Dégagement gazeux lors d'une fermentation :
Cette expérience va nous permettre de mettre en évidence un dégagement gazeux lors d'une fermentation.
Il faut 10 cl d’eau tiède, 5 g de levure de boulanger et une cuillère à café de sucre en poudre. Dissoudre le tout dans une bouteille en verre. Puis mettre un ballon de baudruche sur le goulot. => Le ballon se gonfle progressivement.
En consommant le sucre de la solution, la levure produit de l’éthanol (C2H5OH) et du gaz carbonique (CO2). Voici la réaction : C6H12 → 2(C2H5OH) + 2 CO2
Dans un milieu sucré, les levures utilisent le sucre (saccharose) comme énergie pour se développer et se multiplier. C'est l'activité chimique de ces microorganismes qui provoque le dégagement de gaz.
Pour prouver que le gaz contenu dans le ballon est du dioxyde de carbone, il est possible de laisser ce gaz s'échapper doucement du ballon dans un pot en verre. Allumez une bougie et placer la flamme dans le pot. On remarque que la bougie s'éteint, à cause de la présence de CO2.
2ème Expérience :
Expérience réalisée sans sucre. Il n'y a donc pas de réaction chimiques. Les levures ne peuvent pas utiliser le sucre pour se développer et dégager du gaz.
Expériences :
prises de mesure de températures
Attention :
Dans les expériences qui vont suivre et plus précisément les graphiques, nous pensions avoir mis en évidence un cycle de fermentation. Seulement, après trois ou quatre expériences, nous nous sommes aperçues que les prises de températures ont problablement été influencées par les radiateurs des classes. Même si nos graphiques sont fiables les quelques minutes suivants les expériences, à long terme ils ne le sont plus vraiment.
* 1ère expérience : Variation de la masse de l'herbe
Préambule:
Nous allons faire varier la quantité de matières organiques pour savoir si la production d'énergie en dépend. Pour cela nous avons pris deux erlenmeyers remplis d'herbe d'une masse différente:
- Le premier (en rouge) à 61grammes
- Le second (en vert) à 39 grammes
Comme nous n'avons pas le matériel nécessaire pour mesurer la production de chaleur, nous allons mesurer l'évolution de la température à l'aide de 2 sondes qui seront disposées à l'interieur des 2 erlenmeyers, nous permettant les mesures durant 24 heures. En effet, la température et la production de chaleur, (et donc d'énérgie) sont liées. Les 2 erlenmeyers sont enroulés dans des couvertures, pour que la lumière n'intervienne pas.
Graphique :
Observation et interprétation :
Dans le premier erlenmeyer, où la masse est la plus importante, nous remarquons une hausse de température d'environ 1,3 °C durant les 20 premières minutes, puis une diminution progressive de la température. Dans le second, il existe aussi une hausse de température mais elle est moins conséquente, environ 0,6°C. Nous pouvons faire un parallèle entre ces deux mesures. La masse du 1er erlenmeyer fait le double du second, ainsi que la hausse de température en degrés celsius. Cette hausse de température correspond à l'activité enzymatique, c'est à dire à leur respiration, à ce moment précis.
=> L'évolution de la température dépend de la masse.
Evolution de la température en fonction de masses différentes d'herbe.
Nous avons obtenus ce graphique à partir du logiciel DataStudio qui a été relié de l'ordinateur aux 2 sondes, grâce à l'interface portable GLX.
* 2ème expérience : variation de l'humidité de l'herbe
Préambule:
Nous allons faire varier le taux d'humité pour savoir si la production d'énergie en dépend. Pour cela nous avons pris deux erlenmeyers remplis d'herbe de même masse :
- Le premier (en rouge) un peu sec, herbe 34 grammes
- Le second (en vert) très humide, herbe 34,5 g.
Nous allons mesurer l'évolution de la température à l'aide de 2 sondes. Nous avons malheureusement réalisé trop tard, que l'erlenmeyer contenant l'herbe sec, était encore un peu chaud (puisque que nous l'avons séché dans le four) avant de lancer l'expérience. Nous avons tout de même essayé.
Graphique :
Observation et interprétation :
Comme prévu, le début de l'expérience est fossé. Nous pouvons cependant remarqué que pour l'herbe humide contenue dans le second erlenmeyer, il y a une légère hausse de température de 0,4°C durant les 20 premières minutes.
