PROBLEM 1 All about beer

April 12, 2011
PROBLEM 1
All about beer
General instructions
Portez toujours votre tablier de labo et vos lunettes de protection dans le
laboratoire.
Manger ou boire dans le laboratoire est interdit.
Les gants doivent être portés lorsqu’on manipule des produits chimiques.
N’utiliser que les crayons, Bic et calculatrice fournis.
Tous les papiers, y compris les feuilles de brouillon et de calculs doivent être
rendus à la fin de l’expérience.
Commencez par la mise en place et la réalisation des différentes
expériences avant de répondre aux questions théoriques.
Toutefois l’ordre dans lequel vous faites les expériences est indiffèrent.
Tous les résultats doivent figurer sur la feuille réponses.
Les calculs doivent être rendus avec la feuille réponses.
Seul le fascicule de réponses et les feuilles attachés seront notés.
Lorsque vous avez fini, laissez TOUT sur la table. Vous ne pouvez rien
emporter hors du laboratoire.
Introduction
Every nation has its own history. Each nation also has its traditional food and drink. While
the classical Czech dumplings and sauerkraut, pork, slowly begin to retreat into the
background, dominating drink beer does not lose popularity at all. Czech beer is not only
drink. It is also a source of national pride. In Bohemia, you can criticize everything, except
the Czech beer!
Beer is not a new invention. It was for sure produced at least 10 000 years ago - we can
trace beginnings of its fame to the ancient Egypt. It was not a beer in the modern sense.
One most famous beer ingredient was missing these days – the hops. It is not entirely clear
where and when the hops-supplemented beer first emerged, but this type of production was
immediately used by the Slavic tribes.
In the dark middle-Ages beer was brewed in Bohemia mainly in monasteries, or in their
vicinity. Breweries have already been documented from the 10th century. We have to stress
however, that medieval beer was not identical with the modern one. The taste difference for
experienced beer-drinkers, compared to the modern beer disappeared in the 18th century.
The Czech beer is brewed today by 38 companies. The most beer is produced by consortium
Pilsner Urquell, just behind are companies Staropramen and Budweiser. Czechs are not just
good at brewing beer, but exceptionally successful in drinking it. In the beer drinking Czechs
keep for the long time the first place in the world. Consumers in the Czech Republic have a
selection of 470 beer brands! So the Czechs are a nation of pub-culture. In the Czech pub
most of the social strata meets in equal and friendly terms. Czech Inn is the universal
meeting place, people date there and even trade partners sign important contracts during the
informal pub appointments…
Here our story begins.
(Adapted by Michael A. Cotter from the story “Small beer on the Bummel” by Petra Kněžíková)
Once upon a time, a long time ago, in a far off country, Mr. & Mrs. Beerbellow lived happily
in a small box with their ten children.
Un jour Smallbeer, le plus jeune fils dit, “je ne veux plus vivre dans cette pauvre petite boite.
Je m’en vais dans la grande ville de Pardubice”
He packed his six hops into his bag and set off alone to seek his fortune.
Many weeks later he arrived at the kingdom of Euscoly2011. He was surprised to find that
all the Kind’s subjects were in mourning. Smallbeer asked a servant girl he met in the street
why everyone was so sad and gloomy. She told him that Her Royal Highness, Princess ClearPlum-Brandy, the only child of the King and Queen, was in very great danger and no-one
knew how to save her. The King had offered his only daughter’s hand in marriage to the
brave bottle who saved the Princess from Seven-headed Charles Drunkard who lived in a
cave outside the town and had vowed to drink her. The King’s subjects gave Seven-headed
Charles Drunkard many different kinds of alcohol to save the princess, but Seven-headed
Charles Drunkard simply drank them down and asked for more.
Smallbeer went to the hotel Hurkabice, which was full of bright young bottles from many
different countries all eager to save the Princess from being drunk up. After dinner he went
for a walk to the castle, where, to his surprise he saw the Princess at a window. She was
beautiful, pure, six x distilled and her bottle glistened in the evening sunlight. They looked at
each other and it was love at first sight. Smallbeer decided that he had to save the Princess
without sacrificing himself.
He walked up to the castle door and asked the see the King. He said he had a plan to save the
Princess. The King was desperate and agreed to see him. He told the King his plan.
"If you succeed you will be a Prince, marry my only daughter and be the heir to my throne;
But if you fail, I will toss you into the raging, fast flowing river below and you will be swept
over the waterfall, smashed into smithereens on the rocks below, never to be seen again,"
said the King.
Smallbeer was so much in love with the Princess that he was willing to risk his life for her.
That evening, after the pubs closed, as Seven-headed Charles Drunkard was returning, very
drunk, from the Hurkabice, Smallbeer called to him at the other side of the river, "Hola,
hola, Smallbeer calling, please drink me, please drink me"
Thirsty Seven-headed Charles Drunkard jumped into a river and tried to swim to the other
side. But the current was too strong and the water too high and he was carried down stream
and over the waterfall, never to be seen again. People say, to this day, that the sound of the
waterfall is the roar of Seven-headed Charles Drunkard falling to his certain death on the
rocks below.
With Seven-headed Charles Drunkard gone forever and the Princess safe once more, the
ungrateful King changed his mind. But the princess pleased with him to let her marry
Smallbeer. The King agreed if Smallbeer completed one final task. “You are a stranger in
my Kingdom” he said, “Nobody here knows anything about you. But if you teach us how to
make beer I will agree to your marriage to the Princess.”
