013 – Nutriments

Chaque aliment est un mélange de molécules biologiques, et quatre familles dominent : les sucres simples, les amidons, les lipides et les protéines. Savoir lesquelles de ces molécules un aliment contient est à la base de l'étiquetage nutritionnel, des conseils diététiques et du contrôle de la qualité dans l'industrie agroalimentaire — et bien avant que les instruments n'existent, les chimistes ont établi la réponse grâce à une poignée de réactions colorées qui sont encore enseignées, et toujours utilisées comme tests de dépistage rapide, aujourd'hui.

Chaque test fonctionne parce qu'un réactif réagit avec une caractéristique chimique spécifique et produit un changement visible. La solution de Fehling est réduite par le groupe aldéhyde libre d'un sucre réducteur, et le cuivre(II) qu'elle contient est converti en oxyde de cuivre(I) rouge brique. L'iode de Lugol se glisse dans la spire hélicoïdale d'une molécule d'amidon et forme un complexe iode-amidon intensément coloré. Le Soudan IV est un colorant liposoluble qui quitte l'eau et se dissout dans toute gouttelette lipidique présente, la colorant en rouge. Le réactif de Biuret, du cuivre(II) en solution alcaline, forme un complexe violet avec les liaisons peptidiques qui unissent les acides aminés dans une protéine. Aucun de ces tests n'est sensible à autre chose, ce qui rend l'ensemble informatif.

Dans ce laboratoire, vous analyserez quatre aliments de tous les jours — du jus de pomme, du blanc d'œuf, une solution de céréales et du lait — pour identifier les quatre familles de nutriments. Chaque aliment est réparti dans un tube à essai, pour le test de Fehling à chaud, et dans trois puits d'une microplaque, un pour chacun des tests à froid. Vous chaufferez les tubes de Fehling dans un bain-marie au-dessus de 70 °C, ajouterez chaque réactif dans son puits étiqueté, et consignerez les seize observations obtenues dans un tableau de résultats. À partir de ces couleurs, vous établirez un profil nutritionnel pour chaque aliment et le comparerez à ce que vous savez déjà sur l'origine des sucres, de l'amidon, des graisses et des protéines.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Localiser et utiliser le matériel d'une paillasse de biochimie : le portoir à tubes à essai, les microplaques, la plaque chauffante et le bain-marie, les supports et les pinces, les compte-gouttes et la micropipette, les agitateurs en verre et le bac de récupération.

Utilisation d'équipements de protection et manipulation sûre des réactifs

• Portez des gants et des lunettes de protection, et sachez que la solution de Fehling et le réactif de Biuret sont fortement alcalins et corrosifs.
• Videz chaque récipient dans le bac de récupération plutôt que dans l'évier, et chauffez les tubes à essai dans un bain-marie plutôt que directement sur la plaque.

Préparation et division des échantillons

• Mesurez 10 mL de chaque aliment avec la pipette et transférez-le sans perte dans son tube à essai numéroté.
• Remplissez les trois puits de microplaque correspondant à chaque aliment, et comprenez pourquoi le même échantillon doit être réparti dans des puits distincts plutôt que d'être testé séquentiellement dans un seul.

Éviter la contamination croisée

• Nettoyez la baguette en verre après chaque agitation.
• Expliquer comment un seul compte-gouttes ou une seule tige non rincé(e) peut rendre un puits négatif positif et invalider toute la plaque.

Réalisation des quatre tests de nutriments

• Réalisez le test de Fehling avec le bain-marie porté au-dessus de 70 °C, et expliquez pourquoi ce test est le seul à nécessiter de la chaleur.
• Réalisez les tests de Lugol, de Sudan IV et de Biuret à température ambiante, en ajoutant le réactif de Biuret dans le bon ordre — l'alcali d'abord, puis le sulfate de cuivre.

Lecture et enregistrement des résultats

• Enregistrez chaque observation sous forme de couleur et classez-la comme positive ou négative par rapport aux critères énoncés.
• Assemblez les seize observations dans un profil nutritionnel pour chacun des quatre aliments.

Interprétation chimique des réactions colorées

• Associez chaque changement de couleur au groupe chimique détecté : aldéhyde, hélice d'amidon, phase lipidique, liaison peptidique.
• Expliquez pourquoi une observation témoin est nécessaire, et ce que signifierait une couleur dans un aliment qui devrait être négatif.

