Fermentation et putréfaction : quelle différence ?
— En réalité, c'est le même phénomène, que les humains nomment différemment
Yaourt, natto, miso : on les chérit comme des « aliments fermentés ». Mais l'aliment qui dégage une odeur suspecte au fond du frigo est qualifié de « pourri » et jeté aussitôt. Pourtant, dans les deux cas, des micro-organismes invisibles transforment la nourriture. Alors, où passe la frontière entre fermentation et putréfaction ?
Quand on ouvre une boîte de natto, une forte odeur bien particulière s'en dégage. On ne peut pas vraiment dire qu'elle sent bon, mais nous y voyons la « preuve de la fermentation » et nous mangeons avec plaisir.
En revanche, si de la viande ou du poisson oublié hors du frigo dégage une odeur semblable, voire plus forte, vous le jetez sans hésiter.
Dans les deux cas, des micro-organismes ont transformé la nourriture. Pourtant, l'un finit à table, l'autre directement à la poubelle. D'où vient cette différence ?
Fermentation et putréfaction sont exactement le même phénomène : des micro-organismes invisibles décomposent des substances de l'aliment pour en tirer de l'énergie.
Si les substances formées nous paraissent utiles, sûres ou bonnes, on parle de « fermentation » ; si elles nous paraissent nuisibles ou déplaisantes, on parle de « putréfaction ».
Il n'existe pas de frontière scientifiquement rigoureuse entre fermentation et putréfaction. Voyons pourquoi.
Fermentation comme putréfaction : des micro-organismes qui « mangent et décomposent »
Bactéries, moisissures et levures décomposent la matière organique environnante (sucres, protéines…) pour vivre et produire de l'énergie. Cette décomposition en elle-même n'est ni « bonne » ni « mauvaise ».
Les bactéries lactiques du yaourt décomposent le sucre du lait (le lactose) et fabriquent de l'acide lactique. Les levures qui font gonfler le pain décomposent le sucre et produisent du dioxyde de carbone et de l'alcool. Les bactéries qui s'attaquent à une viande oubliée décomposent les protéines et produisent de l'ammoniac et du sulfure d'hydrogène.
Dans tous les cas, « des micro-organismes décomposent la matière organique et la transforment en d'autres substances » : chimiquement, c'est le même type de processus.
Où est la différence ? Dans le jugement humain sur les substances produites
La différence tient à la combinaison « quels micro-organismes », « décomposent quoi » et « produisent quoi ».
L'acide lactique des bactéries lactiques, ou l'alcool et le dioxyde de carbone des levures, sont des substances sûres pour nous, qui enrichissent la saveur et facilitent la conservation. Comme dans le mécanisme de l'abaissement du point de congélation, un acide comme l'acide lactique fait baisser le pH de l'aliment et joue aussi le rôle de créer un milieu où les autres micro-organismes nuisibles se développent mal.
En revanche, l'ammoniac, le sulfure d'hydrogène et les amines produits par les bactéries qui décomposent la viande ou le poisson oubliés sont des substances qui causent non seulement de mauvaises odeurs, mais peuvent aussi, selon la quantité, rendre malade.
Ce qui sépare « fermentation » et « putréfaction », ce n'est pas tant la réaction chimique elle-même que le jugement porté sur les substances obtenues : utiles ou nuisibles pour l'être humain.
C'est le même phénomène, la décomposition par des micro-organismes, que l'on nomme selon le résultat.
La frontière est floue : l'odeur du natto en est la preuve
L'odeur si particulière du natto contiendrait des composés proches de l'ammoniac. Ce sont des substances issues de la décomposition des protéines par le Bacillus subtilis natto, chimiquement assez proches de celles qui se forment lors de la putréfaction.
Si le natto est pourtant considéré comme un aliment fermenté et non comme « pourri », c'est parce que ce micro-organisme précis, le Bacillus subtilis natto, est cultivé dans des conditions sûres, et que des générations de consommation ont confirmé son innocuité. On voit que même pour une décomposition semblable, le jugement change selon « qui » agit et « dans quel milieu ».
Pourquoi peut-on contrôler les micro-organismes ?
Pour fabriquer des aliments fermentés, on joue sur la teneur en sel, la présence d'oxygène, la température et l'emploi de ferments (des micro-organismes voulus, préparés à l'avance). On crée ainsi un milieu où seuls les micro-organismes recherchés se développent facilement, et pas les autres.
Dans le miso et la sauce soja, par exemple, la forte teneur en sel freine la croissance de nombreux micro-organismes nuisibles, tout en favorisant les koji (moisissures) et les bactéries lactiques, qui résistent au sel. C'est bien la création d'un « milieu maîtrisé » qui fait de ce phénomène une fermentation plutôt qu'une putréfaction.
Un aliment laissé longtemps à température ambiante devient un « milieu non maîtrisé » où prospèrent non seulement les micro-organismes voulus, mais aussi toutes sortes d'autres. Dans ces conditions, des micro-organismes indésirables peuvent prendre le dessus et produire des substances susceptibles de provoquer des troubles digestifs. Ne comptez pas trop sur « l'odeur pour juger » : réfrigérer ou congeler rapidement les aliments périssables est la mesure de base recommandée.
