Un cours intéressant de l’Université Lille 1








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date de publication23.04.2017
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H. Barthomeuf – Lycée Simone Weil (42) – Document professeur

Activité tensioactifs, émulsions et mousses

A. La « peau » de l’eau

1. Expérience préparatoire (à faire à la maison)


Remplir un verre d’eau à ras bord avec de l’eau. Ajouter doucement des pièces de 10 centimes. Combien peut-on en ajouter sans que l’eau ne déborde ? Décrire l’aspect de la surface de l’eau.

La quantité de pièces que l’on peut ajouter est surprenante et peut aller jusqu’à une vingtaine. L’eau est alors « gonflée » et dépasse largement de la surface du verre.

Ajouter une goutte de détergent (liquide vaisselle). Décrire ce que l’on observe.

L’eau déborde dès la première goutte de détergent ajoutée.
Cette expérience peut être faite en classe avec des rondelles (pour bricolage) = expérience pas chère

2. Exploitation








Fig. 1 : Un insecte utilise les propriétés de l’eau

Source : http://fr.fotopedia.com/items/flickr-3759754192

Fig 2 : Sur une feuille, une goutte d’eau prend une forme particulière

Source : http://images.cdn.fotopedia.com/flickr-1809394306-hd.jpg
En observant les photographies, proposer une explication à la première partie de l’expérience.

Selon vous, quel est le rôle du détergent dans cette expérience ?

Ce qui assure la cohésion de la surface de l’eau, c’est la tension superficielle. Il s’agit d’une force. C’est elle qui permet à l’insecte de « marcher » sur l’eau, c’est elle également qui contribue à donner une forme quasi-sphérique à la goutte d’eau sur la feuille. Le détergent modifie les propriétés de la surface de l’eau et modifie donc la valeur de la tension superficielle. Celle-ci est plus faible et l’eau déborde du verre.
Les lycéens d’un club scientifique du Lycée Hoche à Versailles ont réalisé un joli dossier : http://apelh.free.fr/ecoulement/dossier.pdf

Un cours intéressant de l’Université Lille 1 : http://www-lemm.univ-lille1.fr/physique/mecaflu_stat/cours/chap5.pdf

B. Vinaigrette et mayonnaise

1. Les recettes


Dans le Larousse de la Cuisine, édition de 1990, on trouve les recettes suivantes :

  • Vinaigrette :

    1. Mettez deux pincées de sel dans un saladier. Ajoutez deux cuillères à soupe de vinaigre et remuez pour dissoudre.

    2. Ajoutez 3 ou 4 tours de moulin à poivre, puis versez de 4 à 6 cuillères à soupe d’huile. Fouettez pour émulsionner.

  • Mayonnaise : 2 jaunes d’œufs, moutarde, vinaigre de vin blanc, 50 cL d’huile de tournesol, sel, poivre du moulin.

    1. Une demi-heure avant de commencer la mayonnaise, sortez tous les ingrédients à température ambiante. Cassez les œufs et mettez les jaunes dans un grand bol.

    2. Ajoutez aux jaunes d’œufs 1 cuillère à café de moutarde, 1 pincée de sel et 2 tours de moulin à poivre. Fouettez.

    3. Ajoutez 1 cuillère à café de vinaigre et mélangez à nouveau rapidement. Vous pouvez remplacer le vinaigre par du jus de citron.

    4. Ajoutez un filet d’huile et fouettez vivement jusqu’à ce que le mélange commence à prendre.

    5. Incorporez petit à petit tout le reste de l’huile sans cesser de fouetter. La mayonnaise doit alors être bien ferme.

2. Une mayonnaise industrielle


La composition d’une mayonnaise industrielle (mayonnaise à la moutarde de Dijon de Carrefour) est la suivante :

Huile de colza (70,8%), eau, jaune d'œuf (5,3%) moutarde de Dijon (3%) (Eau, graines de moutarde, vinaigre d'alcool, sel, acidifiant : acide citrique, antioxygène : disulfite de potassium), vinaigre d'alcool, sirop de glucose-fructose de blé, sel, sucre, arômes, épaississant : gomme xanthane, colorants : lutéine et extrait de paprika.

