La fermentation alcoolique

La fermentation alcoolique est un thème traité dans le programme scolaire de la classe de première D aux lycées (Annexe 04). Pendant les stages d’observation effectués au lycée Jean Joseph Rabearivelo en 2018 [48], il a été constaté que l’enseignement de ce cours se réalise magistralement, caractérisé par des cours théoriques et des explications abstraites. Ainsi, les élèves ne sont pas impliqués directement dans l’apprentissage. La question qui se pose est alors que : Comment améliorer l’enseignement de la fermentation alcoolique, de façon plus concrète, en impliquant directement les élèves dans l’apprentissage? L’hypothèse proposée est la réalisation des travaux pratiques (TP) sur la fermentation alcoolique, en adoptant la démarche d’investigation, pour concrétiser le concept et pour impliquer les élèves dans l’enseignement.

En parlant de la réalisation des TP, le manque de matériels et des infrastructures restent un problème majeur pour les lycées malagasy [48]. Ainsi, ce mémoire propose l’utilisation des matériels faciles à trouver dans la vie quotidienne, comme des seaux à peinture plastiques, des sachets plastiques, des levures instantanées (levures boulangères Saf instant), des matières à fermenter et des allumettes. Une autre hypothèse proposée est la conception d’un appareil de distillation, adapté à être utilisé dans la réalisation des TP, pour donner aux élèves, l’opportunité d’assister à une observation directe de la distillation de l’éthanol obtenu par la fermentation alcoolique.

Généralités sur la fermentation alcoolique

Définition

C’est une réaction biochimique menant à la formation d’alcool, accompagnée d’un dégagement de CO2, à partir des sucres simples (glucose et fructose). Elle se fait en milieu anaérobie et en présence des micro-organismes, qui sont généralement des champignons ou des moisissures. En brasserie et en boulangerie, le champignon endomycète : Saccharomyces cerevisiae, appelé dans le langage courant : la levure de bière, assure la fermentation. Dans la vinification, l’agent de fermentation est appelé Saccharomyces ellipsoideus. Saccharomyces fragilis entre dans la champagnisation.

Biochimie de la fermentation alcoolique

Avec l’énergie apportée par l’ATP, le glucose ou le fructose se transforme en fructose 6- phosphate par phosphorylation, sous l’action des enzymes hexokinases. Le glucose se transforme, par isomérisation et sous l’action de l’enzyme phosphohexoisomérase, en glucose 6- phosphate, avant de donner le fructose 6- phosphate, tandis que le fructose se transforme directement en fructose 6- phosphate. Le fructose 6- phosphate se transforme en fructose 1,6- diphosphate sous l’action de l’enzyme phosphofructokinase. Le fructose 1,6- diphosphate, par isomérisation, sous l’action de l’aldoisomérase, donne le glycéraldéhyde 3- phosphate et le dihydroxyacétone phosphate. Ce dernier produit ne participe pas dans la fermentation. Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NAD), l’agent d’oxydation se trouvant dans les levures, oxyde le glycéraldéhyde 3- phosphate pour donner l’acide glycérique 1,3- diphosphate. L’acide glycérique 1,3- diphosphate, sous l’action des enzymes kinases et glycéromutases, donne l’acide glycérique 2- phosphate. L’acide glycérique 2- phosphate, sous l’action de l’énolase, par perte d’eau, donne l’acide phosphoénol-pyruvique.

L’acide pyruvique est obtenu à partir de l’acide phosphoénol-pyruvique, sous l’action du pyruvate kinase. La transformation des sucres-phosphates (Fructose 6 phosphate et Glucose 6-phosphate) jusqu’à l’obtention du pyruvate constitue la glycolyse. Par décarboxylation, sous l’action du pyruvate décarboxylase, l’acide pyruvique mène à l’obtention de l’acétylaldéhyde ou l’éthanal. Par réduction, l’éthanal subit une déshydrogénation et donne l’éthanol. L’éthanal oxyde le NADH en NAD+ , par l’intermédiaire de l’alcool déshydrogénase.

Produits de la fermentation alcoolique

✔ Principaux produits
L’éthanol et le CO2 sont les principaux produits. Ils sont en grande quantité lors de la fermentation alcoolique.

✔ Produits secondaires
Au cours de la fermentation, d’autres produits secondaires en faible quantité sont obtenus. Ils sont synthétisés par les bactéries contaminants, ou sont issus de la dégradation des acides aminés et des lipides. Ce sont le glycérol, les acides organiques (acide succinique, acide lactique, acide acétique, acide propionoïque), l’ester, le méthanol, le butane 2,3- diol, l’éthanal, les alcools supérieurs comme l’isobutanol et le formol.

Ils interviennent dans le goût et l’arôme de l’alcool, pouvant les améliorer ou les rendre mauvais.

