Comment synthétiser un arôme ?
PARTIE 4 : Comment synthétiser un arôme ?
Avant de commencer cette séance, il est important de savoir que l’arôme est un composé volatile permettant une conception du goût et de l’odeur. Selon la législation européenne, ce sont des produits non destinés à être consommés en l’état, qui sont ajoutés aux denrées alimentaires pour leur conférer une odeur et/ou un goût ou modifier ceux-ci.
Cette notion d’arôme s’applique surtout aux produits alimentaires.
En effet, les fruits, les légumes, les épices, les aromates, les viandes, les poissons, les produits laitiers, ont des arômes que les industriels de l’agroalimentaire souhaitent reproduire, standardiser, renforcer. Ainsi, de manière à répondre à cette demande, des arômes sont développés par des aromaticien(ne)s.
Activité 1 : Les arômes naturels et artificiels
Dans cette activité, nous traiterons le sujet de l’arôme de la vanille. Nous parlerons ensuite de la différence entre arôme naturel et arôme artificiel ou synthétique et enfin nous aborderons le sujet des esters et de l'arôme du rhum.
Ces développements nous permettront de bien anticiper l’expérience qui suivra cette première activité.
Arôme de vanille
La molécule aromatique de la vanille se nomme la Vanilline.
Il existe deux sortes d’arôme de vanille, un « naturel » et un « artificiel ».
Nous pouvons savoir si l’on consomme un arôme de vanille naturel ou artificiel en regardant l’étiquette du produit. En effet, la vanille fabriquée chimiquement est étiquetée sur les produits comme « arôme vanille » ou « essence de vanille » alors que la vanille naturelle est étiquetée sur les produits comme « vanille » ou « extrait de vanille ».
Arôme naturel et arôme artificiel ou synthétique
Il existe deux types d’arômes, ceux dits « naturels » (ce sont des mélanges très complexes constitués de nombreuses molécules différentes) et ceux dits « artificiels » ou « synthétiques ».
Cette différence s’explique par leur production. En effet, l’arôme naturel est une substance aromatique qui existe dans la nature, il est ainsi extrait d’un aliment voire même reconstitué à partir de matières premières naturelles. Par opposition, l’arôme artificiel ou synthétique est produit de manière chimique en laboratoire, à l’aide de pétrochimiques raffinés. Ils ont ainsi leurs inconvénients et leurs avantages.
Contrairement aux arômes naturels, les arômes artificiels sont des gains de temps puisque nous n’avons pas à les cultiver dans des pays étrangers, mais aussi d’argent, puisqu’il n’y a pas le coût de leur transport. Ils ont pour objectif de copier un goût naturel, de créer un goût inédit qui n’existe pas dans la nature ou encore d’améliorer et de relever des saveurs que la nature nous offre d’une façon trop fade.
Leur production ne dépend pas des saisons et est plus régulière, effectivement, les réactifs et produits chimiques permettant de les réaliser sont disponibles à tout moment.
Bien qu’ils aient de nombreux avantages, ils possèdent tout de même leur inconvénients :
- ils sont produits de manière totalement chimique,
- leur structure moléculaire ne peux être retrouvée dans la nature,
- ils sont issus de la chimie du pétrole et contiennent des substances au noms inconnus pour nous tous ainsi que des métaux lourds,
- leur consommation en grande quantité est néfaste particulièrement pour la santé des enfants,
- ils peuvent entrainer des réactions allergiques dues aux produits chimiques utilisés.
Par convention, il est important d'ajouter que la mention « arômes naturels » sur une liste d’ingrédients ne signifie pas que le produit alimentaire est plus sain que les aliments fabriqués avec des arômes artificiels ou sans arômes ajoutés.
Esters et arômes de rhum
Il faut savoir que les esters sont des composés volatils qui ont souvent une odeur agréable et sont parfois à l’origine de l’arôme naturel des aliments.
Ils sont la plupart du temps synthétisés pour être utilisés comme arômes artificiels ou utilisés dans la composition d’un parfum.
De manière à synthétiser un ester, il faut ainsi réaliser la transformation chimique entre un alcool et un acide carboxylique.
Par conséquent, pour obtenir l’arôme de rhum, il faut synthétiser le méthanoate d’éthyle (ester). Pour cela, il faut faire réagir l’éthanol → C2H6O (alcool) avec l’acide méthanoïque → C2H4O2 (acide carboxylique).
