Fermentation 2BIOS05 2011

La méthode scientifique

Le mot "science" vient du latin scientia qui signifie "connaissance". Les sciences de la nature s'intéressent aux connaissances sur la réalité physique du monde dans lequel nous vivons. L'activité scientifique présuppose, d'une part, l'existence d'une réalité accessible et, d'autre part, la capacité de la comprendre, du moins en partie.

S'il n'y a pas de méthode pour construire la science, il en existe une pour la juger, une fois qu'elle a été construite, c'est-à-dire une méthode permettant de déterminer si une représentation scientifique est conforme à la réalité.

Selon Roland Omnès il existe une méthode bien définie qui fait ressortir la spécificité de la science : la méthode à quatre temps.

On peut représenter ces quatre temps de façon cyclique.

• L'exploration consiste à observer des phénomènes avant que l'on ait avancé une hypothèse qu'il va falloir vérifier.
  
• La conceptualisation conduit à l'élaboration de modèles qui pourraient régir la représentation du réel.
  
• L'élaboration échafaude les conséquences logiques qui découlent des hypothèses envisagées.
  
• Le test de l'expérimentation : on doit pouvoir tester les prévisions qu'on peut faire à partir du modèle. Pour être valable une théorie doit pouvoir être réfutée.

Introduction

La fermentation est une réaction biochimique qui consiste à convertir de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (glucose principalement) en une autre forme d'énergie qui sera utilisée par la cellule en l'absence de dioxygène (milieu anaérobie). La production d'énergie chimique (ATP) est cependant très faible. Il faut savoir que la forte libération d'ATP se fait lors de la respiration cellulaire, c'est-à-dire en présence de dioxygène.

Deux des produits principaux de la fermentation sont l'éthanol et le lactate (fermentation alcoolique ou lactique).

Il faut donc retenir que l'objectif principal de la fermentation est de produire de l'énergie(ATP) à partir du glucose synthétisé lors de la photosynthèse. Par ailleurs l'une des conséquences de cette réaction biochimique est la libération de gaz carbonique, ingrédient nécessaire à la photosynthèse qui est en fait le mécanisme opposé à la respiration et à la fermentation. En ce qui concerne le but de l'expérience réalisée en classe, il s'agit de démontrer si la fermentation se fait dans tout les cas que nous avons définis comme « à tester » dans la partie expérimentale. En d'autre mots, nous voulons voir si toutes les combinaisons de bêcher que nous allons exposer soit à 70 degré, soit à 37 degré ou encore à 0 degré se remplissent de C02 grâce aux levures. Nous voulons savoir si le fait de chauffer de façon intermédiaire les levures à une température très élevée (70 degré environ) ou encore de les faire refroidir à 0 degré influe le mécanisme. Nous voulons également savoir si l'absence de composant à la fermentation, soit le glucose ou même la levure que l'on imagine indispensable au processus va nuire à cette fermentation. En bref toute ces questions feront l'objet de notre approche du sujet et de la compréhension de notre expérience. Des ballons de couleurs différentes nous indiquerons quelles solutions à quels paramètres fermentent le plus.

• Annexe Fermentation 1

Les levures

Les levures sont des champignons (mycètes) unicellulaires. Elles peuvent obtenir l'énergie nécessaire à leur survie par respiration ou par fermentation. Au cours de ce laboratoire, nous utiliserons la levure de bière Saccharomyces cerevisiae. Celle-ci est couramment utilisée en industrie alimentaire pour produire des boissons fermentées (vin, bière) ou pour faire lever la pâte (pain). En présence d'oxygène, Saccharomyces cerevisiae fait surtout de la respiration. Par contre, si l'oxygène vient à manquer, elle passe à la fermentation alcoolique. La fermentation ne nécessite pas d'oxygène, mais elle libère environ 15 fois moins d'énergie que la respiration.

La fermentation

La fermentation et la respiration cellulaire aérobie comportent toutes les deux la processus de la glycolyse. Le produit finale de celle-ci, soit le pyruvate, représente un carrefour qui mène à deux voies cataboliques :

• en présence d'oxygène (aérobiose), le pyruvate se fait convertir en acétyl-CoA, et l'oxydation prend la voie du cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs).
• en absence d'oxygène (anaérobiose), il se soustrait au cycle de l'acide citrique et prend alors la voie de la fermentation. (cf. annexe 1)

La fermentation alcoolique

Au cours de la fermentation alcoolique, le glucose est converti en gaz carbonique et en éthanol (alcool éthylique). (cf. annexe 2a)

C₆H₁₂O₆ -----> 2CO₂ + 2CH₃-CH₂-OH + ENERGIE

D'autres monosaccharides que le glucose peuvent aussi être utilisés. Certains monosaccharides peuvent directement entrer dans la chaîne de réactions de la fermentation (c'est le cas du fructose). D'autres peuvent être transformés en glucose par des enzymes de la cellule. Dans le cas des disaccharides, ceux-ci doivent d'abord être digérés en monosaccharides. Cette digestion peut se faire à l'extérieur de la cellule ou à l'intérieur de celle-ci. Dans les deux cas, la digestion se fait sous l'action d'enzymes spécifiques synthétisées par la levure.

La fermentation lactique

Lorsque l'apport en oxygène est insuffisant, la plupart des cellules animale régénère le NAD⁺ par un processus de fermentation sans décarboxylation. Les cellules musculaire par exemple utilisent une lactate déshydrogénase, enzyme qui transfère l'hydrogène du NADH sur le pyruvate produit par glycolyse. Cette réaction transforme le pyruvate en lactate et le NADH en NAD⁺, ce qui boucle le cycle métabolique et permet à la glycolyse de se poursuivre tant que du glucose est disponible. Le lactate produit est évacué du muscle par le système sanguin, mais cette élimination n'est pas suffisamment rapide, l'accumulation d'acide lactique interfère avec le fonctionnement du muscle et contribue à la fatigue musculaire.(cf. annexe 2b)

C₆H₁₂O₆ -----> CH₃-CHOH-COOH + ENERGIE

Matériel

Voici le matériel utilisé au cours de nos expériences:

• levure boulangère diluée
• solution de glucose 20%
• béchers, Erlenmeyers, cylindres gradués
• BaOH)₂: hydroxyde de baryum
• pipettes plastiques
• paraffine
• ballons
• bains marie à 37° et 60°C
• agitateur magnétique
• thermomètre
• bac avec des glaçons
• système pour Expérience Eau de Chaux
• eau distillée
• microscope

Méthodes expérimentales

Expérience 1

Impact de la température sur la fermentation ?
4 flacons levure + glucose
1 flacon levure
1 flacon glucose
4 températures : 0°C / TA / 37°C / 65°C

Flacon 1 : levure (bleu)
Flacon 2 : glucose (vert)
Flacon 3 : glucose-10ml + levures-20ml à 0°C (rouge)
Flacon 4 : glucose-10ml + levures-20ml à TA (jaune)
Flacon 5 : glucose-10ml + levures-20ml à 37°C (orange)
Flacon 6 : glucose-10ml + levures-20ml à 60°C (rose)

Références

Biologie 7e édition - N. Campbell, J. Reece - Pearson Education
Biologie - Raven, Johnson, Losos & Singer - de boeck
http://www.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/gbourbonnais/
http://fr.wikipedia.org/wiki/Wikip%C3%A9dia:Accueil_principal
http://www.planetegene.com/view/la-fermentation-alcoolique
http://pedagogie.ac-amiens.fr/svt/info/logiciels/animmetabo/ferment.htm