Voulez-vous aider Smallbeer à vaincre le dernier obstacle et aider le Prince Smallbeer et la
Princesse Clear-Plum-Brandy à se marier et vivre heureux pour toujours?
A. Aider Smallbeer à étudier la levure et la
fermentation
TASK A.I: YEASTS
Yeasts are eukaryotic microorganisms classified in the kingdom Fungi, with the 1,500 species currently
described estimated to be only small fraction of all yeast species. Yeasts do not form a single taxonomic or
phylogenetic grouping. The term "yeast" is often taken as a synonym for Saccharomyces cerevisiae, but the
phylogenetic diversity of yeasts is shown by their placement in two separate phyla, the Ascomycota and the
Basidiomycota.
La levure Saccharomyces cerevisiae a été utilisée dans la boulangerie et la fermentation des
boissons alcoolisées depuis des milliers d’années. Elle est aussi importante comme
organisme type dans la recherche moderne en biologie cellulaire et est l’organisme le pus
étudié parmi les microorganismes eucaryotes.
Other species of yeast, such as Candida albicans, are opportunistic pathogens and can cause infections in
humans. Yeast belongs to the earliest domesticated organisms. Archaeologists digging in Egyptian ruins found
early grinding stones and baking chambers for yeasted bread, as well as drawings of 4,000-year-old bakeries
and breweries.
En 1857, le microbiologiste français Louis Pasteur a montré qu’en faisant barboter de
l’oxygène dans un bouillon de levure la croissance cellulaire pouvait être augmentée mais la
fermentation était inhibée - une observation appelée " effet Pasteur ".
Les levures sont des chemoorganotrophes puisqu’ils utilisent des composés organiques
comme source d’énergie et n’ont pas besoin de lumière. Le carbone provient essentiellement
de sucres hexoses, tels que glucose, fructose, ou disaccharide saccharose. Certaines espèces
ont besoin d’oxygène pour la respiration cellulaires aérobie (aérobies obligatoires) d’autres
sont anaérobies mais ont aussi des moyens aérobies de production d’énergie (anaérobies
facultative).
A.I.1 quel est le prérequis pour faire de S. cerevisiae un organisme modèle important?
Répondez par oui /non pour chaque affirmation dans la feuille réponse.
A
B
C
D
S. cerevisiae est un petit organisme unicellulaire avec un temps de génération court
(temps de doublement 1.25–2 hrs à 30 °C) et peut être facilement cultivé.
S. cerevisiae peut être transformé par soit l’addition ou l’addition de nouveaux gène
ou la délétion par recombinaison homologue.
en temps qu’eucaryote, S. cerevisiae à la même structure interne complexe des plants
et des animaux.
la recherché sur S. cerevisiae est un moteur économique important, au moins au
départ, en raison de son utilisation bien établie dans l’industrie.
TASK A.II: FERMENTATION ALCOOLIQUE
A.II.1 Ethanol fermentation, connue aussi sous le terme fermentation alcoolique, est un
processus biologique par lequel les sucres tels que le glucose, fructose et
saccharose sont transformés en énergie cellulaire et ce faisant produisent de
l’éthanol et du CO2 comme « déchets métaboliques ». La glycolyse est une série
A
B
C
D
essential de réactions impliquées dans la fermentation alcoolique. Quelle
affirmation est exacte à propos de la glycolyse? Répondez par oui /non pour
chaque affirmation dans la feuille réponse
un des produits est l’eau
dix molécules d’ADP (par molécule de glucose) sont converties en dix molécules
d’ATP
la Glycolyse est typique des eucaryotes
la Glycolyse se produit dans les mitochondries, où l’acide pyruvique en tant que
produit final peut directement entrer dans le cycle de Krebs
A.II.2 quel est le responsable de la levée due la pâte à pain? Répondez par oui /non pour
chaque affirmation dans la feuille réponse
A
Durant la fermentation la levure de boulanger produit de la chaleur, de l’eau
s’évapore et forme des bulles dans la pâte
B
la levure de Boulanger produit du dioxyde de carbone qui forme des bulles dans la
pâte
C
la levure de Boulanger produit de l’éthanol et de la chaleur, l’éthanol évaporé forme
des bulles dans la pâte.
D
les bulles dans la pâte sont des espaces vides dans lesquels les levures ont consommé
de la pâte. La pâte s’expansé parce que la levure se reproduit abondamment et forme
une part importante de la masse de la pate.
A.II.3 la plupart des boissons alcoolisées sont produites par fermentation alcoolique par
la levure. Le vin et les alcools sont produits par fermentation des sucres naturels
présents dans les fruits, spécialement es raisins. Le rhum est produit par la
fermentation de la canne à sucre. La bière et les whiskys sont est produite par la
fermentation de l’amidon.
Les levures ne sont pas capables de fermenter
directement l’amidon. L’amidon doit d’abords être clivé » en sucres simples.
Quelle technologie est utilisée en brasserie pour transformer l’amidon en sucres
simples ? Répondez par oui /non pour chaque affirmation dans la feuille
réponse.
A
Les grains de blé germés sont une source importante de l’enzyme amylase qui réalise
l’opération.
