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Manuel de transformation du lait/Chapitre 2 13 La chimie du lait Les principaux

Manuel de transformation du lait/Chapitre 2 13 La chimie du lait Les principaux constituants du lait sont l’eau, la matière grasse, les protéines, le lactose (sucre du lait) et les minéraux (sels). Le lait contient également des traces d’autres substances, telles que des pigments, des enzymes, des vitamines, des phospholipides (substances avec propriétés lipoïdes), et des gaz. Le résidu qui reste une fois l’eau et les gaz éliminés est appelé matière sèche ou teneur en matière sèche totale du lait. Le lait est un produit très complexe. Pour décrire les différents constituants du lait et comment ils sont affectés par les différents stades du traitement dans la laiterie, l’utilisation de la terminologie chimique s’impose. Ce chapitre sur la chimie du lait commence par conséquent par un bref rappel de certains concepts chimiques de base. Chapitre 2 Manuel de transformation du lait/Chapitre 2 14 Les concepts chimiques de base Les atomes L’atome est la plus petite brique de toute matière dans la nature; il est indivisible chimiquement. On appelle élément une substance dans laquelle tous les atomes sont de même type. Il existe plus de 100 éléments connus à ce jour. On trouve, par exemple, l’oxygène, le carbone, le cuivre, l’hydrogène et le fer. Cependant, la plupart des substances que l’on rencontre dans la nature sont composées de plusieurs éléments différents. L’air, par exemple, est un mélange d’oxygène, d’azote, de dioxyde de carbone et de gaz rares, alors que l’eau est un composé chimique des éléments hydrogène et oxygène. Le noyau de l’atome est constitué de protons et de neutrons (figure 2.1). Les protons portent une charge unitaire positive, alors que les neutrons sont neutres électriquement. Les électrons, qui tournent autour du noyau, portent une charge négative égale et opposée à la charge unitaire des protons. Un atome contient un nombre égal de protons et d’électrons avec un nombre égal de charges positives et négatives. L’atome est par conséquent neutre électriquement. Un atome est de très petite taille (figure 2.2) : il y a autant d’atomes dans une petite pièce de cuivre qu’il y a de secondes dans un milliard de millions d’années ! Même ainsi, un atome est constitué principalement de vide. Si nous donnons au diamètre du noyau une valeur de 1, le diamètre de l’ensemble de l’atome est d’environ 10000. Les ions Un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons. Un tel atome n’est plus neutre électriquement. On l’appelle ion. Si l’ion contient plus d’électrons que de protons, il est chargé négativement, mais s’il a perdu un ou plusieurs électrons, il est chargé positivement. Les ions positifs et négatifs sont toujours présents en même temps; par exemple, dans les solutions, sous la forme de cations (charge positive) et d’anions (charge négative) ou, dans les solides, sous la forme de sels. Le sel de table est constitué d’ions sodium (Na) et chlore (Cl) et a la formule NaCl (chlorure de sodium). Les molécules Les atomes du même élément ou d’éléments différents peuvent se combiner en unités plus grandes appelées molécules. Les molécules peuvent ensuite former des substances solides, par exemple le fer (Fe) ou le silice (SiO2), des liquides, par exemple l’eau (H2O), ou des gaz, par exemple l’hydrogène (H2). Si la molécule est constituée principalement de plusieurs atomes de carbone, d’hydrogène et d’azote, on dit que le composé formé est organique, c’est-à-dire, produit à partir de cellules organiques. L’acide lactique (C3H6O3) est un exemple. Cette formule signifie que la molécule est constituée de 3 atomes de carbone, 6 atomes d’hydrogène et 3 atomes d’oxygène. Fig. 2.1 Le noyau de l’atome est constitué de protons et de neutrons. Les électrons tournent autour du noyau. Fig. 2.3 Trois façons de symboliser une molécule d’eau. Fig. 2.4 Trois façons de symboliser une molécule d’alcool éthylique. H H H O H2O O H H C 2H5OH H H H H C C O H H H H H H H C C O Electron Proton Neutron Diamètre 1 Electron Diamètre 10 000 Noyau atomique Formule moléculaire Formule développée Formule moléculaire Formule développée Symboles chimiques de plusieurs éléments courants, présents dans la matière organique : C Carbone Cl Chlore H Hydrogène I Iode K Potassium N Azote Na Sodium O Oxygène P Phosphore S Soufre Fig. 2.2 Le noyau est si petit par rapport à l’ensemble de l’atome que s’il avait la taille d’une balle de tennis, la couche externe d’électrons serait à 325 m du centre. Manuel de transformation du lait/Chapitre 2 15 Le nombre d’atomes d’une