Protocole expérimental théorique Académie de Caen Basse-Normandie Durée : 1 h 30

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Édouard Barrette
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1 XXVI es OLYMPIADES DE LA CHIMIE Protocole expérimental théorique Académie de Caen Basse-Normandie Durée : 1 h 30 Sujet d étude : le lait Il y a environ ans l homme des cavernes devenu sédentaire et éleveur découvrait qu il pouvait traire les animaux laitiers et transformer le lait en fromage (on a retrouvé en Suisse un moule en vannerie datant du Néolithique). L industrie laitière était née Quand il vient d être trait, le lait cru contient entre 30 et 70 grammes de matières grasses par litre, selon l animal producteur. Ce lait est ensuite soumis à différents traitements qui permettent entre autres de fixer le taux de matières grasses que doit contenir chaque type de lait selon la législation européenne, à savoir : 36g/L pour le lait entier, entre 15,5 et 18,5 g/l pour le lait demi-écrémé et moins de 3 g/l pour le lait écrémé. Outre sa valeur nutritive, le lait est utilisé dans des domaines très variés : ainsi fabrique t-on de la colle à partir de la caséine du lait, des plastiques biodégradables à partir de l acide lactique, ou encore des boutons et autres bijoux en galalithe, un polymère à base de caséine et de formol très dur et soyeux Composition moyenne du lait cru de vache : 87 % d eau 13 % de matières sèches formées de : 36 % de glucides (essentiellement lactose) 29 % de matières grasses (lipides), insolubles dans l eau 25 % de protéines dont 80 % environ de caséines 10 % de sels minéraux, vitamines, oligo-éléments. Ce protocole présente trois manipulations relatives au lait : - Partie A : extraction de la matière grasse d un lait par la méthode de ROSE-GOTTLIEB et identification de ce lait. - Partie B : dosage de l acide lactique, produit dérivé du lactose, dans un lait. - Partie C : extraction des caséines d un lait. Partie A : Extraction de la matière grasse d un lait par la méthode de ROSE-GOTTLIEB La méthode ROSE-GOTTLIEB éthéro-ammoniacale. correspond à un dosage des lipides par pesée après extraction 1-1 Principe: Les lipides étant, dans le lait, associés notamment aux protéines, il faut déstabiliser cette association. Pour cela on utilise de l'éthanol qui dénature les protéines et de l'ammoniaque qui permet de les solubiliser de nouveau, afin qu'elles ne gênent pas l'extraction des lipides par l'éther. On extrait ensuite ces lipides par l'éther. Après extraction, le solvant organique contient les lipides, de l'éthanol mais encore une faible quantité d'eau. Afin d'éliminer au maximum la présence d'eau dans le milieu on ajoute de l'éther de pétrole qui permet le relargage de l'eau. 1

L industrie laitière était née Quand il vient d être trait, le lait cru contient entre 30 et 70 grammes de matières grasses par litre, selon l animal producteur.

2 Données : Ammoniaque : hydroxyde d ammonium en solution aqueuse. Éthanol : très soluble dans l eau et l éther éthylique, inflammable, densité par rapport à l eau : 0,79. Éther éthylique : faiblement miscible à l eau, inflammable, densité par rapport à l eau : 0,71. Éther de pétrole : mélange plus ou moins complexe d alcanes, insoluble dans l eau, inflammable, densité par rapport à l eau : < Manipulation: Le lait utilisé est un lait du commerce, il doit être homogénéisé avant prélèvement. Dans une ampoule à décanter introduire et mélanger en agitant par rotation: 10 cm 3 de lait (à l aide d une pipette jaugée et d une poire propipette). 1 cm 3 d'ammoniaque pure. 10 cm 3 d'éthanol à 95% (à l aide d une éprouvette graduée) Dans la même ampoule ajouter: 25 cm 3 d éther éthylique (à l aide d une éprouvette graduée) et agiter fortement par retournement. 25 cm 3 d'éther de pétrole (à l aide d une éprouvette graduée) et agiter fortement par retournement. Laisser reposer l'ampoule jusqu'à séparation nette des deux phases, la phase supérieure doit être limpide. Récupérer alors la phase inférieure par le bas dans un bécher. Récupérer alors la phase supérieure par le goulot et filtrer sur 1 g d'hydrogénosulfate de sodium, recueillir le filtrat dans une capsule préalablement tarée et mettre à évaporer sous la hotte. La phase aqueuse inférieure peut encore contenir des lipides ce qui nécessite une deuxième extraction qui sera réalisée de la même manière que la première en ajoutant sur cette phase, successivement: 15 cm 3 éther éthylique et agiter fortement par retournement. 15 cm 3 d'éther de pétrole et agiter fortement par retournement. Récupérer comme précédemment la phase supérieure dans la capsule. Mettre à évaporer à l étuve. 1-3 Résultat: Après évaporation puis pesée de la capsule, on a obtenu m = 0,13 g de matière grasse. 1-4 Analyse du protocole et des résultats : En s aidant du texte, répondre aux questions et rubriques suivantes. a) Préciser le sens des mots suivants : - l éthanol dénature les protéines. - l éther de pétrole facilite le relargage de l eau. b) Pourquoi est-il recommandé de bien homogénéiser le lait utilisé avant prélèvement? 2

Éther de pétrole : mélange plus ou moins complexe d alcanes, insoluble dans l eau, inflammable, densité par rapport à l eau : < 1.

