L`effervescence révèle les arômes du champagne

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L’effervescence révèle les arômes
du champagne :
Identification de molécules d’intérêt
organoleptique par spectrométrie
de masse à ultra haute résolution
par Gérard Liger-Belair(1,2), Clara Cilindre(1), Régis D. Gougeon(3), Marianna Lucio(4), Istvan Gebefügi(4), Philippe Jeandet(1),
Philippe Schmitt-Kopplin(4)
(1) Laboratoire d’oenologie et chimie appliquée (URVVC-SE). Université de Reims - Champagne-Ardenne.
(2) Équipe Effervescence (GSMA), Université de Reims - Champagne-Ardenne.
(3) Laboratoire EMMA (IUVV), Université de Bourgogne.
(4) Institute for Ecological Chemistry, Biogeochemistry and Analytics, Helmoltz Zentrum - München, Allemagne.
Résumé : Lors de la dégustation d’un champagne ou d’un vin effervescent, il n’est pas rare d’observer un brouillard très caractéristique de
gouttelettes, provenant de l’éclatement des bulles arrivant à la surface
de la flûte. Pour des bulles millimétriques comme celles du champagne,
on compte une production d’environ cinq gouttelettes par bulle (soit
une production de plusieurs centaines de gouttelettes chaque
seconde pour l’ensemble des bulles en dégustation). Nous avons
utilisé la spectrométrie de masse à ultra-haute résolution pour
analyser de façon non ciblée les composés se retrouvant préférentiellement dans les gouttelettes de champagne ; dévoilant ainsi des
empreintes chimiques différentes entre le cœur du champagne et
l’aérosol formé par les gouttelettes. Grâce, d’une part, à une détermination précise de leurs masses exactes et de leurs formules
élémentaires et, d’autre part, à l’utilisation d’outils discriminants
ou de bases de données, des dizaines de composés surconcentrés
dans les gouttelettes et pouvant être associés à des composés
présentant un intérêt organoleptique ont été identifiés. Nos résultats
montrent très clairement le lien entre l’éclatement des bulles et la
libération de composés d’arômes, confirmant ainsi l’idée que l’ascension
et l’éclatement des bulles contribuent au renouvellement continu
et à la libération des arômes dans une flûte de champagne et
agissent comme des “mini ascenseurs” (Liger-Belair et al., 2009).
Abstract: As champagne or sparkling wine is poured into a glass,
the myriad of ascending bubbles collapse and radiate a multitude of
tiny droplets above the free surface into the form of very characteristic
and refreshing aerosols. Ultrahigh-resolution mass spectrometry
was used as a nontargeted approach to discriminate hundreds of
surface active compounds that are preferentially partitioning in
champagne aerosols; thus, unraveling different chemical fingerprints
between the champagne bulk and its aerosols. Based on accurate
exact mass analyses and database searches, tens of these compounds
overconcentrating in champagne aerosols were unambiguously
discriminated and assigned to compounds showing organoleptic
interest or being aromas precursors. By drawing a parallel between
the fizz of the ocean and the fizz in Champagne wines, our results
closely link bursting bubbles and flavor release; thus, supporting the
idea that rising and collapsing bubbles act as a continuous paternoster
lift for aromas in every glass of champagne (Liger-Belair et al., 2009).
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Introduction
Des centaines de bulles éclatent chaque seconde au cours des
minutes qui suivent le remplissage d’une flûte. Lorsqu’une bulle
éclate à la surface de la flûte, elle projette un minuscule jet de
champagne qui se brise en gouttelettes. La surface du liquide est
alors piquetée de centaines de jets minuscules se brisant à leur
tour en plusieurs gouttelettes chacun. Ce sont des centaines de
gouttelettes, et parfois même des milliers, qui sont projetées chaque
seconde, plusieurs centimètres au-dessus de la surface, sous la forme
d’un “aérosol de champagne” (Liger-Belair et al., 2008) (Figure 1).
Ce brouillard de gouttelettes crée les picotements qui contribuent
au plaisir de la dégustation d’un verre de champagne. Les gouttelettes
de liquide projetées en surface lors de l’éclatement de bulles stimulent
mécaniquement les nocicepteurs (les récepteurs sensoriels de la
douleur) situés dans le nez ainsi que les récepteurs de la douleur
de la bouche et du palais lors de la dégustation.
Une jolie analogie peut être établie entre le “pétillement” de l’océan
et celui du champagne dans la flûte (Liger-Belair, 2002). La source
majeure de bouillonnement à la surface de l’océan est le résultat de
l’action des vagues combinée à celle de la pluie, les deux phénomènes
piégeant l’air dans l’eau de mer sous forme de bulles. Lorsque les bulles
éclatent à la surface de la mer, elles diffusent un brouillard de
gouttelettes, exactement comme pour les bulles de champagne.