Protocole

Préparation des échantillons alimentaires

1. À l'aide de la pipette, mesurez 10 mL de l'échantillon de jus de pomme.
2. Versez les 10 mL de jus de pomme dans le tube à essai 1.
3. À l'aide d'un compte-gouttes, déposez 5 à 10 gouttes de jus de pomme dans chacun des trois puits de la plaque à puits identifiée «J».
4. Videz l'excès du compte-gouttes dans le bac de récupération.
5. Répétez les étapes 1 à 4 pour :

• Les blancs d'œufs, qui iront dans le tube à essai 2 et dans les 3 puits de la plaque à puits identifiée «B»
• La solution de céréales, qui ira dans le tube à essai 3 et dans les 3 puits de la plaque à puits identifiée «C»
• Le lait, qui ira dans le tube à essai 4 et dans les 3 puits de la plaque à puits identifiée «L».

Identification des glucides simples dans les aliments

1. Remplir un bécher de 500 mL avec 400 mL d'eau du robinet.
2. Insérer l'agitateur magnétique dans le bécher.
3. Placez le bécher sur la plaque chauffante et réglez à 75°C. Attendez que la température soit atteinte.
4. Allumer l'agitateur magnétique (bouton de gauche).
5. À l'aide de la pipette, ajoutez 10 mL de Fehling A dans chacun des tubes à essai 1 à 4 contenant l'aliment.
6. À l'aide de la pipette, ajoutez 10 mL de Fehling B dans chacun des tubes à essai 1 à 4 contenant les aliments.
7. Mélanger le contenu du tube à essai 1 en le faisant tourner dans un mouvement circulaire.
8. Répétez l'étape précédente avec les trois autres tubes à essai.
9. Fixez une pince universelle au montant gauche, au-dessus du bécher de 500 mL préparé à l'étape 1.
10. Fixez le tube à essai 1 à la pince universelle au-dessus du centre du bécher.
11. Vérifier qu'une température supérieure à 70°C est atteinte dans le tube à essai.
12. Prenez le tube à essai 1 et remettez-le à sa position d'origine sur le support à tubes à essai.
13. Mélangez le contenu du tube à essai en remuant quelques secondes avec la tige de verre.
14. Répétez les étapes 10 à 13 avec les éprouvettes 2, 3 et 4.
15. Abaissez la température de la plaque chauffante à 15 °C.
16. Éteindre l'agitateur magnétique.

Les observations de la réaction témoin se trouvent dans le tableau des résultats.

Identification des glucides complexes dans les aliments

1. À l'aide du compte-gouttes, ajoutez 5 à 10 gouttes de solution de Lugol dans chacun des 4 puits identifiés «Lugol».
2. Videz l'excès du compte-gouttes dans le bac de récupération.
3. Mélangez le contenu à l'aide de la tige de verre. Attention : assurez-vous de bien nettoyer la tige de verre après chaque agitation pour éviter de mélanger les substances !

Identification des lipides dans les aliments

1. À l'aide du compte-gouttes, ajoutez 5 à 10 gouttes de Sudan IV dans chacun des 4 puits identifiés «Sudan IV».
2. Videz l'excès du compte-gouttes dans le bac de récupération.
3. Mélanger le contenu à l'aide de la tige de verre.

Identification de protéines dans les aliments

1. À l'aide du compte-gouttes, déposez 1 goutte d'hydroxyde de sodium (NaOH) dans chacun des 4 puits identifiés «Biuret».
2. Videz l'excès du compte-gouttes dans le bac de récupération.
3. Utilisez la pipette pour prélever 1 pipette complète (10 mL) de sulfate de cuivre (CuSO4).
4. À l'aide de la pipette, versez 1 mL de sulfate de cuivre (CuSO4) dans ces mêmes puits étiquetés «Biuret».

• Le puits «J» (Biuret)
• Le puits «B» (Biuret)
• Le puits «C» (Biuret)
• Le puits «L» (Biuret)

5. Vider l'excès de la pipette dans le bac de récupération.
6. Mélanger le contenu à l'aide de la tige de verre.

Les observations se trouvent dans le tableau des résultats.

