Identifier le risque d'apparition d'un défaut aromatique avant qu’il ne devienne perceptible dans le vin, évaluer le stress hydrique d’une parcelle ou mieux comprendre l’origine de sa nutrition azotée : derrière leur image de technologie de pointe, les isotopes trouvent des applications très concrètes dans la filière vitivinicole. De la spectrométrie de masse à la dilution isotopique, ils deviennent de véritables outils de diagnostic pour accompagner une viticulture confrontée à de nouveaux défis.

Changement climatique, évolution de la matière première, réduction des intrants, adaptation des pratiques œnologiques, recherche de vins moins alcoolisés… La filière vitivinicole doit aujourd’hui composer avec des contraintes multiples, parfois contradictoires. Pour les laboratoires, ces transformations posent une question essentielle : comment mieux comprendre ce qui se passe dans la vigne et dans le vin pour intervenir au bon moment ?

Lors d’une session présentée à Forum LABO, des chercheurs de l’UMR Sciences pour l’Œnologie et du laboratoire EXCELL ont montré comment l’analyse isotopique pouvait apporter une partie de la réponse.

Avec plus d’un millier de composés aromatiques recensés, dont environ 10 % sont considérés comme ayant un impact sur l’arôme, le vin constitue une matrice particulièrement complexe à analyser. Certains de ces composés sont présents à l’état de traces et peuvent être extrêmement réactifs. Pour les détecter, les méthodes analytiques doivent donc atteindre des niveaux de sensibilité très élevés. Cette difficulté devient particulièrement importante lorsqu’il s’agit d’identifier un défaut aromatique.

Parmi ces défauts figure l’arôme de champignon frais (ACF), associé à une altération fongique de la matière première et observé de manière récurrente dans différents bassins viticoles. Sa détection est particulièrement délicate.

Le défaut peut être visible sur la grappe, devenir difficilement perceptible dans le moût, puis réapparaître à la fin de la fermentation alcoolique. Son intensité peut ensuite continuer à fluctuer dans le vin. Autrement dit, attendre de pouvoir sentir le défaut dans le produit fini peut déjà être trop tard.

Plusieurs familles de molécules étaient déjà associées à ce défaut, notamment certains composés en C7, C8 et C9. Parmi eux, l’oct-1-en-3-one est considérée comme particulièrement impactante sur les notes de champignon frais. Mais son utilisation comme marqueur présente une limite importante : sa détection intervient essentiellement dans le produit final et repose sur une analyse par GC-MS relativement chronophage.

Le second était notamment déjà connu dans la pomme, mais a été identifié pour la première fois dans des vins présentant le défaut étudié. L’enjeu est alors devenu analytique : comment quantifier ces composés de manière sensible, fiable, rapide et suffisamment robuste pour envisager un transfert vers des partenaires industriels ?

Pour répondre à cette problématique, les chercheurs se sont tournés vers une technique de référence en spectrométrie de masse : la dilution isotopique. Le principe consiste à ajouter à l’échantillon une quantité connue d’un étalon interne présentant une structure quasiment identique à celle de la molécule recherchée, mais marqué avec des isotopes stables. Dans le cas présenté, certains atomes d’hydrogène sont par exemple remplacés par du deutérium. L’intérêt est majeur : l’analyte et son analogue isotopiquement marqué se comportent presque de la même manière pendant l’analyse.

Si une partie de la molécule cible est perdue ou dégradée lors de la préparation de l’échantillon, son étalon interne subira, dans des conditions correctement validées, un phénomène comparable. La quantification repose alors sur le rapport entre les deux signaux, ce qui permet de corriger une grande partie des biais analytiques et des effets de matrice. Cette robustesse a toutefois une contrepartie : les étalons isotopiquement marqués ne sont pas toujours disponibles dans le commerce et peuvent nécessiter un véritable savoir-faire en synthèse organique. Le positionnement des isotopes doit également être suffisamment stable pour éviter leur échange ou leur perte au cours de l’analyse.

La méthode développée associe une chromatographie liquide à un spectromètre de masse triple quadripôle, utilisé en mode MRM. L’approche permet de sélectionner précisément l’ion correspondant au composé recherché, de le fragmenter puis d’identifier certains fragments caractéristiques. Plusieurs transitions sont utilisées afin de confirmer l’identité de la molécule et de renforcer la sélectivité de la mesure. Mais l’un des enjeux était également de réduire au maximum la préparation des échantillons.

Pour le vin, le protocole présenté est particulièrement simple : 1 mL de vin, ajout des étalons internes, centrifugation puis injection. La séparation chromatographique est réalisée sur une phase inverse C18 avec un gradient de 16 minutes. La méthode a ensuite été évaluée selon plusieurs critères : linéarité, effet matrice, exactitude, répétabilité, reproductibilité et limites de détection et de quantification.

Dans les conditions de l’étude, les résultats présentés montrent notamment des exactitudes comprises entre 90 et 110 %… et des niveaux de répétabilité et de reproductibilité inférieurs à 15 %. La dilution isotopique permet par ailleurs de corriger très fortement les effets de matrice observés initialement.

C’est probablement là que l’application devient la plus intéressante pour la filière. Une soixantaine de vins ont été analysés, dont environ la moitié ne présentait pas de défaut ACF lors de l’évaluation sensorielle, tandis que l’autre moitié présentait différents niveaux de contamination. Les concentrations des nouveaux marqueurs ont permis de distinguer significativement les deux groupes et ont montré une bonne corrélation avec l’intensité sensorielle du défaut.

