Concours C.Génial 2014 «Les arômes» Compte-rendu rédigé par : Léa Cailly, Cyrielle Flament, Angèle Leroy, Mathilde Leterme et Maylis Platon Notre partenaire :
1) Cadre du projet Le projet est mené dans le cadre d un club sciences et technologie qui se déroule tous les lundis de 16 H à 17 H au collège. Huit élèves volontaires de 3 ème participent régulièrement au club. 2) La situation déclenchante Après avoir dégusté des confiseries, la discussion s est engagée sur les arômes et les élèves ont proposé ces deux problématiques : Comment extraire un arôme? Un arôme naturel ou de synthèse sont-ils chimiquement identiques?
Problématique 1 : Comment extraire un arôme? 1. Hypothèses Nous avons tout d abord choisi de travailler avec la vanille. La vanille est en réalité le nom du fruit du vanillier. Le nom scientifique de son principe odorant est la vanilline. Deux méthodes d extraction ont été proposées : - méthode 1 : en faisant bouillir dans un solvant la substance naturelle (gousse de vanille), l arôme serait entraîné par le solvant. - méthode2 : extraction par solvant, c est-à-dire en mettant en contact le solvant organique avec la substance contenant le composé à extraire. 2. Réalisation des expériences 1. Construction du dispositif (méthode 1) Nous devions concevoir un dispositif permettant de condenser les vapeurs. 1. Conception du cahier des charges Nous avons recherché les fonctions devant être satisfaites par l objet que nous souhaitions réaliser pour élaborer un cahier des charges conforme à nos attentes. Fonctions Critères Niveau FS1 Extraire un arôme Volume Entre 5 et 10 cl FS2 FS3 Respecter les règles de sécurité Pouvoir être réalisé au collège Durée Température Normes Machines/matériel 1 heure maxi Disponibles dans les laboratoires de technologie/sciences Matières premières GS ou magasin bricolage Budget < 70
Nous avons dressé la liste des fonctions techniques suivantes pour satisfaire la fonction de service FS1 : FT1 : VAPORISER le mélange FT2 : LIQUEFIER la vapeur FT3 : RECUEILLIR la substance extraite 2. Recherche de solutions techniques Nous avons effectué des recherches : sur Internet, parmi le matériel disponible dans les laboratoires, pour trouver des solutions techniques répondant aux différentes fonctions. Nous avons effectué également des tests et des essais. FONCTIONS TECHNIQUES FONCTION TECHNIQUE FT1 FT1 : Vaporiser le mélange FT11 : Contenir FT12 : Chauffer FT3 : Assurer l étanchéité du contenant FT4 : Récupérer la vapeur Contenant : après avoir réalisé des essais avec un bécher, nous avons convenu de chercher un contenant en verre, résistant à la chaleur. Le verre permet d observer l expérience. Nous avons choisi un récipient en verre borosilicaté résistant à des températures pouvant atteindre 500 C. Moyen de chauffage : pour respecter les règles de sécurité, notre choix s est porté sur un chauffe-ballon du laboratoire de sciences, l autre mode de chauffage possible étant un brûleur à gaz. Photo 1 - Choix du mode de chauffage
Etanchéité : pour assurer l étanchéité, nous avons testé dans un premier temps différents matériaux pour le couvercle. Le premier, en verre, n a pas résisté à la chaleur. Nous avons alors choisi un matériau plastique transparent toujours pour pouvoir observer l expérience. Un test en chauffe nous a permis de vérifier qu il ne se déformait pas à la chaleur. L expérience a mis en évidence des fuites lors de l ébullition. Il fallait donc ajouter un joint autour de ce couvercle. Le joint en mousse est celui qui a permis d obtenir les meilleurs résultats. Essais de joints (mousse et silicone) Photo 2 Réalisation d un joint en silicone dans un gabarit en carton Photo 3 - Joint en mousse Photo 4 - Test du joint Récupération de la vapeur : sur un site internet d un magasin de bricolage, nous avons trouvé un tuyau déformable à froid à l aide d un ressort à cintrer utilisé en plomberie sanitaire. Un manchon en laiton serti sur le tuyau sera vissé sur le couvercle. Photo 5 - Tube multicouche Photo 7 - Manchon en laiton Photo 6 - Ressort à cintrer
FONCTION TECHNIQUE FT2 FT2 : Liquéfier la vapeur FT21 : Refroidir la vapeur FT22 : Maintenir le froid FT23 : Assurer l étanchéité Croquis 1 Croquis 2 Pour le système de refroidissement, nous avons utilisé dans un premier des poches de gel que l on plaçait auparavant au congélateur. Nous travaillons actuellement sur un autre dispositif : refroidir un liquide en utilisant un sel. FONCTION TECHNIQUE FT3 FT3 : Recueillir le distillat FT31 : Contenir le distillat
Contenant : nous avons choisi un contenant similaire à celui de la première fonction technique, pour des raisons budgétaires, les récipients étant vendus par lot. 3. Réalisation du prototype Réalisation de la maquette en carton Dessin des pièces sur Solidworks avant usinage du couvercle Photo 8 - Dessin des pièces avec SolidWorks Dessin SolidWorks - Couvercle L assemblage final de notre prototype est en cours.