3. Documents


Mélanger de l’huile à de l’eau ?

Vous prenez un bol où vous versez de l’huile, puis de l’eau : deux phases se séparent, l’eau, plus lourde, en-dessous, et l’huile, plus légère, au-dessus. Vous fouettez : quelques gouttes d’eau entrent dans l’huile, quelques gouttes d’eau vont dans l’huile, mais dès que l’agitation cesse, les gouttes d’huile remontent et les gouttes d’eau redescendent. Les deux phases se séparent à nouveau.

Par quel miracle l’eau du jaune d’œuf (environ la moitié du jaune) et l’huile restent-elles mélangées dans la mayonnaise ? Le secret de la préparation est dans le jaune de l’œuf […].

Voyons d’abord pourquoi l’huile et l’eau ne se mélangent pas. Les molécules d’eau, composées d’un atome d’oxygène lié simultanément à deux atomes d’hydrogène, se lient par ce que l’on nomme des liaisons hydrogène, entre un atome d’oxygène d’une molécule d’eau, et un atome d’hydrogène d’une molécule voisine.

Au contraire, les molécules d’huile, ou lipides, sont des snobs qui ne frayent pas avec l’eau. Ce sont par exemple des triglycérides, c’est-à-dire des molécules en forme de peignes à trois dents, composées principalement d’atomes de carbone et d’hydrogène (cf. fig. 3)

Comment mélanger l’huile à l’eau ? En leur ajoutant des molécules « entremetteuses » qui ont une affinité à la fois pour l’huile et pour l’eau. C’est grâce à ces molécules « tensioactives » que l’on obtient la mayonnaise, où la concentration en huile atteint 65 %. Les mayonnaises sont des « émulsions » : les tensioactifs de la moutarde et du jaune d’œuf (telles les lécithines) servent à enrober des gouttelettes d’huile, en mettant à leur contact leur partie hydrophobe, et à disperser ces gouttelettes enrobées dans l’eau, en se liant aux molécules d’eau par leur partie hydrophile.

Pourquoi les gouttelettes enrobées ne se fondent-elles pas en une seule phase ? Parce que les têtes hydrophiles des tensioactifs sont électriquement chargées : les gouttelettes, présentant toutes la même charge électrique, se repoussent. Cette caractéristique explique pourquoi les acides, tels le vinaigre ou le jus de citron, stabilisent la mayonnaise : en milieu acide, certaines molécules tensioactives ont une charge électrique supérieure, et se repoussent donc davantage.

Hervé This, Les Secrets de la Casserole, éd. Belin, 1993






Fig. 3 : Molécule de triglycéride (réalisée avec Chemsketch)

Fig. 4 : Molécule de triglycéride (vue 3D Chemsketch)










Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7 (source http://www.texample.net/tikz/examples/lipid-vesicle/)


Hydrogen bonds

Hydrogen bonding occurs when an atom of hydrogen is attracted by rather strong forces to two atoms instead of only one, so that it may be considered to be acting as a bond between them. […]

Water hydrogen bonds

Liquid water is exceptional in having approximately as many hydrogen bonds as it has covalent bonds. In water's hydrogen bonds, the hydrogen atom is covalently attached to the oxygen of a water molecule […] but has (optimally) an additional attraction […] to a neighboring oxygen atom of another water molecule that is far greater than any included Van der Waals1 interaction. Water's hydrogen bonding holds water molecules up to about 15% closer than if water was a simple liquid with just van der Waals interactions. […]

The hydrogen bond in water is part (about 90%) electrostatic and part (about 10%) covalent […]

The anomalous properties of liquid water may be explained primarily on the basis of its hydrogen bonding.

http://www.lsbu.ac.uk/water/hbond.html

1 Weak intermolecular attraction
Une émulsion est une suspension d’un liquide dans un autre, avec lequel il n’est pas miscible. C’est un état métastable dans lequel la séparation de phase entre les deux liquides non miscibles n’est pas complète, mais l’un des liquides est dispersé dans l’autre sous la forme de gouttelettes.

http://www-ipcms.u-strasbg.fr/spip.php?article303&lang=en
Les émulsifiants, appelés parfois émulsionnants, stabilisent l'émulsion. Ce sont le plus souvent des tensioactifs ou agents de surface. […] Le jaune d'œuf sert d'émulsifiant dans la préparation de sauces en cuisine. Cette propriété est due à la lécithine qu'il contient. La lécithine se trouve également dans le soja et est très utilisée dans les préparations industrielles. La caséine est une protéine du lait qui est émulsifiante.