=> Nous n'avons donc pas de réponse à notre problème ..
Evolution de la température en fonction de l'humidité de l'herbe.
Observation microscopique :
En revanche, dans les erlenmeyer, une semaine après l'expérience, nous avons observé des filaments blancs entre les brins d'herbe, ainsi que de l'humidité (même dans l'erlenmeyer 1, à l'origine "sec"). Nous avons prélevé quelques brins d'herbe et les avons laissés une semaine dans de l'eau distillée.
Nous avons effectué une préparation microscopique optique à partir de gouttes prélevées sur la préparation avec du bleu de méthylène. Nous apercevons en très grand nombre des bactéries en forme de bâtons fins, ce sont des baciles appartenant au genre bactérien des clostridium et d'autres en forme de rond avec une membrane visible, peut être des spores (structures de reproduction qui peuvent survivre pendant de longues heures et dans des conditions défavorables).
* 3ème expérience : variation du pH de l'herbe
Préambule:
Nous allons faire varier l'indicateur de pH pour savoir si la production d'énergie en dépend. Pour cela nous avons pris deux erlenmeyers remplis d'herbe de même masse, le n°1 sera "neutre" (témoin) avec un pH de 7 le n°2 sera basique, puisque nous avons mélangé quelques gouttes de soude avec de l'eau distillée :
- Le premier(en vert) pH neutre (7), herbe 107 g.
- Le second(en rouge) pH basique (14), herbe 112 g.
Avant de lancer l'expérience, nos recherches nous avaient indiqué que l'activité enzymatique devait être plus élevée dans un milieu neutre. Le pH otpimal pour cette activité est de 7. Nous allons mesurer l'évolution de la température à l'aide de 2 sondes.
Graphique :
Observation et interprétation :
Dans le premier erlenmeyer, où le pH=7, nous remarquons une petite hausse de température durant les 10 premières minutes, puis une diminution progressive de la température. Au contraire, dans le second, où le pH=14, il n'existe pas de hausse de température. Nous pouvons donc dire que les recherches effectuées au préalable sont prouvées puisque dans la solution basique, on ne perçoit pas de hausse de température.
Explication :
Dans une solution basique, l'enzyme perd un électron. Au contraire, dans une solution acide, elle gagne un électron. Il y a donc une modification (changement chimique) dans les liens de la molécule de l'enzyme qui est alors dénaturée. Ce qui provoque un abaissement de l'activité enzymatique.
Evolution de la température en fonction d'un pH différent.
Observation champignons :
Dans le premier erlenmeyer (seulement), une semaine après l'expérience, nous découvrons de nombreux filaments blancs au fond du pot. Cela prouve encore, qu'il n'y a pas eu (ou presque) d'activité enzymatique dans le second. Ce sont des champignons, ils permettent de décomposer des matières organiques complexes.
* 4ème expérience : variation de l'aération du pain
Préambule:
Nous avons changé de matière organique. Nous travaillons maintenant sur du pain. Nous allons faire varier la présence d'O2 pour savoir si la production d'énergie en dépend. Pour cela nous avons pris deux erlenmeyers remplis de la même quantité de pain très humidifié, le n°1 aura le bouchon fermé (présence limitée d'O2) le n°2 aura le bouchon ouvert (libre circulation du dioxygène) :
- Le premier bouchon fermé.
- Le second pas de bouchon.
ATTENTION : Nous avons eu un problème informatique. Les courbes n'ont pas été enregistrées.
Observation champignons :
Une semaine après l'expérience, nous remarquons des champignons dans les 2 erlenmeyers mais beaucoup plus dans le second qui n'avait pas de bouchons. Le dioxygène a facilité le développement des champignons. En revanche dans le premier, il y a comme une couche de "gélatine" qui nous prouve qu'il y a eu un phénomène d'hydrolyse, qui n'a lieu qu'en milieu anaérobie.
Observation microscopique :
Les champignons et bactéries présents dans chacun des erlenmeyers, sont semblables. Dans le second, on remarque que certaines cellules sont plus longues et qu'il y a une plus grande présence de bactérie. Nous n'arrivons pas à determiner s'il s'agit de Spores (structures de reproductions) ou de levures (qui sont présentes dans le pain).