Dès le début des années 1970, des océanographes ont établi que
ces gouttelettes concentraient certaines molécules, dites “amphiphiles”, présentes dans l’eau de mer dont elles étaient issues.
(Barger et Garret, 1970).
Des centaines de composés organiques cohabitent dans le champagne.
Or, beaucoup de composés organiques du champagne, qui présentent aussi des propriétés aromatiques, sont dits “amphiphiles”.
Ils présentent ainsi une double affinité. Une partie de ces molécules
amphiphiles est hydrophobe, alors qu’une autre partie est hydrophile.
C’est le cas par exemple de quelques alcools (l’éthanol, le butanol,
le pentanol et le phényl-2-éthanol), de certains aldéhydes (le butanal,
l’hexanal et les hexenals) ainsi que des acides organiques (acides
propionique et butyrique). Pour se stabiliser, ces molécules amphiphiles
se disposent préférentiellement à l’interface gaz-liquide d’une bulle
de gaz carbonique. Elles plongent leur partie hydrophile dans le
champagne et placent leur partie hydrophobe vers le gaz.
Les bulles sont donc autant de “mini ascenseurs” pour les molécules
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Figure 1: (A) Formation d'un jet de champagne (iii) suite à l'éclatement d'une bulle en surface (i) et qui se scinde en plusieurs gouttelettes (iv).
(B) Aérosol formé à la surface d'un verre de champagne
1.1 Échantillons
Nous avons réalisé les analyses par FT-ICR-MS sur un champagne
standard, brut sans année, élaboré à partir d’un assemblage des trois
cépages (chardonnay, pinot noir, pinot meunier). Le champagne est
versé dans une flûte et une lame de verre est posée au-dessus du
verre afin de récolter les gouttelettes formées lors de l’éclatement
des bulles. La lame de verre est ensuite rincée avec du méthanol.
500 μl de champagne sont également prélevés au cœur de la flûte
et dilués dans du méthanol.
Les spectres de masse à ultra-haute résolution ont été enregistrés
sur un spectromètre Bruker APEX Qe (Brême, Allemagne) équipé
d’un aimant supraconducteur de 12 Tesla et d’une source d’ionisation
par électrospray APOLO II. Une calibration externe (solution d’arginine)
et interne (acides gras ubiquitaires) permet d’atteindre une précision
sur la masse mesurée inférieure à 100 ppb en routine. Les spectres
de cette étude ont été acquis en ionisation négative et positive, sur
la gamme de masse allant de 150 à 1000 m/z.
2. Résultats et discussion
2.1. Comparaison des spectres de masse obtenus
par FT-ICR-MS
Les spectres de masse des gouttelettes et du champagne du cœur de
la flûte ont été obtenus par une approche non ciblée, en utilisant la
spectrométrie de masse à ultra haute résolution (FT-ICR-MS) (Figure 2).
La technique de FT-ICR-MS permet à la fois de peser les masses des
molécules ionisées avec une précision proche de celle d’un électron
et de déterminer ainsi leur composition élémentaire sans ambiguïté.
Dans l’intervalle de masse 150-1000 m/z, les spectres de masse
des gouttelettes et du champagne du cœur de la flûte montrent
des distributions globales des pics très ressemblantes, avec pour de
nombreuses masses nominales des signaux similaires en intensité
(Figure 2). L’intensité d’un pic est due à la combinaison de l’abondance
relative de l’ion moléculaire associé et de son caractère ionisable
Figure 2 : Spectres de masse (FT-ICR-MS, ionisation négative) du champagne du cœur de la flûte (bleu)
et de l'aérosol formé lors de l'éclatement des bulles à la surface (rouge)
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1. Matériels et méthodes
1.2. Analyse FT-ICR-MS
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amphiphiles qui viennent s’y adsorber et ainsi rejoindre la surface.
On estime que la surface cumulée de toutes les bulles produites
dans une flûte avoisine 2 m2. On s’attend donc à ce que les molécules
amphiphiles – dont certaines seraient aromatiques - enrichissent
la pellicule de liquide à la surface de la flûte de champagne et s’y
concentrent peu à peu. L’aérosol, formé lors de l’éclatement des bulles
à la surface, serait donc plus concentré en molécules amphiphiles
et potentiellement aromatiques, que le liquide lui-même.
C’est ce que nous avons vérifié par des analyses physico-chimiques.
