3 - Réactions physico-chimiques

       La physicochimie est la chimie qui se sert des lois de la physique pour interpréter les phénomènes chimiques. 

 

 1) Pouvoir moussant (cf : expérience 7 - Mise en évidence des caractéristiques physico-chimiques)

      Tout d’abord, nous nous demandons naturellement ce qu’est la mousse.

Selon le Larousse c’est un « milieu formé à l'interface d'un liquide et d'un gaz par une phase continue liquide dans laquelle est dispersée sous forme de cellules une phase gazeuse. » Plus simplement, on retient qu’une mousse est un gaz dispersé dans un liquide ou un solide. Il existe donc deux différents types de mousse, la mousse aqueuse (liquide) et la mousse dite solide.

La densité de la mousse est très faible car elle est majoritairement constituée de gaz et très peu de matière solide ou liquide.

        Dans le cadre de ce TPE, nous nous intéressons plus particulièrement à la mousse aqueuse.

 Il existe différentes manières de créer une mousse :

-          on peut insuffler du gaz dans un liquide

-          fabriquer ce gaz in situ soit par fermentation (transformation d'un corps d'origine organique sous l'influence d'un ferment ou enzyme) soit à l’aide d’un porogène (substance qui, grâce à sa vaporisation liée à l’augmentation de la température, rend un produit poreux)

-           mélanger un gaz et un liquide pour ensuite leur faire traverser un matériau poreux

-          battre un liquide contenant du gaz.

 

Ainsi, on peut obtenir une mousse  à partir d’un œuf en battant son blanc : ce sont les « blancs en neige », c’est d’ailleurs ce que nous avons démontré dans l’expérience 7.

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        Pour obtenir des œufs en neige il faut battre les œufs pour introduire des bulles d’air dans le blanc d’œuf. Petit à petit, le fouet va diviser les bulles d’air déjà présentes  tout en continuant d’introduire de l’air dans le liquide jusqu’à obtenir une mousse. Cette dernière est ferme car les bulles d’air sont tellement petites et proches les unes des autres qu’elles ne peuvent plus bouger.  Le gaz, ici l’air représente la phase dispersée dans le blanc d’œuf : la phase continue.

        Nous savons que le blanc est constitué à 90 % d’eau, parmi ses autres constituants on trouve des protéines, la dominante étant l’ovalbumine (en effet elle représente plus de la moitié des protéines présentes), mais on en trouve tout de même d’autres, telle que l’albumine. Ces protéines forment de minuscules pelotes repliées sur elles-mêmes. Quand on fouette le blanc les protéines vont se dénaturer (dérouler) et vont s’accrocher entre elles afin de créer un film entourant les bulles d’air.  

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tensioactif.jpg

Les protéines sont en réalité des molécules tensioactives qui sont en forme de "sucette"

avec une extrémité polaire hydrophile, et une extrémité apolaire hydrophobe.

Elles vont s’orienter automatiquement à l’interface air/ eau de chaque bulle ; la partie hydrophile tournée vers l’eau, et l’autre partie tournée vers l’air. L’air est ainsi totalement prisonnier.

La formation de la mousse  ainsi que sa durée de vie très étroitement liée à sa stabilité, dépendent donc entièrement de ces molécules tensioactives naturellement présentes dans le blanc d’oeuf.

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  2) Pouvoir émulsifiant  (cf : expérience 7 - Mise en évidence des caractéristiques physico-chimiques)

      Une émulsion est la dispersion, sous forme de petites gouttelettes, d’une substance liquide dans un autre liquide. Même si le mélange parait macroscopiquement homogène, il est bien hétérogène microscopiquement.  

      Pour la création d’une émulsion, il faut que la dispersion soit stable ce qui veut dire qu’une fois mélangées, les deux phases doivent rester naturellement séparées.

Ce mélange doit sa stabilité à un troisième élément émulsifiant : les fameuses molécules tensioactives.

      A partir d’une certaine concentration, les molécules du composé tensioactif se regroupent pour former des agrégats de structure sphérique : les micelles. Les queues hydrophobes sont orientées vers l’intérieur de la sphère où elles sont protégées de l’eau tandis que les têtes  hydrophiles sont tournées vers l’extérieur pour former la surface de contact avec l’eau.

emulsion-micelle-2.jpg

      Pour obtenir une émulsion à partir d’un œuf, il faut faire une mayonnaise.

 

mayo-1.jpg      Recette de la mayonnaise :

      -1 jaune d’œuf

      -1 cuillère à café de moutarde

      -¼ de L d’huile

      -1 cuillère à café de vinaigre

      -Sel, poivre

      Mettre dans un bol le jaune d’œuf, saler, poivrer, bien mélanger au fouet.