De plus, bien que cet arôme correspond à la synthèse de produits chimiques, on peut toutefois le trouver dans la nature, puisqu'il s'obtient par la fermentation puis la distillation de la canne à sucre.
Nous pouvons alors écrire les formules semi-développées des molécules inscrites au dessus tout en entourant le groupe fonctionnel de manière à justifier leur appartenance à la famille organique.
Prenons pour support le tableau suivant :
Éthanol C2H6O :
La formule semi-développée est :
Par le groupe fonctionnel entouré, nous remarquons bien que l’éthanol fait partie de la famille des alcools.
Méthanoate d’éthyle : C3H6O2 :
La formule semi-développée est :
Par le groupe fonctionnel entouré, nous remarquons bien que le méthanoate d’éthyle fait partie de la famille des esters.
Acide méthanoïque C2H4O2 :
La formule semi-développée est :
Par le groupe fonctionnel entouré, nous remarquons bien que l’acide méthanoïque fait partie de la famille des acides carboxyliques.
Principaux arômes de synthèse
Dans notre environnement, que ce soit dans l’alimentation ou dans les désodorisants.. nous retrouvons des arômes de synthèse principaux tels que :
- L'éthylvanilline, arôme de synthèse au goût identique à l'arôme de vanille,
- L’éthanoate de méthyle, présent dans l’huile essentielle de menthe, arôme de synthèse de la menthe,
- L'acétate d'isoamyle, arôme de synthèse de la banane,
- L'acétate de linalyle, arôme de synthèse de la lavande.
ACTIVITÉ 2 : Synthétiser un ester aromatique
Cette activité va être basée sur l'expérience permettant de synthétiser un arôme. Pour cela, nous énoncerons le matériel et le protocole utilisé. Par la suite, nous aborderons le montage à reflux. Nous finirons par répondre à quelques questions sous la forme d'un texte développé.
I- Informations importantes
Matériel utilisé
Le matériel pour réaliser un montage à reflux avec un ballon bicol
Un montage à reflux témoin
Deux béchers de 50 mL et deux béchers de 150mL
Une éprouvette graduée de 10 mL, une de 50 mL et une de 100 mL
Une ampoule à décanter de 200/250 mL sur support
Un erlenmeyer 100mL
1 bandelette de papier filtre (pour sentir à la fin)
1 torchon ou gant anti-chaleur
Une pissette d’eau distillée
alcool isoamylique
linalol
Butan-1-ol
acide éthanoïque (acide acétique)
Anhydride acétique (sous la hotte) + un bécher de 100 mL
acide sulfurique concentré + un petit bécher + pipette pasteur
hydrogénocarbonate de sodium à 10%
2 L de solution d’eau saturée en sel
Pierre ponce
Lunettes + boîte de gants
Protocole utilisé
Protocole expérimental de la synthèse
Repérer le numéro de groupe qui vous est attribué pour savoir quel ester (A, B ou C) vous devez synthétiser (écrire ce numéro sur votre compte-rendu).
Pour les groupes qui réalisent les ester A ou B, à l’aide d’une éprouvette graduée, introduire dans le ballon les volumes d’alcool et d’acide indiqués dans le tableau.
Pour les groupes qui réalisent d’ester C, introduire à l’aide d’une éprouvette graduée dans le ballon le volume d’alcool. le professeur vient ajouter l’anhydride acétique. Pour les autres groupes, le professeur vient ajouter un volume de 1 mL d’acide sulfurique concentré.
Ajouter quelques grains de pierre ponce dans le ballon.
Mettre en route la circulation d’eau froide.
Chauffer à reflux (au minimum 30 min) à l’aide d’un chauffe-ballon. Quand le reflux commence, baisser le chauffage. En cas d’emballement de la réaction, descendre l’élévateur pour éloigner la source de chauffage et l’éteindre.
Préparer sur la paillasse un bécher de 100 mL de la solution de chlorure de sodium.
Séparation des phases (relargage)
Après refroidissement (faire couler de l’eau froide sur le ballon), verser le contenu du ballon dans une ampoule à décanter et ajouter environ 100 mL d’une solution de chlorure de sodium (eau salée)
Après avoir écouté les consignes du professeur sur l’utilisation de l’ampoule à décanter, la fermer avec son bouchon puis l’agiter tout en dégazant régulièrement.