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89mulsion

4. Questions


  1. Schématiser quelques molécules d’eau reliées par des liaisons hydrogène.



  1. Expliquer pourquoi l’huile et l’eau ne sont pas miscibles.

Une liaison hydrogène ne peut se former entre deux molécules que si elles possèdent un groupement hydroxyle : . C’est bien le cas de la molécule d’eau. Les molécules d’huile, elles, sont de grosses molécules, formées principalement d’atomes de carbone et d’hydrogène.

Elles comportent une chaîne carbonée très longue, mais ne contiennent pas de groupement hydroxyle : elles ne peuvent donc pas former de liaison hydrogène avec l’eau : ainsi l’huile et l’eau ne sont pas miscibles.


  1. Qu’est-ce qui explique la forte tension de surface de l’eau ?

La forte tension de surface de l’eau est explicable aussi par l’existence des liaisons hydrogène.

  1. En utilisant les fig. 5 à 7, schématiser une molécule tensioactive en mettant en évidence la partie hydrophile et la partie hydrophobe.

cercle = partie hydrophile ; « traits » = partie hydrophobe

  1. Représenter le triglycéride donné en exemple en formule topologique.



  1. Indiquer quels sont la phase aqueuse et la phase lipidique, le tensioactif dans la vinaigrette, la mayonnaise maison et industrielle.




vinaigrette

mayonnaise maison

mayonnaise industrielle

Phase aqueuse

Vinaigre

Eau du jaune d’œuf

Eau de la moutarde

Vinaigre

Eau

Eau du jaune d’œuf

Eau de la moutarde

Vinaigre

Phase lipidique

Huile

Huile de tournesol

Huile de colza

Tensioactif

--

Lécithine du jaune d’œuf

Tensioactifs de la moutarde

Lécithine du jaune d’œuf

Tensioactifs de la moutarde




  1. La vinaigrette est-elle une émulsion stable ? Pourquoi ?

On observe que la vinaigrette n’est pas une émulsion stable. De plus, on constate qu’il n’y a pas d’émulsifiant (tensioactif).

  1. Quel est le rôle du « fouettage » dans la recette de la mayonnaise ?

Fouetter permet de scinder les gouttelettes (micelles) en gouttelettes de plus en plus petites, ce qui améliore encore la stabilité de l’émulsion.

  1. À l’aide des documents, proposer un protocole permettant de tester différentes conditions d’obtention d’émulsions stables et instables. On dispose de jaunes d’œufs, d’huile, de moutarde et de vinaigre.

Pistes de protocoles : vinaigrette simple, « mayonnaise » montée sans moutarde ; avec moutarde à la fourchette ; avec moutarde au fouet électrique. Peuvent être réalisés on non suivant le temps restant ou choisi.

C. Chantilly, chantilly-chocolat, mousse du bain(!)

1. Document


Commençons par prendre un peu d’eau dans un cul de poule. À l’aide d’un fouet, fouettons: nous voyons que le fouet introduit des bulles d’air (chaque fil pousse de l’air: plus il y a de fils au fouet et plus on pousse d’air) dans l’eau. On peut ainsi faire mousser mais la mousse ne tient pas: les bulles remontent rapidement en surface parce que l’eau est peu visqueuse et elles éclatent aussitôt.