B
les grains de blé sont chauffés à haute température ce qui clive l’amidon en sucres
fermentables
C
l’Enzyme amylase est produite par des bactéries, est isolée et employée pour le
traitement de l’amidon
D
les grains de blé sont prétraités avec des bactéries ou des levures capables de cliver
l’amidon et ensemencés ensuite avec des souches de levures productrices d’éthanol
La capacité de la levure à convertir le sucre en éthanol a été employé par l’industrie
biotechnologie pour produire du carburant « éthanol ». La plante avec le grand haut contenu
en énergie/m2 cultivée en Czech Republic et qui est facilement « fermentable » en éthanol est
la betterave sucrière (Beta vulgaris). La betterave sucrière peut être cultivée dans un large
éventail de climats tempérés. Durant sa première saison de croissance il produit une grosse
racine de stockage (1–2 kg) qui contient en masse jusqu’à 20% saccharose. La betterave
sucrière produit jusqu’à 60 tonnes de tubercules dans un sol et un climat local par hectare
(10 000m2). Sur les iles de Åland Islands, un alcool de type rhum est produit sous le nom de Kobba
Libre. Dans certains pays Européens, spécialement en Czech Republic et Germany, la betterave
sucrière est également utilise pour faire rectified spirit et de la vodka – (cited from Wikipedia).
A.II.4 écrire sur la feuille réponses deux équations chimiques de la transformation du
saccharose en éthanol par l’intermédiaire du glucose et du fructose d’abord
(ensuite en éthanol et en CO2).
A.II.5 écrire sur la feuille réponse l’équation chimique globale de la transformation du
saccharose en éthanol.
A.II.6 combien d’éthanol peut-on produire théoriquement à partir d’1kg de betterave
sucrière ? Écrire la réponse sur la feuille réponses.
A.II.7 pourquoi n’atteint ton pas la maximum théorique d’efficacité de transformation
du saccharose production en utilisant des microorganismes fermentant ?
Répondez par oui /non pour chaque affirmation dans la feuille réponse
A
B
C
D
une partie du carbone est perdu sous forme de CO2
une partie du saccharose reste dans la solution non fermenté, parce que l’éthanol
bloque le processus de fermentation
une partie du carbone finira sous forme de macromolécules et permettra aux
microorganismes de grandir et de se diviser
les réactifs ne sont jamais complètement transformés à 100% en produits
A.II.8 un litre d’éthanol contient environ 21.5 MJ d’énergie (un Litre d’éthanol est une
solution qui contient en fait 96% d’éthanol, la densité de la solution d’éthanol à
96% éthanol est 800 g/l !!!). Quel pourcentage de la surface totale devrait être
utilise pour la culture de la betterave sucrière si la Czech Republic, avec une
consommation en énergie de 496 TWh (1Wh = 3600J) par an, décidait de couvrir
tout son les besoins énergétiques via la production d’éthanol à partir de la
betterave sucrière (surface de CR approx. 78 866 km2 ). Ne pas inclure dans les
calculs l’énergie nécessaire pour la production de betterave sucrière. Écrire vos
réponses sur la feuille réponse.
A.II.9 Quel pourcentage de la surface totale devrait être utilise pour la culture de la
betterave sucrière si la Czech Republic (surface de CR approx. 78 866 km2)
décidait d’alimenter toutes les voitures avec de l’éthanol produit à partir du
saccharose de la betterave sucrière? Czech Republic importe chaque année 6
million de tonnes de brut et a besoin de 5 million de tonnes de diesel et gasoil
pour les voitures et les trains. Un litre de petrol/diesel contient en moyenne 32
MJ d’énergie, sa densité moyenne est de 0,785 kg/l. Ne pas inclure dans les
calculs l’énergie nécessaire pour la production de betterave sucrière. Écrire vos
réponses sur la feuille réponses.
A.II.10 combien de kgs de matière et antimatière ensemble devez-vous annihiler pour
obtenir l’équivalent en énergie qui est dépensée chaque année en Czech
Republic? Écrire vos calculs sur la feuille réponses
A.II.11. !!! DANS LE TEMPS RESTANT UNIQUEMENT– vous concourrez pour un
prix spécial!!! Imaginer que vous avez le pouvoir de transformer toute la
Czech Republic dans une forme optimale pour satisfaire sa consommation
énergétique avec la production de betterave sucrière. Pour rendre la chose plus
simple - CR dans votre modèle est une ile carrée. Vous pouvez la modifier
comme vous voulez. Faites un dessin de la forme optimale dans la case et
décrivez les dimensions en Kms.
TASK A.III: TOLERANCE A L’ETHANOL
Construction de souches de Saccharomyces cerevisiae avec une tolérance augmentée vis
à vis de l’éthanol par mutagénèse du gène de la protéine de liaison-TATA- et
identification de nouveaux gènes associés à la tolérance à l’éthanol. Jungwoo Yang1 et al.
Biotechnol. Bioeng. Article first published online: 3 APR 2011
Comme un taux élevé d’éthanol est un stress majeur durant la fermentation alcoolique, il est
intéressant d’avoir des souches de levures tolérantes à l‘éthanol pour sa production à l’échelle
industrielle. En comparant le profil transcriptionel global de deux souches ETS2 et ETS3 avec la
souche contrôle on a identifié 42 gènes qui étaient régulés avec deux changements. Parmi 34 mutants
par délétion disponibles dans un librairie de gènes knockout, 18 étaient sensibles à l’éthanol,
suggérant qu’ils étaient associés à la tolérance à l’éthanol. Huit d’entre elles étaient nouvelle et la
plupart inconnues sur le plan fonctionnel. Afin d’établir les bases pour de futures applications
industrielles, les souches iETS2 et iETS3 furent créées en intégrant les allèles mutants SPT15 de
ETS2 et ETS3 dans leurs chromosomes, qui montrent une plus grande tolérance à l’éthanol et une
meilleur survie à un choc éthanol sur milieu riche. La fermentation avec 20% glucose. Durant 24h
dans un bioréacteur a révélé que iETS2 et iETS3 poussent mieux et produisent environ 25% d’éthanol
en plus que la souche contrôle.