À quelle vitesse les micro-organismes se multiplient-ils, livrés à eux-mêmes ?
Pour la fermentation comme pour la putréfaction, la vitesse de multiplication des micro-organismes pèse beaucoup sur le résultat. Dans un milieu favorable, leur nombre n'augmente pas « proportionnellement au temps » mais « double régulièrement avec le temps ». Nous vérifierons cette vitesse chiffres en main dans le volet repliable ci-dessous.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Rassemblez les emballages d'aliments fermentés que vous avez chez vous : yaourt, natto, miso, pain…
- Repérez dans la liste des ingrédients le nom des micro-organismes utilisés : « bactéries lactiques », « levure », « Bacillus subtilis natto », « koji », etc.
- Réfléchissez à la façon dont chaque aliment écarte les micro-organismes indésirables par le sel, la chaleur, la fermeture hermétique… (par exemple : le miso grâce au sel, le pain grâce à la cuisson, le yaourt grâce à la conservation au froid)
Vous remarquerez que, pour une même « action des micro-organismes », chaque aliment maîtrise son milieu par une astuce différente.
En résumé
Fermentation et putréfaction sont deux processus du même type, où des micro-organismes décomposent la matière organique. Ce qui les distingue n'est que la combinaison « quels micro-organismes », « dans quel milieu » et « produisant quoi », ainsi que le jugement humain sur les substances obtenues. On considère qu'un milieu maîtrisé, où seuls les micro-organismes voulus se multiplient, mène plutôt à la fermentation, et qu'un milieu non maîtrisé, où des micro-organismes variés se multiplient librement, mène plus facilement à la putréfaction.
Ce n'est pas une loi de la chimie qui sépare fermentation et putréfaction.
C'est notre propre étalon : « qu'est-ce qui nous arrange ? »
Cette façon qu'ont les micro-organismes de tirer de l'énergie des aliments est de la même famille que le mécanisme par lequel notre corps « brûle lentement » la nourriture. Pour savoir ce que mesure au juste le nombre de calories d'un aliment, voyez cet article.
Pour aller plus loin — vocabulaire, chiffres et lien avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de biologie du lycée (tronc commun)
- Lycée+Biologie de lycée approfondie, ou contenu de manuel présenté comme complément ou encadré
- Univ.Cours spécialisé d'université (microbiologie alimentaire), non vu au lycée
- RechercheSujet que les chercheurs étudient en ce moment, pas même enseigné comme acquis à l'université
CollègeVocabulaire : les mots de la fermentation et de la putréfaction
- Micro-organisme : bactéries, moisissures, levures… êtres vivants trop petits pour être vus à l'œil nu.
- Matière organique : substances dont le squelette est fait de carbone, comme les sucres, les protéines et les graisses, qui composent les êtres vivants et les aliments.
- Décomposition : séparation d'une substance en substances plus simples.
- Bactéries lactiques, levures, Bacillus subtilis natto, koji : micro-organismes typiques employés pour fabriquer des aliments fermentés.
LycéeVérifier par une formule : à quelle vitesse les micro-organismes se multiplient-ils ?
Quand les conditions sont favorables, on explique que le nombre de micro-organismes double à intervalles réguliers. Un calcul permet de mesurer à quel point cette croissance « en doublements » est rapide.
À intervalle régulier, le nombre de micro-organismes double
| En symboles | N ＝ N₀ × 2^( t ÷ T ) |
| En mots | nombre à un instant donné ＝ nombre initial × 2 puissance (temps écoulé ÷ temps de doublement) |
| D'où vient la formule | Chaque division double le nombre. On répète cela (temps écoulé ÷ temps de doublement) fois, donc on multiplie 2 par lui-même autant de fois. |
| N, N₀ | Nombre de micro-organismes à un instant donné, et nombre initial (individus) |
| t, T | Temps écoulé, et temps de doublement (minutes) |
| Temps de doublement | Temps nécessaire pour que le nombre de micro-organismes double |
| Ordre de grandeur du temps de doublement | Environ 20 minutes lorsque les conditions (température, nutriments…) sont favorables |
Cela repose sur une croissance simple : un micro-organisme se divise en deux. À chaque division, le nombre qui se divisera ensuite augmente aussi ; le nombre n'augmente donc pas « proportionnellement au temps », mais « double régulièrement avec le temps ».
Supposons qu'on parte de 100 micro-organismes. Avec un temps de doublement de 20 minutes, empilons les doublements sur 2 heures (120 minutes).
| Après 20 min | 100 × 2 ＝ 200 |
| Après 40 min | 200 × 2 ＝ 400 |
| Après 60 min | 400 × 2 ＝ 800 |
| Après 80 min | 800 × 2 ＝ 1600 |
| Après 100 min | 1600 × 2 ＝ 3200 |
| Après 120 min | 3200 × 2 ＝ 6400 |
En seulement 2 heures, 100 micro-organismes passent à 6400, soit 64 fois plus d'après le calcul.
| Facteur de multiplication en 2 heures | 6400 ÷ 100 ＝ 64 |
| Même résultat par la formule : nombre de divisions | 120 ÷ 20 ＝ 6 |
| 2 multiplié 6 fois par lui-même | 2^6 ＝ 64 |
Voilà pourquoi un aliment laissé « juste un moment » à température ambiante peut changer profondément d'état. Si l'on règle avec soin la température et le sel pour fabriquer des aliments fermentés, c'est, pense-t-on, pour orienter cette croissance fulgurante au seul profit des micro-organismes voulus.