Reprenons l’expérience avec du liquide à vaisselle: cette fois, les bulles remontent encore en surface mais elles y forment une mousse formée de bulles qui n’éclatent pas immédiatement (elles finiront sans doute par éclater plus tard; tout dépend du détergent utilisé). Quand on fouette pour introduire des bulles, on fait mousser, ou encore, on «foisonne». C’est tout simple, n’est-ce pas? Les enfants dans leur bain font mousser le bain à l’aide du savon et ils savent bien que la mousse est faite de bulles. […]

Évidemment, les mousses faites avec de l’eau pure et du liquide à vaisselle ne sont pas des merveilles gastronomiques! Toutefois, leur comportement nous donne la clé des mousses culinaires. Pour faire une mousse, nous savons en effet qu’il faut de l’eau, un gaz et quelque chose qui va retenir les bulles. […]

Il faut que la mousse tienne et là se trouve le problème essentiel de la cuisine. La solution s’obtient simplement quand on considère le blanc d’œuf battu en neige: ce sont les protéines du blanc d’œuf qui contribuent à la formation de la mousse (au foisonnement, et, je le répète encore, pas à l’émulsion; aucune émulsion dans ce cas!). […]

Reste alors à savoir comment faire tenir les mousses. […] Si l’on fouette du miel, ou du moins, si l’on introduit des bulles d’air dans du miel ou dans tout liquide visqueux, les bulles s’en échappent difficilement, contrairement à l’eau. D’autre part, si le liquide contient des molécules qui retiennent les bulles d’air, ces bulles sont retenues. Enfin, il faut savoir que les mousses à petites bulles tiennent mieux que les mousses à grosses bulles… ce que devraient savoir tous les cuisiniers parce que c’est précisément pour cette raison que l’on «serre» les blancs d’œufs avec du sucre.

http://www.amabilia.com/contenu/bienmanger/carte_blanche_herve_this_2.html
D’après le texte, préciser les différences et similarités entre une émulsion et une mousse.

Dans les deux cas, on a deux phases non miscibles qui se retrouvent intimement mêlées. Pour la mousse, c’est de l’air et un liquide ; pour l’émulsion, c’est un liquide gras et un liquide aqueux.

Dans les deux cas, le mélange est stabilisé par un tensioactif (on retrouve le liquide vaisselle).

2. Chantilly-chocolat

a. La recette :


1. Dans une casserole, mettre 20 cL d’un liquide parfumé (jus de fruit) et 250 g de chocolat.

2. Chauffer doucement, la sauce doit être un peu crémeuse.

3. Quand tout le chocolat est fondu, retirer la casserole du feu et la refroidir en la posant sur un lit de glace. Simultanément, fouetter à l’aide d’un fouet mécanique ou d'un batteur électrique, en cherchant bien à introduire de l’air.

Au début, quelques grosses bulles d’air apparaissent en surface mais elles ne tiennent pas bien. Quand la préparation a suffisamment refroidi, elle gonfle et blanchit légèrement ; augmenter alors la vitesse de battage pendant quelques secondes.

Ca y est, c’est fait ! Naturellement, nous ne résisterons pas au plaisir de déguster immédiatement ce Chocolat Chantilly. Nous pouvons aussi le laisser attendre au réfrigérateur. Bon appétit !

Hervé This. Alimentation - Décembre 2007

b. Questions


Cette recette met en jeu une émulsion et une mousse.

  1. Quelle étape correspond à la réalisation de l’émulsion ? Préciser le tensioactif qui intervient. Indiquer quel est le corps lipidique et quel est le corps aqueux.

C’est l’étape 1 : on mélange un jus de fruit (le corps aqueux) et du chocolat (le corps lipidique). Ce qui permet de stabiliser l’émulsion c’est la lécithine qui est ajoutée dans le chocolat.

  1. Quelle étape correspond à la réalisation de la mousse ? Qu’est-ce qui permet de la stabiliser ?

C’est l’étape 2 : fouetter permet d’introduire de l’air. Ce qui permet de la stabiliser c’est la lécithine du chocolat (aussi) et la solidification du chocolat.

Pour approfondir ou varier les sources :


Groupe de recherche mousses et émulsions

Site cuisine avec "trucs"

Analyseur de capacité de tensioactifs (site industriel)

http://www-lsp.ujf-grenoble.fr/-Mousses-structure-et-dynamique-

Tous les ouvrages d’Hervé This

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