molécule peut varier considérablement. Certaines molécules sont composées de deux atomes liés, d’autres de centaines d’atomes. Les propriétés physico-chimiques de base du lait de vache Le lait de vache est constitué d’environ 87 % d’eau et de 13 % de substance sèche. La substance sèche est en suspension ou dissoute dans l’eau. Selon le type de solides, il existe différents systèmes de distribution en phase aqueuse. Fig. 2.5 Lorsque le lait et la crème tournent en beurre, il se produit une inversion de phase de l’émulsion huile dans l’eau en émulsion eau dans l’huile. Tableau 2.2 Tailles relatives des particules dans le lait. Taille (mm) Type de particules 10–2 à 10–3 Globules gras 10–4 à 10–5 Caséine-phosphates de calcium 10–5 à 10–6 Protéines du sérum de fromagerie 10–6 à 10–7 Lactose, sels et autres substances dans des solutions vraies Réf. : A Dictionary of Dairying par J.G. Davis Définitions Emulsion : suspension de gouttelettes d’un liquide dans un autre. Le lait est une émulsion de type huile dans l’eau, le beurre une émulsion de type eau dans l’huile. Le liquide finement divisé s’appelle la phase dispersée; l’autre phase est la phase continue. Solution colloïdale : lorsque la matière existe dans un état de division intermédiaire entre la solution vraie (le sucre dans l’eau, par exemple) et la suspension (la craie dans l’eau), on dit qu’il s’agit d’une solution colloïdale ou d’une suspension colloïdale. Les caractéristiques types d’un colloïde sont : • ses particules de petite taille • sa charge électrique et • l’affinité de ses particules pour les molécules d’eau. Des substances, telles que les sels, déstabilisent les systèmes colloïdaux en changeant la fixation de l’eau et en réduisant de ce fait la solubilité des protéines. Des facteurs tels que la chaleur provoquent le déplissement des protéines du sérum de fromagerie et une augmentation de l’interaction entre les protéines, ou l’alcool qui peut agir en déshydratant les particules. Tableau 2.1 Etat physico-chimique du lait de vache. Composition Emulsion de Solution/ Solution moyenne type huile suspension vraie % dans l’eau colloïdale Humidité 87,0 Matière grasse 4,0 X Protéines 3,5 X Lactose 4,7 X Cendres 0,8 X Dans le lait, les protéines du sérum de fromagerie sont dans une solution colloïdale, et la caséine dans une suspension colloïdale. Fig. 2.6 Protéines du lait, vues au microscope électronique. Les composés organiques contiennent principalement du carbone, de l’oxygène et de l’hydrogène. Les composés inorganiques contiennent principalement d’autres atomes. Manuel de transformation du lait/Chapitre 2 16 Solutions vraies : la matière qui, une fois mélangée à l’eau ou d’autres liquides, forme des solutions vraies, se divise en : • solutions non ioniques. Lorsque le lactose est dissous dans l’eau, aucun changement important ne se produit dans la structure moléculaire du lactose. • solutions ioniques. Lorsque le sel de table est dissous dans l’eau, les cations (Na+) et les anions (Cl–) se dispersent dans l’eau pour former une électrolyte. L’acidité des solutions Lorsque l’on mélange de l’acide (par exemple, de l’acide chlorhydrique, HCl) à de l’eau, il libère des ions hydrogène (protons) avec charge positive (H+), qui s’attachent rapidement aux molécules d’eau pour former des ions hydronium (H3O+). Lorsque l’on ajoute une base (oxyde métallique ou hydroxyde) à de l’eau, elle forme une solution basique ou alcaline. Lorsque la base se dissout, elle libère des ions hydroxyde (OH–). • Une solution est dite neutre si elle contient un nombre égal d’ions hydroxyde et hydronium (figure 2.8). • Une solution est dite alcaline si elle contient plus d’ions hydroxyde que d’ions hydronium (figure 2.9). • Une solution est dite acide si elle contient plus d’ions hydronium que d’ions hydroxyde (figure 2.10). pH L’acidité d’une solution dépend de sa concentration en ions hydronium. Elle varie cependant beaucoup d’une solution à l’autre. Le symbole pH désigne la concentration en ions hydronium. Mathématiquement, le pH est défini comme étant le logarithme négatif de base 10 de la concentration en ions hydronium exprimée en molarité, c’est- à-dire pH = - log [H+]. Cela donne la règle suivante à 25°C : Na+ Cl- Na+ Na+ Cl- Cl- OH- H+ H+ H+ H+ H+ OH- OH- Fig. 2.10 Solution acide avec pH inférieur à 7. OH- H+ OH- OH- OH- OH- H+ H+ Fig. 2.9 Solution alcaline avec pH supérieur à 7. OH- H+ H+ H+ H+ OH- OH- OH- Fig. 2.8 Solution neutre avec pH 7. Fig. 2.7 Solution ionique. pH > 7 – solution alcaline pH = 7 – solution neutre pH < 7 – solution acide Neutralisation Lorsque l’on mélange un acide à uploads/Litterature/ chap-02-chimie.pdf