Poser l’ampoule sur son support, enlever le bouchon et laisser reposer.
Quand les deux phases liquides sont bien séparées, faire couler avec la pissette une goutte d’eau dans l’ampoule afin de déterminer quelle est la phase aqueuse.
Éliminer la phase aqueuse dans un bécher.
Lavage de la phase organique
Ajouter à la phase organique, dans l’ampoule à décanter, environ 30 mL de solution d’hydrogénocarbonate de sodium pour éliminer le reste d’acide : on observe immédiatement un fort dégagement gazeux.
Quand il y a pratiquement plus de dégagement gazeux, boucher l’ampoule avec son bouchon puis l’agiter tout en dégazant régulièrement
Poser l’ampoule sur son support, enlever le bouchon et laisser reposer.
Éliminer à nouveau la phase aqueuse et récupérer l’ester dans un erlenmeyer de 100mL. L’ester obtenu à la fin est le « produit brut ».
Documents
Pour nous guider, nous disposons de deux documents. Le premier traite des acides et les alcools utilisés, le voici :
Le second apporte des données physico-chimiques.
Remarque
Comme vous pouvez remarquer, nous utilisons des lunettes et des gants.
En fait, les produits que nous allons manier sont dangereux et corrosifs. Il est donc important, lors de la manipulation, de se protéger correctement, de ne pas les respirer et de ne pas les pointer en direction des yeux.
Nous pouvons ajouter que chaque acide dispose de sa dangerosité :
- l'acide acétique est toxique et corrosif (provoque de graves brulures de la peau et graves lésions des yeux)
- l'acide sulfurique est corrosif (provoque des brulures de la peau et graves lésions des yeux)
- l'acide isoamylique est inflammable et corrosif ( + toxicité par inhalation, irritation cutanée)
II- Réalisation de l'expérience
Montage
Avant de débuter l'expérience, nous avons réalisé le montage à reflux en nous aidant de celui témoin disposé sur la paillasse du professeur. Ce dernier permet en fait de maintenir le milieu réactionnel à une température constante.
De manière à ce que vous compreniez mieux la disposition du matériel, nous l'avons photographié puis légendé (à voir ci-après).
Vous pouvez vous questionner sur l'utilité de chauffer le milieu réactionnel et surtout de chauffer à reflux.
Alors, nous avons décidé de répondre à ces questions.
Tout d'abord, il faut savoir que le fait de chauffer le milieu réactionnel permet d'accélérer la synthèse.
Chauffer à reflux a pour but de maintenir le mélange réactionnel à ébullition et de condenser, à l'aide d'un réfrigérant, les vapeurs qui se forment.
Par conséquent, on évite toute perte de matière (réactifs et produits).
Mais, en fait, à quoi sert le réfrigérant ?
C'est simple, il sert à condenser les vapeurs émises lors de l'ébullition, ainsi, elles refluent dans le mélange réactionnel.
Vous comprenez donc que sans réfrigérant, les vapeurs s'échapperaient.
L'expérience en elle-même : les phases
Vous avez certainement remarqué que dans le protocole, il y a le moment de la séparation des phases (autrement dit le relargage).
En effet, au cours de cette étape, nous ajoutons 100 mL de chlorure de sodium de manière à diminuer la solubilité de l'ester et ainsi isoler la phase aqueuse nous permettant d'obtenir la phase organique.
Ici, nous cherchons à savoir quel est le réactif limitant et quel est le réactif en excès.
Vous devez savoir qu'un réactif est dit limitant s'il est entièrement consommé lors d'une réaction chimique. Il s'agit ainsi du réactif dont la disparition totale empêche la poursuite de la réaction chimique.
Par opposition, un réactif est dit en excès s'il n'est pas entièrement consommé lorsque la réaction s'arrête et que l'autre réactif a disparu en totalité.
Alors, dans notre cas, le réactif en excès est l'acide, en l'occurrence l'acide éthanoïque et le réactif limitant est l'alcool, en l'occurrence le Butan-1-ol.
Dans l'ampoule à décanter, nous trouvons donc deux phases bien distinctes, la phase organique et la phase aqueuse.
Voici un schéma permettant d'illustrer notre affirmation :
Nous pouvons dire que les liquides sont non miscibles entre eux car le mélange est hétérogène. En effet, un mélange hétérogène correspond à un mélange où les constituants peuvent être distingués à l'oeil nu.