Paramètres influençant la fermentation alcoolique

➤ Concentration en sucre
Une concentration en glucose supérieure à 5g/l provoque l’effet crabtree, c’est-à-dire l’activité respiratoire des levures est interrompue par l’arrêt de la sécrétion des enzymes respiratoires. Ainsi, le mécanisme devient fermentaire quel que soit le niveau d’aération. Une concentration en glucose supérieure à 150g/l bloque les voies respiratoires et fermentaires. Ceci est expliqué par le phénomène d’osmose : la cellule de levure est plasmolysée.

➤ Température
A une température supérieure à 35°C, la fermentation alcoolique ralentie et s’arrête. Les levures ne supportent pas et meurent. Certains constituants chimiques de la cellule (acides nucléiques, enzymes et membrane cytoplasmique) sont dénaturés. La contamination du milieu fermentaire par des micro-organismes thermophiles mènent à des fermentations (acétique et lactique) qui peuvent nuire la fermentation alcoolique .

A basse température, les activités des levures sont bloquées d’où, la fermentation alcoolique ne se trouve pas dans une condition favorable. La température adéquate se trouve entre 25 et 35°C.

➤ Potentiel d’Hydrogène
Le pH acide 3 à 6 est favorable à la fermentation alcoolique.

➤ Agitation
L’agitation vise essentiellement à l’homogénéisation du milieu polyphasique : la phase solide constituée par les levures et la phase liquide qui est le milieu de culture. Elle assure l’accélération de l’activité cellulaire en diminuant le temps de latence. Elle assure le transfert des chaleurs, des gaz (O2, CO2) et substrats.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : GENERALITES
CHAPITRE I : FERMENTATION ET DISTILLATION
I. Généralités sur la fermentation alcoolique
I.1. Définition
I.2. Biochimie de la fermentation alcoolique
I.3. Bilan global de la fermentation alcoolique
I.4. Produits de la fermentation alcoolique
I.5. Paramètres influençant la fermentation alcoolique
II. Agent de la fermentation alcoolique : Saccharomyces cerevisiae
II.1. Systématique
II.2. Description
II.3. Reproduction
II.4. Conditions favorables pour son développement
II.5. Nutrition
III. Substrat choisi pour la fermentation alcoolique : « La banane mûre »
III.1. Systématique
III.2. Caractéristiques botaniques
III.3. Mûrissement de la banane
III.4. Composition nutritionnelle de la banane
IV. Ethanol
IV.1. Définition
IV.2. Propriétés de l’éthanol
IV.3. Production d’éthanol à Madagascar
IV.4. Utilités de l’éthanol
V. Distillation
V.1. Définition
V.2. Composition de l’appareil de distillation
CHAPITRE II : TRAVAUX PRATIQUES D’INVESTIGATION
I. Différents types de démarche scientifique
II. Démarche d’investigation
II.1. Définition
II.2. Etapes de la démarche d’investigation
II.2.1. Choix d’une situation problème
II.2.2.Problématiques
II.2.3.Hypothèses
II.2.4. Résolution des problèmes
II.2.5. Echanges enseignant-élèves et élèves-élèves
II.2.6.Acquisition et structuration des connaissances
II.2.7.Opérationnalisation et mobilisation des connaissances
II.3. Echelle de Tafoya et al (1980)
II.4. Cahier de manipulation
II.5. Intérêts didactiques et pédagogiques
II.6. Intérêts épistémologiques
III. Travaux pratiques
III.1. Définition
III.2. Rôles des activités expérimentales
IV. Travaux pratiques d’investigation
IV.1. Définition
IV.2. Rôles de l’enseignant
DEUXIEME PARTIE : MATERIELS ET METHODES
CHAPITRE I : MATERIELS
I. Matériels utilisés
II. Conception de l’appareil de distillation
II.1. Objectifs
II.2. Matériels utilisés pour la conception de l’appareil de distillation
II.3. Coûts des matériels utilisés
II.4. Mode d’emploi de l’appareil de distillation conçu
CHAPITRE II : METHODES
I. Etudes bibliographiques
II. Essais de fermentation et de distillation
II.1. Objectifs
II.2. Choix du substrat utilisé : La banane
II.3. Matériels utilisés
II.4. Déroulement de l’essai de fermentation
II.5. Essai de l’appareil de distillation conçu
III. Formulation des questionnaires
IV. Déroulement des travaux pratiques réalisés
V. Déroulement de l’enquête
VI. Traitement des données
TROISIEME PARTIE : RESULTATS ET ANALYSES
CHAPITRE I : RESULTATS DES RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES ET DES ESSAIS DE FERMENTATION ET DE DISTILLATION
I. Résultats des recherches bibliographiques
II. Résultats des essais de fermentation
III. Résultats de la distillation
CHAPITRE II : RESULTATS DES ENQUETES
I. Résultats d’enquête des enseignants
I.1. Description des enseignants
I.2. Démarche scientifique
I.3. Travaux pratiques
II. Résultats d’enquête des élèves
II.1. Description des élèves enquêtés
II.2. Motivation des élèves
II.3. Travail de groupe
II.4. Travaux pratiques réalisés
II.5. Démarche scientifique
II.6. Généralités sur les travaux pratiques aux lycées
II.7. Analyse des fiches de manipulation
CONCLUSION

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