• Un résultat positif pour la présence de glucides simples donnera un précipité rouge brique (Cu₂O) dans le tube à essai (réaction de Fehling).
• Un résultat positif pour la présence de glucides complexes entraînera une coloration violette (complexe iode-amidon) dans le puits (test de Lugol).
• Un résultat positif pour la présence de lipides entraînera une coloration rouge (Sudan IV – complexe lipidique) dans le puits (test au Sudan IV).
• Un résultat positif pour la présence de protéines se traduira par une coloration violette (complexe du biuret) dans le puits (test du biuret).

Résultats attendus

L'ensemble complet des résultats. Quatre aliments sont testés pour quatre nutriments, ce qui donne seize observations. Le test de Fehling est lu dans le tube à essai chauffé ; les trois autres sont lus dans les puits étiquetés de la microplaque.

Sucres simples — test de Fehling. La solution de Fehling est du cuivre(II) maintenu en solution par le tartrate en milieu fortement alcalin. Un sucre réducteur — glucose, fructose, maltose, lactose, tout sucre possédant un aldéhyde libre ou un cycle pouvant s'ouvrir pour en former un — est oxydé par ce cuivre(II), qui est lui-même réduit en cuivre(I) et précipite sous forme d'oxyde de cuivre(I) rouge brique :

R–CHO + 2 Cu²⁺ + 5 OH⁻ → R–COO⁻ + Cu₂O(s) + 3 H₂O

La réaction est lente à température ambiante, c'est pourquoi ce test est le seul à nécessiter le bain-marie au-dessus de 70 °C ; le protocole vous fait confirmer cette température à l'intérieur du tube avant la lecture. Le jus de pomme est positif parce que le jus de fruit est en grande partie du fructose et du glucose libres. La solution de céréales est positive elle aussi, parce que la dégradation partielle de l'amidon laisse des sucres réducteurs dans la suspension. Le saccharose, en revanche, donnerait un résultat négatif bien qu'il soit un sucre, parce que ses deux cycles sont verrouillés l'un à l'autre et qu'aucun aldéhyde libre ne subsiste — un rappel utile que « sucre réducteur » est une catégorie plus étroite que « sucre ».

Amidon — test de Lugol. Le réactif de Lugol est de l'iode dissous dans de l'iodure de potassium, présent principalement sous forme d'ion triiodure I₃⁻. L'amylose, la composante linéaire de l'amidon, s'enroule en une hélice dont l'intérieur est juste assez large pour accueillir une chaîne de ces ions. Le complexe d'inclusion qui en résulte absorbe fortement au milieu du spectre visible et apparaît bleu-noir à violet foncé. Seule la solution de céréales change de couleur ; les trois autres aliments ne contiennent pas d'amidon. Comme la couleur dépend de l'intégrité de l'hélice, chauffer un puits positif ferait pâlir le bleu — l'hélice se déroule — et la couleur reviendrait au refroidissement.

Lipides — test de Sudan IV. Le Sudan IV est un lysochrome : un colorant sans affinité pour l'eau et à forte affinité pour les graisses. Ajouté dans un puits, il passe presque entièrement dans toute phase lipidique présente et la colore en rouge, laissant la phase aqueuse pâle. Le lait est positif, parce que la matière grasse du lait y est dispersée en une émulsion de fines gouttelettes. Rien n'est consommé chimiquement ici — c'est un test de solubilité, pas une réaction, ce qui explique qu'il fonctionne à froid et immédiatement.

Protéines — test de Biuret. Le protocole vous oblige à ajouter d'abord de l'hydroxyde de sodium et ensuite du sulfate de cuivre, et l'ordre a son importance : c'est l'alcali qui permet à l'ion cuivre(II) de se coordonner aux atomes d'azote du squelette peptidique. Quatre de ces atomes d'azote provenant de liaisons peptidiques adjacentes chélatent un Cu²⁺, et le complexe qui en résulte absorbe autour de 540 nm, donnant le mauve caractéristique. Le blanc d'œuf et le lait sont tous deux positifs, comme leurs noms dans n'importe quel tableau nutritionnel le laisseraient prévoir. Le test exige au moins deux liaisons peptidiques consécutives, de sorte qu'une solution d'acides aminés libres ne donnerait aucune couleur — le test détecte la protéine, pas l'azote.