Nous pouvons affirmer que la phase aqueuse se situe au dessous de la phase organique. Nous allons donc chercher à savoir pourquoi les phases ont cette disposition.
Tout d'abord, il faut savoir que l'ajout de chlorure de sodium favorise la migration de l'ester de la phase aqueuse vers la phase organique. Effectivement, comme remarqué plus haut, l'acétate de butyle a une solubilité très faible dans l'eau salée.
Il a une densité inférieure à celle de l'eau salée. 0,88 < 1,10.
Nous savons depuis le collège que la substance ayant la plus faible densité flotte (ici l'acétate de butyle) sur celle qui a la densité la plus élevée (eau salée).
Nous pouvons donc conclure que la phase aqueuse (eau salée) se trouve bien au dessous de la phase organique (acétate de butyle).
Explications
Nous avons réalisé la réaction entre l'acide éthanoïque et le Butan-1-ol (ester A). Par conséquent, nous avons synthétisé l'acétate de butyle. Ce dernier correspond à l'arôme des bonbons arlequins.
Voici une représentation de cet ester. Il a pour formule brute : C6H12O2
Sa formule semi-développée est :
Informations subsidiaires
Nous avons étudié les esters B et C, nous nous sommes ainsi intéressés à leur représentation, à leur formule brute et semi-développée. Ainsi, nous voulions vous en faire part. Nous allons débuter par l'ester B qui représentait l'acétate d'isoamyle. Ce dernier a pour formule brute : C7H14O2. Il a pour formule semi-développée :
Voici sa représentation :
Nous allons poursuivre avec l'ester C qui représentait l'acétate de linalyle. Ce dernier a pour formule : C12H20O2 .
Voici sa représentation :
Il a pour formule semi-développée :
Nous pouvons ajouter que les esters sont très utilisés dans l'industrie agroalimentaire et en parfumerie. Ils sont responsables de l'arôme des fruits.
Effectivement, les esters sont obtenus par estérification, autrement dit, par l'action d'un acide carboxylique sur un alcool.
Nous pouvons citer plusieurs exemples :
Arôme :
- de Fraise : 2-méthylpropanoate d'éthyle
- de Poire : Ethanoate de propyle.
- du Jasmin : Ethanoate de benzyle.
En revanche, il faut savoir que tous les arômes de synthèse ne sont pas des esters. Prenons comme appuie le chewing-gum à la menthe. L'arôme de ce dernier est le menthol. Nous remarquons que cet arôme n'est pas un ester, puisque le nom d'un ester est formé de deux particules :
- la première provient de l'acide carboxylique, par exemple, si nous avons l'acide éthanoïque, nous remplaçons la terminaison -oïque par -oate.
- la deuxième correspond au nom du groupe alkyle provenant de l'alcool, elle se termine ainsi par -yle.
Nous pouvons également nous appuyer sur la représentation du menthol et d'un ester. Nous avons vu plus haut que l'ester appartient au groupe caractéristique, nommé -COOR où nous avons R, un groupe d'atomes commençant par un atome de carbone C.
Nous allons ainsi observer la géométrie du menthol.
Nous pouvons constater la présence d'un atome d'hydrogène raccordé à un atome d'oxygène, ce qui n'est pas visible chez l'ester.
Nous pouvons alors affirmer que le menthol n'est pas un ester.
Nous pouvons également citer l'exemple de l'arôme de synthèse du citron ; la limonène. Ainsi, nous comprenons en étudiant le nom de ce dernier que ce n'est pas un ester. Nous pouvons le confirmer en visualisant sa représentation.
Conclusion :
A travers ces deux activités, nous avons pu approfondir nos connaissances sur les arômes, qu'ils soient artificiels ou naturels, en nous attardant sur leurs avantages et leurs inconvénients. Nous nous sommes intéressés aux esters, ce qui nous a permis de commencer l'expérience avec les bases nécessaires. Nous avons également appris à écrire leurs formules brutes ou semi développées.
Notre expérience nous a donc permis de synthétiser un ester, en l'occurrence l'acétate de butyle. Nous avons clôturé cette deuxième activité en sentant notre ester. Ainsi, nous avons pu affirmer que l'arôme obtenu correspond bien à l'ester que nous avons synthétisé. Respectivement, l'ester B correspond à l'arôme de banane et l'ester C à l'arôme de la lavande.
Latger Juliette et Lilou, Martinez Lucie