Fermentation 2BIOS03 2010

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 réspiration cellulaire et la fermentation nous ont été introduites lors d'un de nos cours. La réspiration cellulaire est une réaction chimique d'oxydo-réduction qui fournit l'énergie nécessaire à une cellule pour fonctionner. La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (glucose souvent) en une autre forme d'énergie directement utilisable pour la cellule en l'absence de dioxygène (milieu anaérobie). Pour nous aider à mieux comprendre le phénomène de la fermentation, une expérience nous a été proposée. Nous avons mener cette expérience à l'aide de levures, d'eau et de sucre. Nous avons fait varier certains facteurs afin de déterminer lesquels étaient indispensables à la fermentation. Il est important, néanmoins, de faire varier un seul élément à la fois.

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
• pipettes graduées de 2 ml
• gommette
• eau distillée
• microscope
• appareil photo numérique

Méthodes

Expérience 1

Dans cette expérience nous étudierons l'impact de la température sur l'activité métabolique des levures. Le choix des températures doit être pertinent pour provoquer de variations métaboliques observables.
Nous ferons également varier la présence ou l'absence de sucre ou de levures dans certains tubes. Nous veillerons à ne faire varier qu'un facteur à la fois.

Nous disposons de deux bain-maries à 37°C et 70°C et d'un bac rempli de glace.

Les Erlenmeyers sont remplis selon les indications ci-dessous. Ils seront bouchés à l'aide d'un ballon au début de l'expérience (t=0). Il faut bien veiller à vider l'air du ballon au début de l'expérience.

A l'aide du chronomètre, relevez l'état de gonflement des différents ballons toutes les 5 minutes.

Conditions expérimentales

Tube A bleu: 50mL Levures + 50mL sucre; 37°C

Tube B orange: 50mL Levures + 50mL eau (sans sucre; contrôle négatif); 37°C

Tube C jaune: 50mL eau + 50mL sucre; 37°C (sans levures; contrôle négatif

Tube D vert: 50mL Levures + 50mL sucre; 0°C

Tube E rose: 50mL Levures + 50mL sucre; préincubation 15' à 0°C; puis 37°C

Tube F rouge: 50mL Levures + 50mL sucre; préincubation 15' à 60°C; puis 37°C

Hypothèses Expérience 1

1. En absence de sucre, pas de fermentation: le ballon ne va pas se gonfler.
2. En absence de levure, pas de fermentation: le ballon ne va pas se gonfler.
3. En présence de sucre et de levure, fermentation possible: la ballon va se gonfler
4. La température influe sur l'efficacité de la fermentation: 0° réaction bloquée, 37°C optimal, 60°C levures tuées

Résultats Expérience 1

Collecte des résultats: mesure du diamètre (cm) des ballons toutes les 5 minutes

Temps [min] : (toutes les minutes)

t0: 0 [min]

• Tube A : 0
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 0
• Tube F : 0

t1: 5 [min]

• Tube A : 0
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 0
• Tube F : 0

t2: 10 [min]

• Tube A : 3
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 0
• Tube F : 0

t3: 15 [min]

• Tube A : 3.8
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 3.1
• Tube F : 0

t4: 20 [min]

• Tube A : 5
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 3.8
• Tube F : 0

t5: 25 [min]

• Tube A : 6
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 5.1
• Tube F : 0

t6: 30 [min]

• Tube A : 6.6
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 5.5
• Tube F : 0

t7: 35 [min]

• Tube A : 7
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 5.9
• Tube F : 0

t8: 40 [min]

• Tube A : 7.1
• Tube B : 0
• Tube C : 0
• Tube D : 0
• Tube E : 6.2
• Tube F : 0

Expérience 2

Dans cette expérience nous chercherons à mettre en évidence le type de gaz dégagé par le métabolisme de la levure.
Nous disposons du montage suivant: un Erlenmeyer boucher relié par un tube à une éprouvette contenant de l'eau de chaux (Ba(OH)₂. L'eau de chaux se trouble en présence de CO₂.

L'Erlenmeyer est rempli d'une solution de levures (50 ml) et d'une solution de glucose (50 ml). Un fine couche de paraffine est déposée sur la solution pour l'isoler de l'air contenu dans le flacon.

Conditions expérimentales

Tube G: 50mL Levures + 50mL sucre; 37°C

Tube H: 50mL Levures + 50mL eau (sans sucre; contrôle négatif); 37°C

Hypothèses Expérience 2

1. Si la fermentation a lieu, le gaz produit est du CO2: l'eau de chaux se trouble

Observations

Suite à la lecture de nos résultats, nous avons observé qu'au bout des 10 premières minutes de l'expérience uniquement le tube A contenant 50mL de levures et 50mL de sucre à 37°C, a commencé à se gonflé. Puis peu à peu le tube E contenant 50mL de levures et 50mL de sucre, pré incubé 15 minutes à 0°C, puis à 37°C, a commencé à agir aussi. Donc on constate finalement que les deux seuls tubes qui ont réagis sont le tube A et le tube E.

Les résultats que nous avons observé étaient cohérent par rapport à nos hypothèses de départ.

Lors de nos expériences, nous avons pus constater quelques problèmes techniques. Le premier problème auquel nous avons été confronter, c'est le fait que la température de l'un des bains-maris augmentait trop et donc nous avons dus constamment la faire baisser en rajoutant de l'eau plus froide. A cause de cela on a dus aussi enlever de l'eau car sinon le récipient débordait ou l'eau entrait dans nos expérience. Sinon tout le reste de l'expérience c'est déroulé à merveille.

Discussion et conclusion

Étapes permettant de déterminer les éléments d'une discussion

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