deux étapes fermentaires successives. La première est la fermentation alcoolique (FA) réalisée principalement par Saccharomyces cerevisiae. A la fin de la FA, les vins sont soumis à la fermentation malolactique (FML) réalisée principalement par Oenococcus oeni. Cependant, la FML est souvent difficile à déclencher et accomplir à cause de l’activité antibactérienne individuelle ou synergique de différents paramètres physicochimiques du vin et de métabolites levuriens inhibiteurs. Dans ce contexte, l’étude des interactions qui peuvent avoir lieu entre les souches de levures et de bactéries est importante pour le choix adéquat des souches et de la stratégie d’inoculation. Dans le présent travail, S. cerevisiae souche D a fortement inhibé O. oeni souche X pendant les fermentations séquentielles réalisées dans des milieux synthétiques jus de raisin (MSJ) alors que la souche levurienne A s’est révélée stimulatrice. Des traitements protéasiques et thermiques des MSJ fermentés par la souche D ont démontré la nature protéique des métabolites levuriens inhibiteurs. Le fractionnement par ultrafiltration de ces mêmes milieux a montré qu’une fraction peptidique extracellulaire de 5-10 kDa était responsable de l’inhibition de la FML. Elle a été graduellement relarguée au cours de la FA et a atteint sa concentration maximale à un stade avancé de la phase stationnaire. L’inhibition de la FML a été maintenue dans les jus de raisin commerciaux et les moûts naturels (CabernetSauvignon et Syrah) présentant des teneurs faibles et élevées en composés phénoliques. Ces derniers n’ont pas pu donc modifier l’activité biologique des peptides inhibiteurs. La fraction 5-10 kDa a été testée in vitro sur un extrait cellulaire contenant l’enzyme malolactique dans une gamme de pH comprise entre 3,5 et 6,7. Les résultats ont montré qu’elle a pu directement inhiber l’activité de l’enzyme malolactique avec une cinétique d’inhibition croissante corrélée à l’avancement de la fermentation alcoolique. La fraction 5-10 kDa du précipité au sulfate d’ammonium (60-80 %) a ensuite été analysée par chromatographie échangeuse d’ions. Les éluats récupérés avec 0,5 M NaCl par chromatographie anionique et cationique ont renfermé des peptides inhibiteurs et ont été migrés sur SDSPAGE. Les bandes d’intérêt ont ensuite été coupées et séquencées par LC1D-nanoESI-LTQ-Orbitrap. Les résultats ont montré 12 peptides qui ont probablement travaillé en synergie. 2 fragments de GAPDH de 0,9 et 1,373 kDa ayant un pI de 9,074 et un fragment de Wtm2p de 2,42 kDa ayant un pI de 3,35 sont impliqués dans l’inhibition de la FML. / The production of most red wines and certain white and sparkling wine styles requires two consecutive fermentation steps. The first one is the alcoholic fermentation (AF) and is carried out mainly by Saccharomyces cerevisiae. At the end of the AF, the wines undergo malolactic fermentation (MLF) carried out mainly by Oenococcus oeni. However, the MLF is often difficult to trigger and accomplish because of the individual or synergistic antibacterial activity of several physical chemical wine parameters and yeast inhibitory metabolites. In this context, the study of the interactions that may occur between specific strains of yeasts and bacteria is important for choosing the adequate strain combination and inoculation strategy. In the present work, S. cerevisiae strain D strongly inhibited O. oeni strain X during sequential fermentations performed in synthetic grape juice (SGJ) media whereas S. cerevisiae strain A stimulated it. Protease and heat treatments of the SGJ media fermented by strain D showed the protein nature of the yeast inhibitory metabolites. Fractionation by ultrafiltration of the same media revealed that an extracellular peptidic fraction of 5-10 kDa was responsible for the inhibition. It was gradually released during AF and reached its highest concentration at late stages of the stationary phase. The MLF inhibition was maintained in natural grape juices and grape musts (Cabernet-Sauvignon and Syrah) presenting low and high phenolic contents. Therefore, the activity of the inhibitory peptides was not affected by grape phenolic compounds. The 5-10 kDa fraction was tested in vitro on cell-free bacterial cytosolic extracts containing the malolactic enzyme in a pH range between 3.5 and 6.7. Results showed that it was able to directly inhibit the malolactic enzyme activity with an increasing inhibitory kinetic correlated to the AF time at which it was collected. The 5-10 kDa peptidic fraction of the 60-80 % ammonium sulfate precipitate was submitted to analyses by both anionic and cationic exchange chromatography (AEXC and CEXC). Eluates recuperated with 0.5 M NaCl from both AEXC and CEXC contained inhibitory peptides and were further migrated by SDS-PAGE. The bands of interest were excised and sequenced by LC1D-nanoESI-LTQ-Orbitrap. Results gave 12 different peptidic fractions that may have worked synergistically. 2 GAPDH fragments of 0.9 and 1.373 kDa having a pI of 9.074 and a Wtm2p fragment of 2.42 kDa having a pI of 3.35 were involved in the MLF inhibition.