L’abstract ci-dessus montre que la recherche de souches tolérantes à de fortes
concentrations d’éthanol est une tâche importante. Votre travail va consister à
caractériser la tolérance à l’éthanol de la souche ordinaire de levure de boulanger
(capacité à pousser dans un milieu contenant de l’éthanol).
Matériel nécessaire:
3 Erlenmeyer
3 ballons en plastique gonflables
4,5g sucre en cubes
3 x 4-8 g levure de boulanger
96 % éthanol pur
Eau de ville (temp. ambiante)
Pipettes en verre et pipettes automatiques
Préparer le milieu de culture de la levure :
• Dissoudre les cubes de sucre avec l’eau de ville qui se trouve dans le bécher sur la
table (température est équilibré à la température ambiante) – préparer 300 ml of the
5% sucrose
• préparer 3 milieux de culture différents (100 ml) à l’aide de la solution de saccharose
avec une concentration finale de 4,5% et dans 3 Erlenmeyers fournis
A. contenant 0% éthanol
B. contenant 10% éthanol
C. contenant 20% ethanol
• inoculer avec les levures fournies (8g dans chaque Erlenmeyer)
Construire et réaliser l’expérience qui indique l’efficacité du métabolisme catalytique
de la levure dans un environnement contenant de l’éthanol.
A.III.1 Observer et dessiner les résultats dans la case appropriée. Noter A, la
concentration en éthanol 0%, B, la concentration en éthanol 10% et C,
concentration en éthanol 20% Ne pas se précipiter avant de décider : attendre
au moins 60 min. Ecrire (en minutes) combien de temps vous avez laissé la
levure fermenter.
A.III.2 Essayez de quantifier l’activité métabolique (comme une mesure de la
production de CO2 dans les différente solutions en fonction de la TACHE
C.II.). L’activité catabolique dans le flacon A représente le 100%.
A.III.3 Quels métabolites du catabolisme du saccharose vont être produits dans les trois
conditions différentes de culture A-C (utiliser les formules chimiques)
A.III.4
Quels type/types de métabolisme espérez-vous dans les trois conditions de croissance
A-C de votre expérience? Utiliser les abréviations AE pour aérobie et AN pour
anaérobique
A.III.5 Quel sera le plus grand frein la croissance de la levure dans les trois conditions
expérimentales A-C? Utiliser l’abréviation O pour O2, S pour saccharose, C
pour CO2, E pour éthanol, T pour température et N pour sans limite.
TASK A.IV: YEAST DOMESTICATION
The natural environment rarely provides microorganisms with conditions that enable their
growth and reproduction at a maximal rate; microorganisms in the nature need to be able to
cope with, for example, nutrient starvation, temperature changes, and lack of moisture and
should be able to survive for extended periods without reproducing. One of the ways how to
survive adverse conditions is the formation of colonies in which the cells cooperate. It is not
surprising that wild-type yeast strains form different colonies from the domesticated ones,
which were selected for special purposes under the optimal growth conditions minimizing the
need for cooperation.
Votre tâche va consister à identifier les colonies de type sauvage et domestiquées et comparer
leurs adaptations et morphologies
A.IV.1 Vous avez une boite de Petri contenant des colonies qui ont poussé sur un
milieu riche. Les colonies ont des morphologies différentes. Identifiez les
souches de type sauvage, le type domestiqué. Dessinez sur la feuille réponse des
exemples types de morphologies caractéristiques ; utiliser le microscope au plus
faible grossissement ou la loupe
A.IV.2 Prenez une petite quantité de cellules de levure d’une colonie e, resuspendez les
cellules dans une petite goutte d’eau et observez sous le microscope. Comparez
les morphologies cellulaires observées, faites un dessin des types
caractéristiques sur la feuille réponses avec des astérisques indiquant les
différences principales entre souches.
A.IV.3 Caractérisation des colonies de type sauvage et domestiquée avec le colorant
Blue Brillant Coomassie R
• sur le fond de la boite de Pétri entourez l’emplacement de plusieurs colonies de type
sauvage et domestiqués (au moins 5 de chaque type – utilisez des couleurs
différentes)
• éliminer en les lavant à l’eau les colonies de levure.
• enlever autant que possible le reste de colonies avec les coton tiges en évitant
d’abimer la surface d’agar.
• Colorez l’agar avec le bleu brillant de Coomassie Brilliant Brue (avec la pipette
pasteur ajouter environ 5ml par boite de Pétri) durant 10 min.
• Rincer la solution de colorant à l’eau courante, vider l’eau de la boite de Pétri
• observez l’aspect des marques bleues. Identifiez les dessins corresponds au type
sauvage et au type domestiqué et dessinez des exemples typiques sur la feuille
réponses. Utilisez le plus faible grossissement du microscope ou la loupe.
A.IV.4 en comparant type sauvage et domestiqué, laquelle/lesquelles parmi les
affirmations suivantes est/sont correctes? Répondez par oui /non pour chaque
affirmation dans la feuille réponse
A
les colonies domestiquées sont plus complexes, parce que la pression de sélection
conditions de milieu riche en énergie entraine des comportements de coopération
entre cellules individuelles
B
dans les colonies de type sauvage, cultivées à partir de levure prise dans la nature, les
cellules se différentient en sous-groupes spécialisés optimisées pour des taches
particulières. Les colonies sont dès lors plus complexes et structurées.