      Ajouter le vinaigre, mêler. Incorporer l’huile,  en un mince filet, en fouettant énergiquement.

 

      Nous savons déjà que le jaune d’œuf contient de l’eau, le vinaigre lui aussi en détient et donc la moutarde aussi car elle est majoritairement composée  de vinaigre.

      Or, lorsqu’on mélange l’huile et le jaune d’œuf, l’huile -qui est moins dense- remonte à la surface : les liquides sont non miscibles. Pourtant à force de fouetter, les gouttelettes d’huile restent en suspension dans l’eau et peuvent ainsi former une émulsion stable. Il est donc évident que l’huile et l’eau ne sont pas les seuls constituants de base de la mayonnaise.

C’est  ici qu’interviennent les molécules tensioactives contenues dans le jaune d’œuf dont la lécithine (un lipide).  En réalité, les queues hydrophobes de ces molécules sont lipophiles (qui « aime » les lipides).

      Hormis le mélange des deux phases, le battement des différents ingrédients permet de dénaturer les protéines du jaune d’œuf. C’est le même mécanisme que pour les blancs en neige. Les liaisons les plus faibles (celles d’hydrogène par exemple) se rompent, les protéines deviennent de longues chaînes d’acide aminés ce qui va faciliter leur insertion entre les gouttelettes d’eau.

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      Enfin, toutes les protéines vont se lier entre elles pour créer un réseau très dense qui va emprisonner les gouttelettes d’huile : c’est la formation des micelles.

      Ces micelles -qui subissent des interactions électrostatiques- se repoussent car elles portent les mêmes charges électriques, elles vont donc se disperser dans l’eau.

Puis, grâce à leur surface hydrophile, les micelles forment des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau. Le mélange est donc stabilisé.     

 

3) Pouvoir coagulant  

      La coagulation consiste en la transformation d’une substance organique liquide  en une masse solide.

En effet lorsqu’on chauffe un œuf on observe que le liquide devient solide. De plus le blanc de l’œuf transparent et jaune devient opaque et blanc.

      Encore une fois, ce sont les protéines qui sont à l‘origine de cette réaction.

Lorsque la température s’approche de 60°, l’agitation atomique devient si importante qu’elle entraine une dénaturation des protéines présentes dans l’œuf (comme expliqué précédemment,  les liaisons les plus faibles se rompent et les protéines de déroulent).

      Certaines parties deviennent accessibles, les protéines dénaturées se réorganisent donc en formant de nouvelles liaisons. La dénaturation va expulser les atomes de soufre, présents au cœur de la protéine. Deux atomes de soufre ont tendance à se lier, créant ainsi un pont disulfure. Ainsi, toutes les protéines se lient entre elles pour créer un réseau très dense emprisonnant les molécules d’eau présentes dans l’œuf.

De plus, les protéines dénaturées s’entourent de molécules d’eau, ainsi elles augmentent leur volume et leur mobilité est réduite. L’œuf se rigidifie, car les molécules ne peuvent plus bouger.

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      Le phénomène de coagulation est observable pendant la cuisson d’un œuf.

Le blanc débute la coagulation à 57° et le jaune à 65°.

La tendreté d’un blanc d’œuf cuit dépend de la quantité d’eau piégée, or l’eau s’évapore à 100°.  Une perte d’eau va entrainer un blanc d’œuf caoutchouteux.

Ainsi pour obtenir un parfait œuf au plat / œuf à la coque il suffit de chauffer l’œuf à une température inférieure à 100° et supérieure à 65°.  

     D’autre part, les acides aussi permettent la coagulation de l’œuf. En effet, dans l’expérience 1, la partie externe de l’œuf devient opalescente et plus rigide que le reste de l’œuf au contact du vinaigre.

      Les acides aminés, présents dans les protéines, sont liés par des liaisons hydrogène, disulfure, ionique et  Van der Waals. Un changement du pH entraine une modification des charges portées par les acides aminés. Ainsi, les liaisons ioniques et Vander Waals sont modifiées. La structure spatiale est stabilisée et donc les protéines de l’œuf coagulent.

 

Remarque : Il existe d’autres facteurs beaucoup moins connus qui permettent aussi la coagulation : par le sel et par l’alcool.

  • Le chlorure de sodium présent dans le sel « masque » les charges des protéines. Il neutralise donc le système, un pseudo gel est créé par l’interaction entre les protéines.
  • L'alcool est un mauvais solvant des protéines de l'œuf. Il casse les liaisons entre protéines. Ces dernières se dénaturent, provoquant ainsi la coagulation de l'œuf.

 

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