Mais surtout, les chercheurs ont reproduit cette discrimination directement dans les moûts. Vingt moûts ont été analysés : dix ayant ensuite donné un vin sans défaut et dix ayant conduit à un vin présentant un ACF. Là encore, une différence significative a pu être observée. Ces résultats ouvrent la voie à un diagnostic précoce, avant même que le défaut ne se manifeste clairement dans le produit final. Sous réserve d’une validation sur des séries plus importantes et diversifiées, l’analyse pourrait ainsi compléter l’évaluation sanitaire des raisins et permettre de classer les cuves selon leur niveau de risque, afin d’adapter plus tôt les décisions prises en cave.

Autre intérêt de l’approche : elle ne se limite pas à la matrice œnologique. Le protocole a également été adapté au jus de pomme, avec simplement une étape supplémentaire de broyage et de filtration. Dans cette matrice, les mêmes composés sont associés non plus à un arôme de champignon frais, mais à ce qui peut être décrit comme un goût de cave. La méthode a là encore permis de distinguer les échantillons témoins des échantillons contaminés. Une illustration de l’intérêt des méthodes analytiques multimatrices, capables d’être déployées dans plusieurs filières agroalimentaires.

Le mécanisme repose directement sur la photosynthèse. Lorsque la vigne dispose de suffisamment d’eau, les stomates présents sur les feuilles restent ouverts et permettent les échanges gazeux. Le CO₂ pénètre dans la feuille et la Rubisco, enzyme essentielle à la photosynthèse, privilégie naturellement le carbone 12, plus léger, au carbone 13. En situation de stress hydrique, la plante ferme progressivement ses stomates afin de limiter les pertes en eau.

La quantité de CO₂ disponible à l’intérieur de la feuille diminue alors. La discrimination entre carbone 12 et carbone 13 devient moins importante et une proportion plus élevée de carbone 13 se retrouve dans les sucres produits. En analysant ensuite le rapport isotopique de ces sucres dans le raisin, il devient possible d’estimer, de manière intégrée, le niveau de contrainte hydrique subi par la vigne pendant la période d’accumulation des sucres.

L'intérêt du δ¹³C est qu'il constitue un indicateur intégratif. Une seule mesure réalisée à proximité de la récolte permet d'obtenir une information qui intègre les conditions rencontrées par la plante pendant la période d'accumulation des sucres. Il ne s'agit donc pas d'un outil destiné au pilotage instantané de l'irrigation, mais plutôt d'une manière de comprendre le comportement global de la vigne sur une période donnée.

Les données présentées par le laboratoire EXCELL reposent sur une base de plus de 10 000 échantillons. À l'échelle nationale, elles permettent notamment de mettre en évidence un effet millésime. Un millésime chaud et sec présente ainsi un profil différent d'une année beaucoup plus pluvieuse. Mais plus l'échelle d'observation se resserre - région, appellation, domaine puis parcelle - plus l'information devient précise.

L'analyse isotopique prend alors une dimension particulièrement concrète. En associant les résultats aux coordonnées des parcelles, il devient possible de construire une cartographie du δ¹³C à l'échelle d'un domaine viticole. Le viticulteur peut ainsi visualiser les zones ayant subi les contraintes hydriques les plus importantes et comparer leur comportement d'un millésime à l'autre. Ces différences peuvent notamment être liées à la nature des sols.

Ces différences peuvent notamment être liées à la profondeur et à la structure du sol, à sa réserve utile en eau, à sa teneur en argile ou en éléments grossiers, ainsi qu’à l’enracinement de la vigne. L'analyse isotopique devient alors un outil supplémentaire pour comprendre pourquoi deux parcelles d'un même domaine ne réagissent pas de la même manière aux mêmes conditions climatiques.

Le carbone n'est pas le seul élément capable de livrer des informations. Le rapport isotopique de l'azote, ou δ¹⁵N, permet d'explorer une autre dimension : celle de la nutrition azotée et de l'origine de la matière organique utilisée par la plante. Les fertilisants et amendements peuvent présenter des signatures isotopiques différentes selon leur origine. Toutefois, le δ¹⁵N mesuré dans la plante résulte également des transformations de l’azote dans le sol et des processus d’assimilation. Il ne permet donc pas, à lui seul, d’attribuer avec certitude une source de nutrition azotée, mais peut apporter des indices complémentaires sur le fonctionnement des parcelles et les pratiques de fertilisation. Encore émergente en viticulture, l’analyse du δ¹⁵N pourrait ainsi compléter les informations fournies par le δ¹³C et contribuer à une compréhension plus fine des parcelles.

Les deux approches présentées semblent, à première vue, très éloignées. D'un côté, des étalons isotopiquement marqués permettent de quantifier avec précision des molécules présentes à l'état de traces et d'anticiper un défaut aromatique. De l'autre, les variations naturelles des isotopes du carbone et de l'azote deviennent des marqueurs du fonctionnement de la vigne et de son environnement.

Pourtant, elles reposent sur une même idée : utiliser les isotopes comme des traceurs capables de révéler une information invisible à l'œil nu.

Dans une filière confrontée au changement climatique, à l'évolution des attentes des consommateurs et à la nécessité de mieux maîtriser ses ressources, cette capacité à détecter, comprendre et anticiper pourrait devenir particulièrement précieuse.

Du raisin à la parcelle, et de la molécule au millésime, les isotopes permettent ainsi au laboratoire de lire une partie de l'histoire de la vigne et du vin.

Article réalisé à partir de la session consacrée aux applications des isotopes dans la filière vitivinicole, présentée lors de Forum LABO.