C
dans des conditions optimales les organismes tendent à perdre certaines
caractéristiques, dans votre cas aptitudes à former des colonies complexes ce qui n’est
d’aucune utilité en milieu liquide ou dans la pâte de Boulanger.
D
les colonies domestiquées sont lisses et n’ont de structure complexe et sont formée de
cellules incapables de se différencier en sous groups spécialisés
B. Aide Smallbeer à étudier les sucres résiduels
Yeast alcohol tolerance is prerequisite for quantitative sugar transformation into ethanol. In
reality in each beer or wine preparations remains residual sugar, which is important for
particular taste characteristics. Residual sugar is usually measured in grams of sugar per
litre of wine, often abbreviated to g/l or g/L. Even among the driest wines, it is rare to find
wines with a level of less than 1 g/L, due to the unfermentability of certain types of sugars. By
contrast, any wine with over 45 g/L would be considered sweet, though many of the great
sweet wines have levels much higher than this. For example, the great vintages of Château
d'Yquem contain between 100 and 150 g/L of residual sugar. The sweetest form of the Tokaji,
the Eszencia - contains over 450 g/L, with exceptional vintages registering 900 g/L. How
sweet a wine will taste is also controlled by factors such as the acidity and alcohol levels, the
amount of tannin present, and whether the wine is sparkling or not.
There is a special need to produce low sugar beer – especially for diabetics who can´t
properly control entry of glucose into cells. It is obvious that any residual unfermented
amount of glucose in beer would constitute an increased risk for diabetics. Diätbier is a
German specialty beer brewed for diabetics; it uses an unusually complete conversion and
fermentation to create a beer with the same alcohol content as an ordinary beer, but almost
no residual sugars or carbohydrates. The result is something similar in flavour to Dry Beer.
La mesure de sucre résiduel dans des étapes particulières de la fermentation du vin ou des
bières est donc un travail important des fabricants.
Vous allez réaliser leur travail en utilisant une des méthodes les plus précises.
Détermination iodométrique des sucres réducteurs
Les sucres réducteurs sont déterminés par la réaction de la portion soluble dans l’eau de
l’échantillon avec un excès de sulfate de cuivre standard(CuSO4) dans une solution de
tartrate (Fehling's solution) dans des conditions contrôlées de temps de température de
concentration et de composition des réactifs, de sorte que la quantité de cuivre réduit soit
proportionnelle à la quantité de sucres réducteurs présent dans l’échantillon. Dans
l’adaptation de la méthode de Schoorl la concentration de sucre réducteur exprimé sous
forme de glucose, est estimée par détermination iodométrique du cuivre résiduel non réduit
après la réaction.
Dans ce cas le sel de cuivre résiduel est entièrement transformé en iodure de cuivre, avec
libération d’une quantité équivalente d’iode:
2 Cu2+ + 4 I- → 2 CuI + I2
L’iode formé à partir de l’iodure est détermine par titrage avec un standard thiosulfate,
l’amidon étant utilisé comme indicateur. La différence entre le blanc et le titrage d’une
détermination représente le cuivre réduit, et la quantité de sucre correspondante (glucose) est
obtenue par l’examen du tableau 1 en raison de la réaction non stœchiométrique entre le
glucose et le sel de cuivre.
Cette méthode a été spécifiquement développée pour les dextrines et maltodextrines solubles
dans l’eau et est applicable à d’autres hydrates de carbone tels que sirops de glucose et
glucose solide à faible DE (dextrine équivalent). Dextrines sont des amidons modifiés
préparés à partir d’amidon traité par la chaleur avec ou sans ajout de petites quantités de
réactifs. La méthode n’est pas recommandée pour des échantillons supérieurs à 30 DE, parce
qu’elle tend à donner des résultats supérieurs dans la mesure où la relation entre le cuivre
réduit et les sucres réducteurs tend à devenir moins linéaire pour les hautes valeurs de DE.
Appareils et réactifs:
• échantillon: Glucose (dans un récipient en plastique)
• Tools:
ballon jaugé 100 mL
2× Erlenmeyer (250 mL)
2× titrage flacons(250 mL)
2× pipette 10 mL
1× Burette 25 mL
2× entonnoir
1× (poudre) entonnoir
2× bechers 150 mL (berlin)
1× cylindre gradué 10 mL
1× bouteille de lavage en plastique (avec eau distillée)( pissette)
• Chemicals:
Fehling´s solution A (69.28 g CuSO4·5H2O dans 1 litre d’eau)
Fehling´s solution B (346.0 g C4H4O6NaK·4H2O et 100 g NaOH dans 1
litre)
solution Standard bichromate potassium (K2Cr2O7) - concentration réelle
donnée par les organisateurs
solution thiosulfate de Sodium (Na2S2O3) 0.1 M
iodure de Potassium (KI) - solide
acide sulfurique H2SO4 2 M
indicateur d’amidon (Starch indicator)
TASK B.I: ETALLONAGE DE LA SOLUTION Na2S2O3 0.1 M
•
Ajouter un volume approprié d’eau distillée (approx. 50 mL) dans le flacon de titrage de
250 mL contenant 5 mL de solution standard de bichromate potassium (K2Cr2O7)
– ajoutée par les organisateurs !!
•
ajouter 5 mL de H2SO4 2 M à l’aide du cylindre gradué
•
ajouter approx.1 g de KI solide et agiter énergiquement.