La fermentation malolactique permet une désacidification et une amélioration de la qualité du vin. Elle est réalisée par des bactéries lactiques principalement de l’espèce Oenococcus oeni : cette espèce est privilégiée pour son efficacité et ses intérêts organoleptiques. La capacité de O. oeni à résister au stress du vin et à garder son activité fermentaire est un sujet d’intérêt majeur. Les prélèvements des fûts de chêne ont montré que O. oeni adhère au bois et est capable de persister plusieurs mois dans le vin. Or, dans la majorité des habitats naturels, les microorganismes se développent attachés à un support, au sein d’un écosystème structuré appelé biofilm. Sous cette forme de vie, les cellules bénéficient d’une résistance accrue au stress. Ces deux propriétés que sont l’adhésion à une surface ainsi que la résistance au stress ont donc été étudiées pour O. oeni. Des observations par microscopie électronique à balayage ont ainsi permis de mettre en évidence la formation de biofilms par O. oeni. Puis, nous avons évalué la capacité de résistance au stress du vin de O. oeni sous forme de biofilm. L’intérêt pour le biofilm est croissant dans les industries agroalimentaires et biotechnologiques, en raison de la conservation de son activité métabolique en milieu stressant. C’est pourquoi la fermentation malolactique avec un biofilm de O. oeni a été suivie dans le vin. Enfin, l’influence du biofilm de O. oeni sur les transferts de composés aromatiques entre le bois et le vin a été étudiée. Cette étude est la première caractérisation du biofilm de O. oeni, de sa résistance au stress du vin et de son potentiel fermentaire / Malolactic fermentation improves wine quality, mainly by decreasing acidity. It is carried out by lactic acid bacteria, mainly Oenococcus oeni. This species is favored for its efficiency and its organoleptic outcome. O. oeni ability to withstand wine stress and to keep its fermentation activity is a subject of major interest.Samples of oak showed that O. oeni adheres to wood and is able to persist for several months in wine. However, in the majority of natural habitats, microorganisms grow attached to a surface, within a structured ecosystem called biofilm. In this form of life, cells benefit from an increased stress resistance.These two properties, adherence to a surface and stress resistance, were studied for O. oeni. Observations by scanning electron microscopy have highlighted biofilm formation by O. oeni. Then, we evaluated the wine stress resilience of O. oeni biofilm. Biofilm is a growing interest in food and biotechnology industries, due to the conservation of its metabolic activity in stressful environment. Therefore, malolactic fermentation with an O. oeni biofilm was monitored in wine. Finally, the influence of O. oeni biofilm on transfers of aromatic compounds between wood and wine was studied.This study is the first characterization of O. oeni biofilm, its wine stress resistance and its fermentation potential.

La faisabilité d'un réacteur à enzyme malolactique pour effectuer et contrôler la fermentation malolactique (FML) des vins est étudiée. Des bactéries lactiques du vin, <i>Leuconostoc oenos</I> 84-06, sont cultivées en fermenteur de 10 litres, sur un milieu induisant la. fabrication de l'enzyme malolactique. La production d'enzyme est de 0,5 à 0,7 U/ml de milieu de culture, en 60 heures. L'enzyme malolactique est extraite par désintégration des bactéries aux ultrasons. Après action de la DNase 1 et précipitations au sulfate d'ammonium à 35% puis à 70%, l'extrait est filtré sur une colonne de chromatographie d'ultrogel AcA 34. L'enzyme obtenue a une activité spécifique de 8,9 U/mg ; elle a été purifiée à 3,3 fois avec un rendement de 75%. Sa masse moléculaire relative est d'environ 132 000, son point isoélectrique se situe à pH 4,35 et son pH optimum d'activité est de 5,5. Cette enzyme est utilisée pour fabriquer le réacteur (demande de brevet Français No 13131, déposée le 16 octobre 1990). Il s'agit d'un module d'ultrafiltration en fibres creuses de polyamide composé de deux circuits. Dans le circuit interne, le NAD est fixé et l'enzyme circule librement dans un milieu à pH 6 (milieu synthétique ou vin). Le milieu à traiter (milieu synthétique ou vin à pH 3) circule dans le circuit externe. Après passage dans le réacteur d'un milieu synthétique, le rendement de la FML est de 80% à 95% pendant 3 jours. Avec le vin, le rendement est de 50% à 60%. Nous avons montré que la FML des vins est maintenant techniquement réalisable avec un réacteur à enzyme malolactique et NAD. Il faut optimiser chaque étape de façon à pouvoir appliquer cette technique à la FML en continu pour de plus grandes quantités de vin.