2. Extraction par solvant (méthode 2) Des recherches au CDI, sur internet nous ont amenés à tester l éthanol et l éthanoate d éthyle comme solvant. Nous avons donc découpé des petits morceaux de gousse de vanille puis les avons introduits dans un erlenmeyer contenant chacun des solvants. L agitation a été maintenue pendant 15 minutes puis nous avons effectué une filtration. A la fin de l expérience, nous ne savions pas si la vanilline était effectivement extraite. L odeur du solvant était trop forte. Ainsi un nouveau problème se posait : comment identifier cet arôme?
Problématique 2 : comment identifier l arôme de vanille? Pour identifier la molécule de vanilline, nous avons choisi la chromatographie. Il a fallu se procurer de la vanilline pure et trouver l éluant adapté. En faisant différents essais, le choix de l éluant s est porté sur un mélange d éthanoate d éthyle et de cyclohexane. Vanilline pure Substance extraite de la gousse de vanille La lecture du chromatogramme ne se fait pas à la lumière du jour mais en utilisant une lampe UV.
Le chromatogramme montre dans les 2 substances une tâche de même rapport frontal. La vanilline a donc bien été extraite de la gousse de vanille.
Problématique 3 : Un arôme naturel et un arôme de synthèse sont-ils chimiquement identiques? Nous avons décidé de comparer les molécules aromatiques présentes dans la gousse de vanille, le sucre vanillé et le sucre vanilliné. 1. Expériences Nous avons choisi l extraction par solvant. Son principe consiste à dissoudre le composé recherché dans un solvant non miscible avec l'eau et à séparer la phase organique contenant le composé à extraire de la phase aqueuse.
Nous avons de nouveau utilisé la chromatographie pour identifier les molécules. Vanilline pure Sucre vanillé Sucre vanilliné 2. Interprétation Le sucre vanillé contient de la vanilline puisqu'il présente une tâche de même rapport frontal que la vanilline. Le sucre vanilliné ne contient pas de vanilline puisqu'il ne présente aucune tache de même rapport frontal que la vanilline pure (à droite). 3. Conclusion Donc la molécule aromatique dans le sucre vanilliné n est pas la même que dans le sucre vanillé ou la gousse naturelle de vanille. Dans le sucre vanilliné, la molécule est l éthylvanilline. 4. L éthylvanilline, un composé de synthèse Les chimistes ont fabriqué la molécule d éthylvanilline. Ce produit de synthèse a un pouvoir aromatisant 5 fois plus élevé que celui de la vanilline. De plus, le kilogramme d éthylvanilline coûte deux fois moins cher que la vanilline de synthèse.
Notre partenaire : L entreprise Metarom à Boves Le 10 février nous avons effectué la visite de l entreprise Metarom, entreprise spécialisée dans la fabrication de solutions aromatiques pour l industrie agro-alimentaire. 1. Le pôle recherche et développement On recherche la composition de certains arômes. L une des techniques utilisée est aussi la chromatographie mais en phase gazeuse. Cette technique couplée à une base de données permet d identifier les molécules présentes dans un arôme ou un aliment. Grâce à cette «cartographie» et à l aide de ses sens, l aromaticien reconstruit un arôme. Chaque jour, de nouvelles créations d arômes sont réalisées. Metarom propose des solutions aromatiques naturelles ou synthétiques sous forme liquide, poudre ou émulsion.
Ensuite, les arômes sont testés dans les produits alimentaires (bonbons, glaces, boissons...). La mise au point d'un arôme est différente selon que l'application sera une crème glacée ou un lait aromatisé. 2. Production industrielle La recette étant prête, celle-ci est réalisée à grande échelle. Photo 10 - Préparation de chocolat aromatisé Photo 11 - Installations Photo 9 - Intérieur d'une cuve
3. Service qualité Les produits qui entrent dans l entreprise ainsi que les produits finis sont testés par le service qualité. Photo 12 - Espace où sont testés les produits 4. Rencontre avec un aromaticien L'aromaticien doit posséder, outre des compétences chimiques et techniques, d'importantes capacités à distinguer parfaitement les odeurs et les saveurs. Ainsi après des études dans le domaine de la chimie, une école permet de se spécialiser dans le domaine des arômes. On a pu se rendre compte qu un arôme est souvent composé de plusieurs composants aromatiques. Par exemple l arôme de fraise peut être fabriqué à partir de plusieurs dizaines de composés aromatiques.