Du lait au yaourt

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2014 | Académie : Moyen-Orient
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Du lait au yaourt
 
 

Structure et transformation de la matière

pchT_1405_09_01C

Comprendre

30

CORRIGE

 

Liban • Mai 2014

Exercice 1 • 6 points

Le lait est un produit biologique fragile. L’homme a su exploiter la tendance qu’ont ses composants à se séparer afin de le conserver. Pour faire du beurre, on recueille la matière grasse mais pour obtenir du fromage ou du yaourt, on attend que les protéines du lait coagulent.

L’acide lactique est l’un des composants essentiels du lait.

Données

  • Formule semi-développée de l’acide lactique :
  • Masse molaire de l’acide lactique : M= 90 g∙mol–1.
  • pKa (acide lactique/ion lactate) = 3,9
  • La phénolphtaléine est un indicateur coloré ; couple acide/base de pKa= 8,2 dont la forme acide est incolore et la forme basique rose.

1. L’acide lactique

1 Recopier la formule de l’acide lactique, entourer les groupes caractéristiques et justifier son nom en nomenclature officielle : acide 2-hydroxypropanoïque. (1 point)

2 Cette molécule possède-t-elle des stéréoisomères ? Si tel est le cas, donner la représentation de Cram de ses stéréoisomères et indiquer la relation qui les lie. (1 point)

3 En solution aqueuse, l’acide lactique que l’on notera HA a des propriétés acidobasiques. Sa base conjuguée est l’ion lactate.

1. Le pH d’une solution d’acide lactique de concentration molaire c égale à 1,5 mmol∙L–1 est égal à 3,4.

L’acide lactique est-il un acide fort ou faible ? (0,25 point)

2. Le pH d’un lait frais se situe autour de 6,5.

Quelle est l’espèce prédominante du couple acide lactique/ion lactate ? Justifier la réponse. (0,25 point)

2. Du lait frais…

Document 1

Acidité du lait

Un lait frais n’est que très légèrement acide mais cette acidité peut se développer assez vite pour des raisons diverses :

  • le lactose présent en quantité notable (50 g∙L–1 environ) se transforme en acide lactique sous l’action de bactéries ;
  • d’autres acides tels que l’acide oléique se forment à partir des corps gras présents dans le lait ;
  • le dioxyde de carbone dissous contribue également à l’acidité d’un lait.

L’industrie laitière vérifie l’état de conservation d’un lait en mesurant son acidité totale en « équivalent d’acide lactique » exprimée en degré Dornic1 (°D). Un lait frais doit avoir, selon les normes en vigueur, une acidité inférieure à 18 °D.

1. Un degré Dornic noté 1 °D correspond à 0,1 g d’acide lactique par litre de lait.

Document 2

Protocole de titrage d’un lait

On verse 10,0 mL de lait dans un erlenmeyer et on ajoute quelques gouttes de phénolphtaléine.

On procède au titrage de l’échantillon de lait par une solution d’hydroxyde de sodium de concentration molaire 0,11 mol∙L–1 appelée soude « Dornic ».

Un lait est dosé en suivant ce protocole.

L’équation de la réaction chimique support du titrage est :

H3O++ HO → 2H2O(l).

1 La persistance d’une coloration rose est observée pour un volume de solution titrante versée de 1,4 mL.

À quoi correspond ce changement de couleur ? (0,5 point)

2 En exploitant le résultat du titrage, déterminer si le lait analysé est frais selon la norme en vigueur. La démarche suivie pour répondre sera explicitée. (1,25 point)

3 Faire preuve d’esprit critique sur le dosage réalisé et proposer une amélioration. (0,25 point)

3. …vers le yaourt

Document 3

Fabrication du yaourt

Le lait pasteurisé est ensemencé avec des bactéries (Lactobacillus bulgaricus et Streptococcus thermophilus) et mis en pots. Ces bactéries vont alors se multiplier et transformer le lactose du lait en acide lactique. La consistance du yaourt est atteinte au bout de quelques heures. Les yaourts sont ensuite refroidis à 4 °C ; le froid bloque l’activité des bactéries mais ne les tue pas : au moment de la vente, le yaourt doit contenir au moins 10 millions de bactéries par gramme !

Document 4

Acidité et température

Afin d’optimiser la fabrication d’un yaourt dans un atelier de production, un laboratoire de recherche mesure, à différentes températures, l’évolution dans le temps de l’acidité de différents échantillons d’un lait préalablement ensemencé avec des bactéries. Les valeurs obtenues sont reportées dans les tableaux ci-dessous.

Pour une température θ1= 2 °C

 

Durée (min)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Acidité (°D)

19

19

19

19

19

19

20

20

20

20

20

21

21

 

Pour une température θ2= 25 °C

 

Durée (min)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Acidité (°D)

19

19

19

19

19

20

20

20

20

20

21

21

21

 

Pour une température θ3= 45 °C

 

Durée (min)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Acidité (°D)

19

19

19

20

20

20

27

34

45

55

64

70

78

 

Pour une température θ4= 80 °C

 

Durée (min)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Acidité (°D)

19

19

19

19

19

19

19

19

19

19

19

19

20

 
Document 5

Précipitation de la caséine

Le point isoélectrique d’une protéine est la valeur du pH pour lequel la somme des charges électriques présentes sur les différents groupes caractéristiques de la protéine s’annulent. La protéine est alors dénaturée.