•
Titrer à l’aide de la solution étalonnée de thiosulfate sodium (Na2S2O3) 0.1 M jusqu’à
obtenir une couleur jaune pâle.
•
Ajouter 5 mL d’indicateur d’amidon avec un cylindre gradué et poursuivre le titrage
jusqu’à disparition de la couleur bleue de l’indicateur coloré (note: à la fin du titrage la
solution est bleu-vert pâle en raison de la présence d’ions Cr3+).
•
Dans la feuille réponse, notez le volume de solution étalonnée de thiosulfate sodium 0.1
M utilisée.
•
Réalisez l’opération au moins deux fois (trois fois si nécessaire).
•
Calculez la concentration de solution de Na2S2O3. Écrivez vos calculs et résultats dans la
feuille réponses.
•
L’étalonnage est caractérisé par les réactions suivantes:
Cr2O72- + 6 I- + 14 H+ → 2 Cr3+ + 3 I2 + 7 H2O
I2 + 2 S2O32- → 2 I- + S4O62-
TASK B.II: ANALYSE DE L ‘ECHANTILLON DE GLUCOSE
•
Transférez l’échantillon du récipient en plastique dans le ballon jaugé (100 mL) et
remplissez le flacon avec de l’eau distillée jusqu’au repère (trait de jauge).
•
Pipetez 10.0 ml de solution Fehling´s A et puis 10.0 ml de solution Fehling´s B dans un
Erlenmeyer 250 mL.
•
ajoutez 10.0 mL de l’échantillon et 20 mL d’eau distillée pour porter le volume total à
50 mL de mélange réactionnel.
•
Mélanger le contenu du flacon en renversant doucement.
•
ajouter 2 petites billes de verres pour éviter les remous durant le chauffage et couvrez
l’ouverture avec un petit entonnoir en verre.
•
Préchauffez la plaque chauffante !
•
Placez le flacon (assurez-vous que la surface externe est sèche!) sur la plaque
chauffante réglée afin que la solution arrive à ébullition en 3 minutes approx.
•
Maintenez l’ébullition durant 2 minutes exactement (temps total de chauffage 5
minutes).
•
Refroidir rapidement à la température du labo dans un bain d’eau froide.
•
Ajouter approx. 2 g de KI solide et agiter le contenu fortement.
•
ajouter 15 mL de H2SO4 2 M à l’aide d’un cylindre gradué (la solution doit devenir
brune à cause de la formation d’iode; sinon une autre portion d’acide est nécessaire).
•
Titrez immédiatement avec la solution standard thiosulfate sodium (Na2S2O3) 0.1 M
pour obtenir une couleur jaune pâle.
•
ajouter 5 mL de l’indicateur d’amidon avec un cylindre gradué et continuer le titrage
jusqu’à disparition de la couleur bleue.
•
Indiquer sur la feuille réponse le volume de solution standard de thiosulfate sodium 0.1
M utilisé.
•
Réaliser l’opération au moins deux fois (trois fois si nécessaire).
•
Pour le blanc utilisez 10 mL d’eau distillée au lieu des 10 mL de l’échantillon.
•
La différence entre le blanc et le titrage doit être recalculé en volume de solution
Na2S2O3 0.1 M et la quantité correspondante de glucose est obtenue en lisant sur le
tableau 1 fourni. Considérez qu’il existe une relation linéaire entre deux valeurs
successives du tableau.
•
Les résultats seront exprimés en milligrammes (mg) de glucose par 100 mL du ballon
jaugé.
•
Indiquez tous vos calculs et le résultat sur la feuille réponses!
Table 1: correspondance entre la quantité de glucose (mg) et le volume de Na2S2O3 0.1 M
(mL) (équivalent au cuivre réduit)
0.1 M Na2S2O3
volume (mL)
Glucose
quantité (mg)
0.1 M Na2S2O3
volume (mL)
Glucose
0.1 M Na2S2O3
Glucose
quantité (mg) volume (mL) quantité (mg)
1.0
3.2
9.0
28.9
17.0
56.3
2.0
6.3
10.0
32.3
18.0
59.8
3.0
9.4
11.0
35.7
19.0
63.3
4.0
12.6
12.0
39.0
20.0
66.9
5.0
15.9
13.0
42.4
21.0
70.7
6.0
19.2
14.0
45.8
22.0
74.5
7.0
22.4
15.0
49.3
23.0
78.5
8.0
25.6
16.0
52.8
24.0
82.6
TASK B.III: QUESTIONS SUPPLEMENTAIRES
B.III.1 écrivez les équations correspondantes de la réaction de l’iode avec les composés
suivants:
a)
HCHO (formaldehyde) en milieu basique ( OH-)
b)
CH3COCH3 (acetone ) en milieu basique( OH-)
c)
L-ascorbic acid
B.III.2 quelle est la caractéristique de la structure de la molécule de glucose? Quelle
propriété physicochimique découle de cette structure et comment appelle t’on
la méthode instrumentale qui permet la détermination de telles substances?
Entourer une des réponses suivantes.
D
Caractéristique de la
structure
propriété
physicochimique
methode
Instrumentale
Système de liaisons
conjguées
absorption de lumière
UV
spectrometrie UV
Carbone asymétrique
(chiral)
Rotation optique
polarimetrie
groups
volatilité
Chromatographie
gazeuse
groupes Ester
volatilité
Chromatographie
gazeuse
C. Aide Smallbeer à étudier la bière.
En Bohème, sur la bière Tchèque on indique traditionnellement son « degré », par exemple
bière à 10° ou 12°. Le degré déterminait la concentration de sucre fermentable avant
fermentation. La teneur en alcool dans la bière dépend de la quantité de sucre transformé en
alcool. De nos jours, le degré de la bière est donné par la masse de sucre dans le
„moud“.(wort)
Le premier produit intermédiaire dans le processus de brassage de la bière est appelé
« moud » ( malt wort).