Nous avons analysé la composition chimique du brouillard de
gouttelettes avec un spectromètre de masse à ultra haute résolution
(FT-ICR-MS). Nous avons comparé la composition chimique fine
de ce brouillard de gouttelettes avec celle du champagne du cœur
de la flûte.
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Figure : Facteur de concentration (Cf) des masses communes aux spectres de l’aérosol et du champagne du cœur de la flûte
dans les conditions de l’expérience. Par conséquent, cette approche
ne peut être que semi-quantitative. Cependant, elle est parfaitement
adaptée à l’analyse comparative d’intensités relatives de signaux
entre spectres ayant des distributions de pics similaires. Cet aspect
s’applique d’autant mieux à la comparaison des spectres de l’aérosol
et du champagne du cœur de la flûte qu’il est possible de s’affranchir
dans le cas de l’aérosol des phénomènes d’évaporation à la surface
de la lame de verre. Ainsi, si l’on compare l’intensité des pics communs
aux spectres de masse de l’aérosol et du liquide, nous pouvons
déterminer un facteur de concentration Cf = Iaerosol/Iliquide (Figure 3).
De nombreux signaux présentant une intensité plus élevée dans
l’aérosol (Cf > 2) peuvent alors être clairement identifiés sur ces
spectres de masse. Parmi les milliers de pics obtenus sur la gamme
de masse 150-1000 m/z, plus d’une centaine de pics ont une intensité
plus grande dans l’aérosol, à l’exemple du signal à m/z 253.2172,
correspondant à l’ion [C16H29O2]-. Les autres signaux de la masse
nominale 253 correspondent aux ions [C8H13O9]- et [C9H17O6S]pour lesquels aucune variation de l’intensité des signaux n’est
observée entre les deux spectres (Figure 4).
La connaissance des formules brutes des ions moléculaires associés
à chacun de ces pics permet de construire un diagramme de van
Krevelen des composés surconcentrés dans l’aérosol (Liger-Belair
et al., 2009). Grâce aux diagrammes de van Krevelen, il est possible
d’obtenir une représentation caractéristique où, pour un spectre,
chaque formule élémentaire identifiée est repérée par ses coordonnées définies comme le rapport entre le nombre d’oxygène
et le nombre de carbone (abscisse) et le rapport entre le nombre
d’hydrogène et le nombre de carbone (ordonnée). Nous avons observé
que les composés surconcentrés dans l’aérosol (Cf > 2), qui sont
principalement situés dans une gamme de masse allant de 150 à
450 m/z, correspondent majoritairement à des structures aliphatiques
saturées et peu oxygénées, connues pour leurs propriétés tensioactives, telles que des acides gras par exemple (Pueyo et al., 1995).
2.2. Identification des molécules concentrées
dans les gouttelettes
À chaque formule élémentaire peuvent correspondre différents
composés (isomères) pertinents identifiables grâce aux bases de
données telles que KEGG, accessible par l’interface MassTRIX (Suhre
et Schmitt-Kopplin, 2008) ou SciFinder Scholar (SciFinder Scholar,
http://www.cas.org/SCIFINDER/SCHOLAR/. Chemical Abstract Services,
American Chemical Society). À partir des 163 masses exactes correspondant aux ions significativement surconcentrés dans l’aérosol,
différents composés provenant du métabolisme de Vitis vinifera
ou de Saccharomyces cerevisiae ont pu être repérés (Tableau 1).
Nous pouvons noter un nombre important de formules élémentaires
pouvant être associées à des acides gras saturés, de C10 (acide
décanoïque) à C24 (acide tétracosanoïque), provenant directement
du métabolisme levurien ou de la baie (Fleet, 2003 ; Roufet et al.,
1987). Divers acides gras mono- et polyinsaturés (C14:1, C16:1, C18:1
et C18:2) peuvent également être retrouvés.
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Figure 4 : Comparaison des spectres de masse
(FT-ICR MS, ionisation négative) de l’aérosol (rouge)
et du champagne du cœur du liquide (bleu).
Détails sur les masses nominales 253 (a) et 227 (b).
