Etude et développement d'une boisson fonctionnelle à base de Sobacha (Infusion japonaise de graines de sarrasin torréfiées)

Abstract

This research project focuses on the study and development of a functional drink based on sobacha. This cereal matrix is an infusion of roasted buckwheat seeds widely consumed in Asian countries for its health benefits. Resulting from a Japanese know-how of buckwheat roasting, the matrix presents important anti-inflammatory and anti-oxidant properties. Fermentation is envisaged by inoculating a symbiotic culture of bacteria and yeast (SCOBY) into the cereal matrix. The experimental design aims at fermenting the cereal matrix in two buckwheat content modalities (50 and 10g/L). In addition, the fermentation duration of 25 days and the successive fermentations over seven weeks allow the study of the stability of the beverage over time. The pH is the marker of acidification of the environment and safety of the drink. The kinetics of organic compounds (sugars, ethanol and organic acids) by spectrophotometry conduct to the study of the microbial community’s development during the fermentation. The study of the volatile organic compounds of the beverage by GC-MS SBSE chromatography (stir bar sorptive extraction) allows the analysis of aromas and metabolites synthesized by the microbiome; sensory analyses highlight the appreciation and preferences of the consumer towards the beverages. The study of the kinetics of antioxidant and anti-inflammatory activities allows the evaluation of the technological properties of the beverage, as well as the evaluation of the color of the samples. The acidification of the medium permits to highlight the synthesis of organic compounds by the microorganisms during the fermentation. The differences in fermentative yield observed between the two buckwheat concentration modalities (10 and 50g/L) are mainly due to the amount of sugars available for fermentation but also to the nutrients available from the complex sugars of the starch matrix. The successive fermentations of the beverages show a slower acidification of the medium, inducing a slowdown of some metabolic pathways (cellulose production for instance). The study of volatile organic compounds shows the analysis of production kinetics of potentially aromatic compounds such as esters, aldehydes, ketones, terpenes, ... from carboxylic acids and alcohols in particular. The synthesis of these aromas evolves during fermentation, reflecting the activity of microorganisms to use multiple fermentative pathways in search of an optimal environment for their development. Consumers appreciate the beverage with the highest buckwheat concentration for its fruity (citrus), green, fatty/waxy/creamy, spicy/woody (mainly esters, ketones and phenols) aromas, as well as for its acidity, predominant roasted hazelnut aroma (pyrazines of sobacha), acidity intensity and taste. Opposite consumers appreciate rather the drink less concentrated in buckwheat for its sour, floral, sulphurous/grilled, fruity (melon), green notes (carboxylic acids, esters and alcohols mainly) but also for its color, freshness and sparkle. The colorimetric analyses allow to underline that the color of the drinks darkens with the acidification of the environment. Indeed, although the color is mainly linked to the color of the starting substrate, the activity of synthesis of compounds by the microbiome seems to bring turbid to the drinks. The antioxidant and anti-inflammatory powers present in the starting cereal matrix are maintained by the fermentation. The latter also exhibits these activities through the synthesis of natural bioactive compounds during the acidification of the medium. On the other hand, the coexistence of several forms of biological activities during successive fermentations is not certified; related to the adaptation and specification of the microbiome of the beverage over time.

Ce projet de recherche est axé sur l’étude et le développement d’une boisson fonctionnelle à base de sobacha. Cette matrice céréalière est une infusion de graines de sarrasin torréfiées largement consommée dans les pays asiatiques pour ses vertus sur la santé. Issue d’un savoir-faire japonais de torréfaction du sarrasin, la matrice présente des propriétés anti-inflammatoires et anti-oxydantes importantes. La fermentation est envisagée par l’inoculation d’une culture symbiotique de bactéries et de levures (SCOBY) dans la matrice céréalière. Le plan expérimental vise à fermenter la matrice céréalière selon deux modalités de teneur en sarrasin (50 et 10g/L). De plus, la durée de fermentation d’une part de 25 jours et d’autre part étalée en fermentations successives sur sept semaines permet l’étude de la stabilité de la boisson dans le temps. Le pH est le marqueur d’acidification du milieu et de sécurité de la boisson. Les cinétiques des dosages en composés organiques (sucres, éthanol et acides organiques) par spectrophotométrie permettent l’étude du développement de la communauté microbienne au cours de la fermentation. L’étude des composés organiques volatils de la boisson par chromatographie GC-MS SBSE (extraction par sorption sur barreau magnétique) permettent l’analyse des arômes et des métabolites synthétisés par le microbiome ; des analyses sensorielles mettent en lumière l’appréciation et les préférences du consommateur vis-à-vis des boissons. L’étude des cinétiques des pouvoirs antioxydants et anti-inflammatoires permettent l’évaluation des propriétés technologiques de la boisson, tout comme l’évaluation de la couleur des échantillons. L’acidification du milieu permet de mettre en lumière la synthèse de composés organiques par les microorganismes au cours de la fermentation. Les différences de rendement fermentaire observées entre les deux modalités de concentration en sarrasin proviennent principalement de la quantité de sucres disponibles pour la fermentation mais également des nutriments disponibles provenant des sucres complexes de la matrice amidonnée. Les fermentations successives des boissons démontrent une acidification plus lente du milieu, induisant un ralentissement de certaines voies métaboliques (production de cellulose par exemple). L’étude des composés organiques volatils démontre l’analyse de cinétiques de production de composés potentiellement aromatiques tels que les esters, aldéhydes, cétones, terpènes, … au départ d’acides carboxyliques et alcools notamment. La synthèse de ces arômes évolue au cours de la fermentation, traduisant de l’activité des microorganismes à utiliser des voies fermentaires multiples dans la recherche d’un milieu optimal pour leur développement. Les consommateurs apprécient la boisson la plus concentrée en sarrasin pour ses arômes fruités (agrumes), notes vertes, gras/cireux/crémeux, épicé/boisé (esters, cétones et phénols principalement) ainsi que pour son acidité, arôme de noisette torréfié prédominant (pyrazines du sobacha), intensité de l’acidité et gout. Les consommateurs opposés apprécient plutôt la boisson la moins concentrée en sarrasin pour ses arômes sûr/aigre, floral, sulfureux/grillé, fruités (melon), notes vertes (acides carboxyliques, esters et alcools principalement) mais également pour sa couleur, fraicheur et pétillance. Les analyses colorimétriques permettent de souligner que la couleur des boissons se fonce avec l’acidification du milieu. En effet, bien que la couleur soit majoritairement liée à celle du substrat de départ, l’activité de synthèse de composés par le microbiome semble apporter un trouble aux boissons. Les pouvoirs antioxydants et anti-inflammatoires présents dans la matrice céréale de départ sont maintenus par la fermentation. Cette dernière présente également ces activités par la synthèse de composés naturels bioactifs au cours de l’acidification du milieu. En revanche, la coexistence de plusieurs formes d’activités biologiques au cours de fermentations successives n’est pas certifiée ; liée à l’adaptation et spécification du microbiome de la boisson au cours du temps.