C’est une solution de sucre et d’autres substances sans houblon.. Le « moud » malt wort est
bouilli avec le houblon. Le produit est appelé moud de houblon. En ajoutant de la levure, le
sucre est transformé en alcool et dioxyde de carbone.
La teneur en alcool dépend de la densité de « moud de houblon» et de la densité finale de la
bière.
La fraction en volume d’alcool est approximativement donnée par la formule
Fraction en volume d’alcool (%) = (ρhw - ρ)/k
où ρhw est la densité de « moud de houblon» (en kg/m3), ρ est la densité finale de la bière
(en kg/m3) et k est une constante qui a pour valeur 7.45.
Le degré de la bière peut ensuite être déterminé en multipliant la fraction en volume d’alcool
par la constante 2.5:
Degré d’alcool de la bière = 2.5· fraction en volume d’alcool (%)
Etant donné la concentration différente du sucre fermentable résiduel, les bières de différent
degré ont aussi une densité différente.
Au plus le degré est élevé, plus la densité de la bière finale est élevée.
La densité peut être déterminée par un pycnomètre voir Fig. 1.
Un pycnomètre est fait d’une bouteille en verre avec un bouchon avec un tube capillaire qui
le traverse. La bouteille peut être remplie avec une grande précision par le même volume de
diffèrents liquides.
Figure 1 - Pycnomètre (Source: Wikimedia Commons)
Si on connait la densité de quelques liquides de référence, on peut déterminer le volume du
pycnomètre en pesant le pycnomètre vide et le pycnomètre rempli de liquides de référence.
En pesant alors le pycnomètre rempli avec le liquide de densité inconnue, on peut calculer sa
densité.
TEST C.I: MESURE DE LA DENSITE ET DETERMINATION DU DEGRE DE LA
BIERE
Matériel et produits:
2 bouteilles de bière, eau distillée (demander à l’assistant), balance (à partager avec une autre
équipe), tige de verre, 3 berlins, petite bouteille en verre, un bouchon avec un tube qui le
traverse,(swab) tampon, règle avec échelle.
Manipulation
1. Verse les échantillons des deux bières dans les berlins et mélange-les avec le tube en verre
pour que les bulles d’air s’échappent. Laisse reposer les 2 échantillons de bière quelques
minutes à la température du labo en mélangeant de temps en temps.
Verse de l’eau distillée dans le troisième berlin et attends d’atteindre la température du labo.
2. En attendant, pèse le pycnomètre (bouteille en verre) vide et sec avec le bouchon 5 fois.
Reporte tes mesures sur la feuille de réponse (deuxième colonne dans le tableau C.I.1)
et calcule la moyenne.
3
Remplis le pycnomètre d’eau distillée jusqu’au bord. Mets le bouchon. Un peu d’eau
s’écoulera du tube. Sèche soigneusement le pycnomètre et pèse-le. Refais la mesure 5
fois. Ne vide pas le pycnomètre entre chaque mesure. C’est suffisant d’ajouter de l’eau
distillée jusqu’au bord et de remettre le bouchon.
Reporte tes mesures sur la feuille de réponse (troisième colonne dans le tableau C.I.1)
et calcule la moyenne.
4
Vide et rince le pycnomètre. Remplis-le de l’échantillon de bière légère. Mets le
bouchon, sèche soigneusement le pycnomètre. Vérifie qu’il n’y a plus de bulles d’air
sous le bouchon et pèse-le. Refais la mesure 5 fois. De nouveau, ne vide pas le
pycnomètre entre chaque mesure. C’est suffisant d’ajouter de l’échantillon de bière
jusqu’au bord et de remettre le bouchon.
Reporte tes mesures sur la feuille de réponse (quatrième colonne dans le tableau C.I.1) et
calcule la moyenne.
5. Vide et rince le pycnomètre. Refais la même expérience qu’avec la bière légère avec
l’échantillon de bière foncée. Vérifie qu’il n’y a plus de bulles d’air sous le bouchon et
pèse-le. Refais la mesure 5 fois.
Reporte tes mesures sur la feuille de réponse (cinquième colonne dans le tableau C.I.1)
et calcule la moyenne.
.
Figure 2 – Pycnomètre avec la bière foncée
Nous recommandons fortement de commencer maintenant le test C.II. Vous reviendrez
à l’analyse de vos résultats pendant les mesures du TEST C.II!
6. Calcule la masse d’eau distillée dans le pycnomètre (note la mw), la masse de l’échantillon
de bière légère dans le pycnomètre (m1) et la masse de l’échantillon de bière foncée dans le
pycnomètre (m2). Ecris les masses sur la feuille de réponse (C.I.2)
7. Copie la température du labo indiquée sur le tableau blanc sur la feuille de réponse. Utilise
le Graphique 1 ci-dessous pour déterminer la densité de l’eau distillée. Calcule le volume
d’eau distillée dans le pycnomètre. Ecris tes résultats sur la feuille de réponse (C.I.3)
8. Ecris sur la feuille de réponse (C.I.4) la formule de la densité de l’échantillon de bière
en termes de masse de l’échantillon et le volume Vw. Calcule la densité de
l’échantillon de bière légère (ρ1) ainsi que l’échantillon de bière foncée (ρ2). Ecris tes
résultats sur la feuille de réponse.