Les ions moléculaires [C16H29O2]- et [C14H27O2]correspondent respectivement à l’acide palmitoléique
et à l’acide tétradécanoïque ;
deux acides gras très concentrés dans les gouttelettes
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Les acides gras sont des composés ayant des propriétés tensio-actives
connues, et sont donc susceptibles de se retrouver préférentiellement
dans les gouttelettes. À chacune des formules élémentaires retrouvées
auxquelles sont associées des structures d’acides gras, nous pouvons
également associer d’autres structures isomères correspondant à
des esters éthyliques. Certains de ces composés ont des propriétés
organoleptiques bien connues et participent activement à l’arôme
des vins (Clarke et Baker, 2004). Par exemple, le composé de formule
brute C16H32O2 associé au pic à 225.2329 m/z peut correspondre à
l’acide palmitique (ion moléculaire [C16H31O2]- en ionisation négative)
et aussi à l’ester éthylique de l’acide tétradécanoique (équivalente
en ionisation positive à l’ion [C16H33O2]+). De la même façon, nous
pouvons identifier l’acide palmitoléique et un ester de l’acide
propanoïque pour la formule brute C16H30O2. L’acide décanoïque
(ion moléculaire [C10H19O2]- associé à la masse m/z = 171,1390)
responsable de notes acides et toastées dans les vins de Champagne
(Escudero et Etiévant, 1999) serait également retrouvé en concentration
plus importante dans les gouttelettes. Le pic à 199.1703 m/z
correspondrait à un autre acide gras saturé, l’acide dodécanoïque,
responsable de notes métalliques (Li et al., 2008). Différents acides
gras insaturés sont également plus concentrés dans l’aérosol.
En effet, l’acide myristoléique peut être associé à l’ion [C H O ]14 25 2
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(masse 225.1860 m/z). Certains acides gras (mono)insaturés identifiés
comme des marqueurs de la qualité de la mousse des vins effervescents espagnols (cavas) sont également retrouvés dans les
gouttelettes et sont associés aux masses m/z 253.2172 (Figure 4a)
et 281.2486 et correspondent, respectivement, à l’acide palmitoléique
et l’acide oléique (Pueyo et al., 1995). Enfin, un acide gras polyinsaturé
a également été identifié et peut être associé au signal 279.2329 m/z.
Ces acides gras insaturés représentent la principale fraction lipidique
du raisin et sont des précurseurs des composés en C6, responsables
d’arômes herbacés (Drawert et Rapp, 1966).
Quelques C13 norisoprénoïdes, une famille importante de composés
aromatiques, semblent aussi être surconcentrés dans les gouttelettes
de champagne. Ainsi, le pic à 225.1496 m/z peut être associé avec
certitude à la formule brute C13H22O3, alors que différents isomères de
molécules odorantes et également précurseurs de la β-damascenone
correspondent à cette formule brute : le dihydrovomofiliol, le Blumenol
B et l’annuinone G contribuant à l’arôme fruité des vins provenant
des cépages : syrah, chardonnay ou melon (Razungles et al., 1998 ;
Dimitriadis et al., 1985 ; Schneider et al., 2001).
Un autre composé d’intérêt - l’acide ricinoléique, précurseur d’un
composé responsable de l’arôme de pêche, la γ-décalactone, par la
β-oxydation peroxysomale - a pu être associé à la masse 297.2435 m/z
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Tableau 1 : Liste des composés pouvant correspondre aux ions identifiés par FT-ICR-MS, significativement surconcentrés dans l’aérosol
(Pagot et al., 1998). Deux autres formules élémentaires associées
aux masses 325.2024 et 345.1556 m/z pourraient correspondre à
des glycosides terpéniques, l’un de ces composés ayant déjà été
identifié dans les vins de Riesling (Winterhalter et al., 1997).
Enfin, la picrocrocine, une molécule responsable de l’amertume du
safran, pourrait aussi être associée à la formule élémentaire neutre
C16H26O7 identifiée dans les gouttelettes (Alonso et al., 1996).
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Conclusion
Par l’analyse par spectrométrie de masse à ultra haute résolution,
nous avons montré que le brouillard de gouttelettes au-dessus
d’un verre de champagne est beaucoup plus concentré en plusieurs
dizaines de molécules organoleptiques – jusqu’à plus de 30 fois
pour certaines molécules – que le cœur de la flûte. Parmi ces
molécules, on retrouve des composés pouvant correspondre à
des acides gras, des composés terpéniques et d’autres molécules
impliquées dans l’arôme des vins. Notons que si ce phénomène
concentre les arômes jugés agréables par un dégustateur, il concentre
aussi les arômes herbacés ou les déviations organoleptiques
désagréables (pour peu que les molécules responsables de ces
déviations soient suffisamment amphiphiles). Outre les stimulations
mécaniques et chimiques, liées aux éclatements de bulles et à la
présence du gaz carbonique dissous, il semblerait que l’éclatement
des bulles en surface pourrait jouer un rôle majeur dans la libération
des arômes du champagne.
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Nous tenons à remercier l’Association Recherche Œnologique
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le CIVC et la coopérative Nogent l’Abbesse pour leur participation
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