Study of cider microbial ecosystems : what potential for organoleptic improvement ?

Le calvados est une eau-de-vie obtenue par distillation du cidre. Le cidre de distillation résulte d’une fermentation naturelle spontanée non maîtrisée, qui permet toutes les interactions possibles entre les différentes communautés microbiennes. En fin de fermentation alcoolique, le glycérol produit peut être dégradé et converti en 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA) par Lactobacillus collinoides via l’enzyme glycérol déshydratase codée par l’opéron pdu. Lors de la distillation, la déshydratation du 3-HPA en acroléine entraîne des désordres organoleptiques connus sous le nom de piqûre acroléique en développant un goût d’amertume dans les calvados. Ces travaux de thèse ont eu pour premier objectif d’apporter une réelle nouveauté dans l’étude de la diversité de dix cidres de distillation normands lors de la fermentation par une approche de métagénomique et d’établir des liens entre la composition microbienne et la qualité aromatique. Cette approche a permis de mettre en évidence plus de 40 genres bactériens et fongiques et des différences significatives ont été constatées au sein de ces populations entre les cidres des différents producteurs au cours du processus de fermentation, suggérant que les pratiques d’élaboration mènent à une typicité du cidre et donc à celle du calvados. L’étude de la composition des communautés microbiennes en lien avec la composition aromatique des cidres de distillation et celle des micro- distillats a été effectuée. Trois groupes de dynamiques et compositions microbiennes, directement liées aux producteurs, émergent conduisant à des compositions aromatiques différentes. L’analyse comparative de huit génomes de souches de Lactobacillus collinoides isolées à partir de cidres de distillation portant sur les métabolismes associés à la fermentation et sur la capacité des souches à métaboliser le glycérol a été effectuée. Deux types d’opéron pdu se profilent et cette variabilité génétique observée entre les souches de L. collinoides suggère des capacités différentes de dégradation du glycérol. Un plan expérimental (D-optimal) faisant varier 6 facteurs (glucose, fructose, azote, éthanol, acide malique, pH) a été élaboré pour étudier le métabolisme du glycérol chez ces souches. Trois profils génétiques et métaboliques ont pu être mis en évidence. Les souches de L. collinoides possédant l’opéron de type I sont toujours capables de dégrader le glycérol, contrairement à celles porteuses de l’opéron de type II. Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes quant à la présence et la physiologie de L. collinoides lors de l’élaboration du cidre et son implication dans la piqûre acroléique.Calvados is a Normandy brandy made by the distillation of cider. Ciders destined for distillation resultfrom spontaneous fermentation without any human intervention, leading to various interactions between thedifferent microbial communities. At the end of alcoholic fermentation, glycerol produced can be degraded andconverted to 3-hydroxypropionaldehyde (3-HPA) by Lactobacillus collinoides via the glycerol dehydrataseenzyme encoded by the pdu operon. During distillation, dehydration of 3-HPA to acrolein leads to organolepticdisorders, developing a bitterness taste in calvados known as “piqûre acroléique”. The first objective of this thesiswas to unveil the diversity of ten ciders for distillation during fermentation using a high throughput sequencing(16S, ITS1) approach and to establish links between microbial composition and aromatic quality. This approachallowed us to identify more than 40 bacterial and fungal and significant differences were found among fungal andbacterial populations between producers during the fermentation process, suggesting that the practices lead to thetypicity of cider, and therefore to the typicity of calvados. The study of the microbial composition was correlatedwith the aromatic composition of ciders for distillation during the fermentation process and of the micro-distillates.Three groups of microbial dynamics and compositions, directly related to the producers, were observed leading todifferent aromatic compositions. A comparative analysis of eight genomes of Lactobacillus collinoides strainsisolated from the ciders according to the different metabolisms associated with fermentation as well as on theability of the strains to metabolize glycerol was performed. Two types of operon pdu were highlighted and thisgenetic variability between L. collinoides strains suggests different abilities for glycerol degradation. Anexperimental design (D-optimal) by varying 6 factors (glucose, fructose, nitrogen, ethanol, malic acid, pH) wasdeveloped to study the metabolism of glycerol in these strains. 3 genetic and metabolic profiles were identified. L.collinoides strains with operon type I are always able to degrade glycerol, contrarily to those harbouring the operonof type II. This work opens up interesting perspectives regarding the presence and physiology of L. collinoidesduring the development of cider and its involvement in the “piqûre acroléique”