Le point isoélectrique de la principale protéine du lait, la caséine, vaut 4,6.

Pour un pH < 4,6 la caséine change de conformation, se déplie et, en solution, précipite. On observe alors sa coagulation responsable de la texture du yaourt.

Document 6

Évolution du pH lors de la fabrication du yaourt dans un atelier de production industrielle

Le graphe suivant donne l’évolution au cours du temps du pH d’un lait ensemencé.


 

> À l’aide de ces documents, déterminer la température la plus favorable à la formation du yaourt ainsi que la durée au bout de laquelle la consistance est celle attendue d’un yaourt. La démarche sera explicitée. (1,5 point)

Notions et compétences en jeu

Connaître la nomenclature officielle • Connaître la représentation spatiale des molécules et les énantiomères • Connaître les propriétés des acides et des bases • Exploiter un titrage • Exploiter des documents.

Conseils du correcteur

Partie 1

1 Il faut penser à compter les atomes de carbone.

2 Il vous faut chercher s’il y a ou non un carbone asymétrique.

3 Un acide fort est un acide qui réagit totalement avec l’eau.

Partie 2

2 Vous devez raisonner en plusieurs étapes. Calculez d’abord la quantité de matière d’ions hydroxyde versée pour arriver jusqu’à la masse d’acide lactique dans un litre de lait.

Partie 3

Tous les documents doivent être utilisés. Il y a deux parties dans la question posée : la durée de fabrication (pour cela, utilisez les documents 5 et 6) et la température idéale pour la formation du yaourt (pensez alors à utiliser le document 4). Toutefois, une réponse brute ne convient pas : vous devez justifier vos réponses.

Corrigé

1. L’acide lactique

 

Notez bien

Pour numéroter les atomes de carbone, il faut commencer par le carbone porteur de la fonction acide.

1 Utiliser la nomenclature officielle


 

La chaîne carbonée comporte 3 carbones et une fonction acide carboxylique. C’est donc un acide propanoïque. Il y a une fonction alcool portée par le carbone no 2.

Son nom en nomenclature officielle est donc :

acide 2-hydroxypropanoïque.

2 Reconnaître un carbone asymétrique

Le carbone 2 est relié à 4 groupements différents. C’est donc un carbone asymétrique. La molécule présente donc des stéréoisomères appelés énantiomères qui seront images l’un de l’autre dans un miroir.


 

31. Connaître les propriétés des acides forts et faibles

Le couple acide/base acide lactique/ion lactate possède un pKa. Cela veut dire que la réaction entre l’acide lactique est l’eau n’est pas une réaction totale mais qu’il existe un équilibre chimique. L’acide lactique est donc un acide faible.

2. Réaliser un diagramme de prédominance

On peut tracer le diagramme de prédominance du couple acide lactique/ion lactate :


 

Le pH mesuré du lait est de 6,5. L’espèce prédominante est donc l’ion lactate.

2. Du lait frais…

1 Connaître les propriétés d’un indicateur coloré

Dans la prise d’essai, on a ajouté quelques gouttes de phénolphtaléine. C’est un indicateur coloré, c'est-à-dire une solution contenant un couple acide/base dont les formes acide et base conjuguées ne sont pas de la même couleur : incolore en milieu acide et rose en milieu basique. La persistance de la couleur rose permet de mettre en évidence l’équivalence d’un titrage acide/base.

2 Exploiter un titrage

Le volume d’hydroxyde de sodium versé à l’équivalence est : VE= 1,4 mL.

La concentration de la solution utilisée est 0,11 mol/L.

Cela correspond à une quantité de matière d’ions hydroxyde versée telle que :

nB= 0,11 × 1,4 × 10–3= 1,54 × 10–4 mol.

L’équation support du dosage est équimolaire. La quantité d’ions oxonium dans la prise d’essai de 10 mL est donc :

nA=nB= 1,54 × 10–4 mol.

Cela correspond donc à une quantité de matière d’ions oxonium dans un litre de lait telle que :

nA= 100 × nA= 1,54 × 10–2 mol.

Cela correspond donc à une masse d’acide lactique telle que :

mA=nA × MA =1,54 × 10–2 × 90 =1,4 g.

En utilisant la définition du degré Dornic, on en déduit que le lait testé est à 14 °D. Le lait titré est donc frais puisque son degré Dornic est inférieur à 18 °D.

3 Apporter un regard critique sur un protocole

 

Notez bien

La précision d’une mesure dépend de la mesure effectuée : une erreur de 0,1 mL sur un volume de 1,4 mL est plus importante que la même erreur sur un volume de 14 mL.

Le volume versé à l’équivalence est très faible : 1,4 mL. Cela induit une perte de précision sur le titrage.

Une solution pour augmenter la précision serait de prélever un volume de lait 10 fois plus important.

3. …Vers le yaourt

Exploiter des documents

Pour fabriquer un yaourt, il faut que les protéines du lait coagulent. D’après le document 5, cela se produit lorsque le pH du lait est inférieur à 4,6. Pour augmenter cette acidité, il faut ensemencer le lait avec des bactéries (document 3).

Le document 4 montre l’influence de la température sur l’acidité d’un lait ensemencé. On peut retirer de cette étude que la température la plus favorable à l’augmentation de l’acidité – donc à la formation du yaourt – est 45 °C.

Le document 6 permet de voir que le pH de 4,6 (indispensable à la formation du yaourt) est atteint après environ 6 h dans l’atelier de production industrielle.