3 c) L éther éthylique est aussi appelé oxyde de diéthyle ou encore éthoxyéthane. Quelle est sa formule semi-développée? Citer au moins une précaution à prendre quand on manipule ce composé. d) Schématiser l ampoule à décanter à l issue de la première extraction, en indiquant clairement les deux phases observées et leur composition. e) Pourquoi utilise-t-on de l hydrogénosulfate de sodium pour filtrer la phase supérieure? f) Connaissant la densité du lait étudié par rapport à l eau : d = 1,013, quelle est la teneur en matière grasse, c est-à-dire le pourcentage en masse de matières grasses de ce lait, obtenue expérimentalement? g) Préciser, en justifiant votre réponse, s il s agit de lait cru, de lait entier, de lait demiécrémé ou écrémé. h) Conclure quant à la qualité de l extraction effectuée, en calculant le rendement de cette extraction. Partie B : Dosage de l acide lactique L acidité d un lait augmente par fermentation lactique en cas de mauvaise conservation. Le lactose de formule C 12 H 22 O 11 se transforme progressivement en glucose C 6 H 12 O 6 puis en acide lactique ou acide 2-hydroxypropanoïque. On constate que pour un ph 4,6 le lait commence à cailler, devenant impropre à sa consommation. Le dosage de l acide lactique permet donc de s assurer de l état de conservation d un lait. 1-1 Principe : On dose par phmétrie V A = 20 ml de lait auquel on a ajouté environ 200mL d eau par une solution d hydroxyde de sodium de concentration C B = 5, mol.l 1,en présence d un indicateur coloré. On trace la courbe de dosage ph = f(v B ) (donnée en annexe 2 page 5). On détermine les coordonnées du point d équivalence et on en déduit la concentration C A du lait en acide lactique et son état de fraicheur. 1-2 Analyse du protocole et des résultats : a) Quelle est la formule semi-développée de l acide lactique? Quelles sont les fonctions chimiques présentes dans cette molécule? b) Ecrire l équation de la transformation du glucose en acide lactique. De quel type de réaction s agit-il? c) Ecrire l équation de la réaction support de ce dosage. d) A l aide de la courbe de dosage jointe en annexe, déterminer les coordonnées du point d équivalence E. en déduire la concentration C A du lait en acide lactique. e) Parmi les indicateurs colorés proposés en annexe 1, quel est celui qui vous paraît le mieux adapté pour ce dosage et pourquoi? 3

e) Pourquoi utilise-t-on de l hydrogénosulfate de sodium pour filtrer la phase supérieure?

4 f) On considère qu un lait est frais tant que sa concentration en acide lactique est inférieure à 18 degrés Dornic ( D). Sachant qu un degré Dornic équivaut à 0,1 g d acide lactique par litre de lait, le lait étudié est-il frais? On donne : en g.mol 1 : H = 1 ; C = 12 ; O = 16. Partie C : Extraction des caséines d un lait 1-1 Principe : Les caséines du lait sont des molécules amphiphiles (constituées d une partie polaire hydrophile et lipophobe et d une autre partie hydrophobe et lipophile). On modélisera les caséines présentes dans le lait (caséines α, β principalement) sous la forme d un enchainement d un très grand nombre d acides α-aminés liés par des liaisons peptidiques. A ph = 5, les caséines sont chargées négativement et se repoussent. A ph = 4,6, elles deviennent électriquement neutres, ce qui entraîne qu elles ne se repoussent plus et qui permet donc leur précipitation. Pour les extraire du lait, il faut dans un premier temps le faire cailler en abaissant son ph de 5 (valeur usuelle) à 4,6 ou moins. Les caséines et les lipides précipitent. On filtre pour récupérer la phase «solide», le caillé et on extrait ensuite les lipides par lavage du caillé dans un solvant type propanone. 1-2 Questions diverses : a) Qu est-ce qu un acide α-aminé? indiquer sa formule chimique générale? b) Qu appelle-t-on liaison peptidique? c) Les lipides sont-ils solubles dans l eau? Même question pour les caséines. d) Les lipides sont-ils solubles dans la propanone? Même question pour les caséines. e) Sous quel nom usuel connaît-on la propanone? ANNEXE 1 : Indicateur coloré Zone de virage hélianthine 3,1-4,4 Rouge de méthyle 4,2-6,2 Bleu de bromothymol 6,0-7,6 α-naphtolphtaléine 7,5-8,6 phénolphtaléine 8,2-10 4

Partie C : Extraction des caséines d un lait 1-1 Principe : Les caséines du lait sont des molécules amphiphiles (constituées d une partie polaire hydrophile et lipophobe et d une autre partie

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