※ Le temps de doublement varie beaucoup selon l'espèce et les conditions ; 20 minutes n'est qu'un repère en conditions favorables. Dans un vrai aliment, ce peut être plus rapide ou plus lent.
Lycée+Il existe plusieurs types de fermentation
Sous le nom de fermentation, on distingue plusieurs types selon ce qui est décomposé et ce qui est produit. Les plus connus : la fermentation lactique, qui décompose le sucre en acide lactique ; la fermentation alcoolique, qui le décompose en alcool et dioxyde de carbone ; la fermentation acétique, qui décompose encore l'alcool en acide acétique. Toutes ont en commun de tirer de l'énergie en utilisant peu d'oxygène (des cousines de la respiration sans oxygène).
Univ.Le point de vue de la compétition entre micro-organismes
Dans un aliment, plusieurs espèces de micro-organismes se font concurrence pour des nutriments et un espace limités. Le sel, la température, la présence d'oxygène, l'acidité (pH) sont des facteurs qui avantagent ou désavantagent chaque espèce et décident laquelle domine. On peut dire que fabriquer des aliments fermentés, c'est manipuler artificiellement ces conditions de compétition pour faire gagner le micro-organisme voulu.
L'outil classique pour traiter mathématiquement cette compétition est l'équation de compétition de Lotka-Volterra. Elle ajoute à la « formule des doublements » ci-dessus un effet de ralentissement quand nutriments et espace viennent à manquer, et un effet de baisse de croissance dû à la présence de l'autre espèce ; elle permet d'étudier, selon les conditions, laquelle des deux l'emporte à la fin.
📖 Dérivation de la formule et suite : Croissance exponentielle (écriture par équations différentielles) ／ Équation de compétition de Lotka-Volterra
RechercheCe qui reste flou
- La plupart des aliments fermentés traditionnels ne sont pas produits par un seul micro-organisme, mais par une communauté « sauvage » mêlant plusieurs espèces. Les recherches qui décrivent finement cette communauté au niveau des gènes (analyse métagénomique, etc.) sont encore en plein développement.
- Dans quelle mesure manger des aliments fermentés améliore l'état des micro-organismes de l'intestin et la santé : les recherches sont en cours, et sur l'ampleur des effets et leurs mécanismes, il n'y a pas encore de conclusion claire sur de nombreux points.
- Pourquoi et comment une population de micro-organismes domine dans un milieu donné, c'est-à-dire « l'écologie des communautés microbiennes », est un domaine de recherche important, lié aussi à la prévision de la fermentation et de la putréfaction ; mais toutes les interactions complexes en jeu ne sont pas encore élucidées.
L'humanité utilise la fermentation depuis des millénaires, mais les relations entre micro-organismes qui se cachent derrière restent un monde complexe, encore à l'étude.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : rôle des micro-organismes | Vocabulaire de base : micro-organisme, matière organique, décomposition |
| Lycée | Biologie (tronc commun) : croissance des populations | Calcul estimant la croissance à partir du temps de doublement |
| Lycée+ | Biologie : respiration et fermentation | Différences entre fermentations lactique, alcoolique et acétique |
| Univ. | Microbiologie alimentaire | Compétition entre micro-organismes, contrôle par les conditions du milieu |
| Recherche | Écologie microbienne (en cours d'étude) | Analyse métagénomique des aliments fermentés, lien avec l'environnement intestinal |
- Documents explicatifs sur les « aliments fermentés » du ministère de l'Agriculture, des Forêts et de la Pêche du Japon (農林水産省).
- Manuels de microbiologie alimentaire : définition et classification de la fermentation et de la putréfaction.
- Articles de vulgarisation de la Société japonaise de chimie agricole (日本農芸化学会) sur la fermentation (voies métaboliques des fermentations lactique, alcoolique et acétique).
- Documents grand public du ministère de la Santé, du Travail et des Affaires sociales du Japon (厚生労働省) sur la « prévention des intoxications alimentaires » (croissance des micro-organismes et contrôle de la température).
- Marco, M. L. et al., Health benefits of fermented foods, Current Opinion in Biotechnology, 2017 (revue de recherche sur les aliments fermentés et la santé).
※ Les valeurs comme le temps de doublement sont des repères représentatifs en conditions favorables ; elles varient selon l'espèce de micro-organisme et l'état de l'aliment.
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Pour la conservation et la manipulation sûre des aliments, consultez toujours les indications figurant sur l'emballage de chaque produit et les informations des organismes publics, comme le ministère japonais de la Santé, du Travail et des Affaires sociales. Évitez de juger la sécurité d'un aliment uniquement à son aspect ou à son odeur.