Pourquoi un puits Biuret positif montre à la fois une couleur et un précipité. Les deux signaux sont deux composés différents du même cuivre. La teinte mauve du liquide est le complexe de biuret lui-même : le Cu²⁺ retenu par les atomes d'azote des liaisons peptidiques adjacentes est soluble, de sorte qu'il colore uniformément tout le puits. Le précipité est de l'hydroxyde de cuivre(II), formé partout où un ion Cu²⁺ rencontre des ions hydroxyde avant de rencontrer une liaison peptidique : Cu²⁺ + 2 OH⁻ → Cu(OH)₂(s), un solide bleu pâle. L'hydroxyde de cuivre(II) est l'un des hydroxydes courants les moins solubles, de sorte qu'une fois que les liaisons peptidiques présentes ont pris leur part de cuivre, l'excès quitte la solution sous forme de ce solide. Les deux observations racontent donc une seule et même histoire : la protéine s'approprie une partie du cuivre sous forme de complexe mauve soluble, et l'hydroxyde s'approprie le reste sous forme de solide.

Pourquoi le tube à essai 4 devient-il légèrement violet. Le lait dans le tube de Fehling développe une légère teinte violette mais aucun précipité rouge brique. Ce n'est pas un positif de Fehling. La solution de Fehling fournit du cuivre(II) en milieu fortement alcalin — exactement les conditions du test de Biuret — de sorte que la protéine du lait forme le complexe violet de Biuret dans le tube de Fehling. Lu strictement, le résultat est : aucun sucre réducteur détecté. C'est une bonne illustration de la raison pour laquelle un positif est défini par une couleur nommée et une forme nommée, précipité ou coloration, plutôt que par « quelque chose s'est produit ». Le lait contient bel et bien du lactose, un sucre réducteur, si bien qu'une incubation plus longue ou plus chaude devrait aussi donner un véritable précipité rouge brique.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Focalisation les quatre familles de nutriments et la couleur qui révèle chacune d'elles, ainsi qu'une technique minutieuse exempte de contamination.
• Activités : préparez les quatre échantillons et remplissez les tubes et les puits ; effectuez les quatre tests ; enregistrez les seize observations dans le tableau des résultats sous forme de couleurs ; indiquez quels nutriments chaque aliment contient, et vérifiez si les résultats correspondent à ce que dirait une étiquette nutritionnelle.

11e année

• Focalisation la chimie derrière chaque changement de couleur et le raisonnement qui transforme une observation en conclusion.
• Activités : nommer le groupe chimique détecté par chaque réactif ; expliquer pourquoi seul le test de Fehling nécessite un chauffage au-dessus de 70 °C ; expliquer pourquoi l'hydroxyde de sodium précède le sulfate de cuivre dans le test de Biuret ; expliquer que la solution de céréales soit positive à la fois au test de Fehling et au test de Lugol ; expliquer la légère teinte violette dans le tube à essai 4 sans la qualifier de positif de Fehling.

12e année / Niveau universitaire

• Focalisation spécificité, contrôles et limites de l'analyse qualitative.
• Activités : Écrivez les demi-réactions d'oxydoréduction correspondant au test de Fehling et identifiez ce qui est oxydé et ce qui est réduit ; prédire le résultat d'un test effectué sur une solution de saccharose pur et justifier cette prédiction ; concevoir les témoins positifs et négatifs nécessaires pour que ce protocole soit valable, et indiquer ce que chacun d'entre eux permettrait d'exclure ; discuter du seuil de détection de chaque test et expliquer pourquoi un résultat négatif constitue une preuve moins solide qu'un résultat positif ; décrire comment le test au biuret est adapté pour mesurer quantitativement la concentration en protéines.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Tubes à essai 50 mL ×4
• Porte-tubes à essai
• Microplaques (plaques à puits) ×2
• Pipette (10 mL)
• Pipettes (1 mL)
• Bécher (500 mL)
• Plaque chauffante
• Agitateur magnétique et barreau aimanté
• Thermomètre
• Support et pinces
• Baguettes en verre
• Flacon laveur
• Conteneur de récupération
• Essuie-tout
• Gants et protection oculaire

Produits

• Jus de pomme
• Blanc d'œuf en solution
• Céréales en suspension
• Lait 3% gras
• Eau du robinet (bain-marie, 400 mL)
• Réactif de Fehling, solutions A et B
• Solution d'iode de Lugol à 2 %
• Solution de Sudan IV
• Réactif de Biuret — hydroxyde de sodium, NaOH 2,5 M
• Réactif de Biuret — sulfate de cuivre, CuSO₄ 0,0094 M