ρ/kg·m
-3
9. Calcule la fraction de volume d’alcool et le degré de l’échantillon de bière légère et
le degré de l’échantillon de bière foncée. La densité du mout de houblon( ρhw ) pour la
bière légère est ρ1hw = 1040 kg/m3 et pour la bière foncée ρ2hw = 1080 kg/m3. Ecris tes
résultats sur la feuille de réponse (C.I.5).
1004
1002
1000
998
996
994
992
990
988
986
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
t/°C
Graph 1 – Variation de la densité de l’eau distillée en fonction de la température
Une autre manière de mesurer la densité d’un liquide est d’utiliser un hydromètre (
Fig 3). Un hydromètre est fait en verre et est constitué d’une tige cylindrique et d’une
ampoule lestée avec du mercure ou du plomb pour qu’il flotte en position verticale. Le
liquide à tester est versé dans un récipient assez haut, souvent un cylindre gradué et
l’hydromètre est introduit dans le liquide jusqu’à ce qu’il flotte librement. Il faut repérer le
point où la surface du liquide touche la tige. L’utilisation de l’hydromètre est basée sur le
principe d’Archimède.
C.I.6 Pour simplifier, considère un hydromètre fait d’un tube test (de section constante)
d’une longueur de 20cm et muni d’un lest. Un tel tube test est immergé dans de l’eau
distillée jusqu’à la moitié de sa longueur. Calcule les longueurs immergées du tube
dans les deux échantillons de bière. Ecris tes calculs et résultats sur la feuille de
réponse.
Figure 3 - Hydrometer
(Source: Wikimedia Commons)
TEST C.II: MESURE QUANTITATIVE DE CO2 PRODUIT PAR LA LEVURE
Comme vous l’avez vu dans la partie A.II. lorsque la levure consomme et métabolise le
sucre, elle produit l’éthanol et le dioxyde de carbone. En mesurant le volume et la pression
du CO2 produit on peut déterminer la quantité de substance à l’aide de la loi des gaz parfaits
(compare avec TEST A.III1)
pV = nRT
Où p représente la pression du gaz, V le volume du gaz, n la quantité de gaz, R la constante
des gaz parfaits (R=8.314 J mol-1K-1) et T la température absolue (température
thermodynamique) (qui peut être déterminée à partir de la température Celsius écrite sur le
tableau blanc)
Si on suppose que la forme d’un ballon gonflable soit une boule idéale, alors pour le ballon
gonflé on pourra utiliser l’équation suivante:
p = pa +
C
,
r
Où pa est la pression atmosphérique, r est le rayon du ballon et C est une constante décrivant
les propriétés de la matière et l’épaisseur du ballon.
Matériel et produits:
Balance (à partager avec une autre équipe), tube de verre, berlin, petite bouteille en verre
(pycnomètre), règles, 2 équerres, ballon gonflable, 2 morceaux de sucre, levure (environ
20g).
Manipulation
1. Pèse ensemble tous les morceaux de sucre. Reporte ton résultat sur la feuille de
réponse (C.II.1)
2. Calcule la température thermodynamique du labo. Reporte ton résultat sur la feuille de
réponse (C.II.2)
3. Remplis le pycnomètre jusqu’au bord avec de l’eau à la température du labo. Verse cette
eau du pycnomètre dans un Berlin. Ajoute la levure dans le Berlin et dissous aussi tout le
sucre. Ecrase la levure avec la tige de verre et mélange convenablement le contenu du
Berlin.
4.
Verse, jusqu’au bord, la solution obtenue dans le pycnomètre rincé. Place soigneusement
le ballon vide sur le dessus du pycnomètre (voir Fig 4.)N’étire pas inutilement le ballon,
cela pourrait changer ses propriétés élastiques près du goulot et abîmer sa forme. Si tu
perces le ballon, demande en un autre à l’assistant.
Figure 4 – Inflatable balloon on the pycknometer neck
Observe soigneusement le gonflement du ballon. Après 40 minutes, reporte toutes les 10
minutes le diamètre d du ballon sur la feuille de réponse (deuxième rangée dans le
tableau C.II.3) jusqu’à 120 minutes. Pour mesurer le diamètre utilise la règle et les 2
équerres.
6. A partir du diamètre du ballon, de la température thermodynamique et des constantes,
déduis la formule de la quantité de dioxyde de carbone. Ecris tes calculs sur la feuille de
réponse (C.II.4).
5.
7. Pour chaque valeur du diamètre, calcule le volume de gaz à l’intérieur du ballon. (V), la
pression du gaz (p) et la quantité de gaz. Ecris tes résultats sur la feuille réponse
(tableau C.II.3). Considère que la forme du ballon est une boule parfaite, néglige le
volume de la tige du ballon. La pression atmosphérique est écrite sur le tableau blanc. La
valeur de la constante C = 240 Pa m. Néglige aussi la quantité d’air dans le ballon au
départ.
8. Trace les graphes de la pression du gaz en fonction du temps. (noté Graphe C1) et de la
quantité de substance en fonction du temps (noté Graphe C2)
C.II.5 Quelle est la quantité maximale de gaz carbonique que l’on pourrait obtenir, si on
considère que tout le sucre est transformé en alcool et gaz carbonique? Utilise les
résultats du TEST A II. La masse molaire du sucre est de 342,2g/mol. Ecris tes
calculs sur la feuille de réponse.
BONNE M…. GOOD LUCK !!!