* 5ème expérience : variation de la température (bain marie)
Nous allons faire varier la température à laquelle pourront travailler les enzymes. Pour cela nous utiliserons 2 bains marie dans lesquel seront laissés les erlenmeyers remplis de pain humide. Le n°1 sera à 37°C, température idéal pour l'activité enzymatique, puis le n°2 à 60°C, température où les enzymes doivent être très peu fonctionnel, voir même détruites :
- Le premier (en rouge) bain marie à 37°C.
- Le second (en vert) bain marie à 60°C.
Graphique :
Observation et interprétation :
Dans le premier erlenmeyer, la température reste toujours à 37°C (température du bain marie). Dans le second, la température diminue de 3°C avant de chuter à 21°C. Nous avons conclue que le bain marie a été éteint par quelqu'un, ou qu'il s'est tout simplement mis en veille. Cependant nous remarquons que l'idée des bains marie n'était pas la meilleure, puisque notre évolution de température s'intéressait à l'activité enzymatique, or ce graphique nous prouve que les mesures relevées sont évidemment celles des bains marie.
Le titre du graphique nous montre bien l'erreur commise.
Evolution de la température en fonction d'un pH différent.
Observation champignons :
Nous avons observé à la surface de l'erlenmeyer, une substance liquide comme de la "gélatine" qui provient d'une hydrolyse. Cette substance vient de la décompostion de la matière organique par l'eau grâce aux ions H+ et H-.
Observation microscopique :
Nous avons prélevé sur une lame un échantillon des champignons présents dans l'erlenmeyer créés par la fermentation sur le pain. Cette observation microscopique nous révèle des levures en grand nombre, mais elles paraissent mortes (aucun mouvement). Nous avons voulu les comparer avec des levures industrielles, mais après avoir effectué leur dissolution, nous observons peu de levures ... elles étaient périmées.
* 6ème expérience : variation de la présence de glucose
Cette dernière expérience fut réalisée à la maison, dans une pièce sans chauffage. Nous allons faire varier la présence ou non de glucose pour savoir si l'activité enzymatique et donc la production d'énergie en dépend. Au début de l'expérience, seul le premier erlenmeyer contient du sucre dissout; le second n'en contient pas, il est donc le témoin :
- Le premier (en vert) herbe + 5 grammes de sucre dissout
- Le second (en rouge) herbe, sans glucose
Attention : 5 grammes de sucre dissout ont été ajouté au bout de 6h30 dans les 2 erlenmeyers.
Nous observons une augmentation de la température de 1,5°C dans le premier erlenmeyer contenant le sucre. Le second connaît aussi une augmentation, un peu plus faible, de 1°C. Lors de l'ajout du sucre dans les 2 erlenmeyers, on constate une forte hausse de température de presque 2°C pour chacun.
Ce graphique nous prouve sans aucun doute que la présence de glucose (sucre) aide à l'activité enzymatique et permet une fermentation plus "intense" dans la première heure.
Evolution de la température en fonction d'une présence de glucose.
A retenir
Durant la fermentation ("fervere"=bouillir c'est la transformation de substances végétales ou animales sous l'action de micro-organismes et des enzymes qu'il contiennent), l'activité microbienne se déroule en 2 étapes :
_ L'hydrolyse, que l'on aperçoit dans plusieurs des expériences effectuées sous formes d'une substance liquide ou épaisse comme de la "gélatine". Les matières organiques complexe sont donc décomposées en produits plus simple. Il s'agit d'une liquéfaction (changement d'un corps gazeux à l'état liquide). L'hydrolyse s'explique par la coupure des liaisons peptidiques entre les acides aminés et par une décomposition d'un corps par fixation des ions H+ et OH- provenant de la dissociation de l'eau.
_ Transformation des acides en gaz (principalementle méthane).
La fermentation est principalement le résultat de l'activité des bactéries méthanogènes (vivent en anaérobie et n'ayant donc pas besoin du dioxygène ) qui synthétise le méthane.
Les graphiques :
L'activité enzymatique augmente jusqu'à un certain temps (dans notre cas 20-30 minutes) puis diminue. Lors d'une hausse de température, les enzymes se dénaturent et ne peuvent attirer le substrat. Cette activité est parallèle à l'évolution de la température.
