Du pain et des bulles

6- Arrière-plan scientifique
Auteurs : Adeline André(plus d'infos)
Alain Chomat(plus d'infos)
Michel Lardé(plus d'infos)
Béatrice SALVIAT(plus d'infos)
Résumé :
Ce complément scientifique s’adresse aux professeurs et les notions présentées ci-après ne doivent pas être données in extenso aux élèves.
Publication : 30 Janvier 2013

 

Contenu (et liens vers les paragraphes en question) : 

- A propos de la fabrication du pain

- Présentation de l'ensemble des constituants de la pâte

- Et la levure chimique ?

- Action de la salive sur le pain

- Dilatation d'un gaz à la chaleur

- Analyse systémique du pain

- Le pain et le développement durable

 

A propos de la fabrication du pain

Dans la fabrication du pain, trois composants ont des actions complémentaires et primordiales :
- les levures qui sont responsables de la levée de la pâte (comme leur nom l’indique !)
- l’amidon qui fournit les sucres simples
- le gluten qui forme un réseau élastique et retient les gaz dans la pâte.
 
Détaillons certaines caractéristiques de ces trois composants :
 

Les levures

La levure (nom scientifique : Saccharomyces cerevisiae (Micro-organisme, c’est une levure particulière parmi tous les ferments, levains, levures, etc. utilisés dans l’élaboration du pain, des yaourts, du vin et de la bière ... pour la fermentation) ) a été découverte par Louis Pasteur en 1857.
 
Identité :
 
Les levures sont des champignons ascomycètes unicellulaires ; ce sont des eucaryotes (la cellule présente des compartiments comme le noyau avec l’ADN ou les mitochondries). Chaque individu est constitué par une unique cellule (la cellule est l’élément unitaire tous les êtres vivants ; l’être humain est composé de plusieurs milliards de cellules).
 
L’espèce la plus utilisée dans l’industrie agro-alimentaire est Saccharomyces cerevisiae (étymologie : champignon à sucre de cervoise, la bière des Gaulois). Très utilisée en boulangerie, on l’appelle couramment la levure de boulanger. Il existe de nombreuses espèces de levures, mais celle-ci est facilement identifiable au microscope par son bourgeonnement.
 
                                                                                                                                                      
 
 
 
 
 
Levures,
Saccharomyces cerevisiae,
vues au mcroscope électronique
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Levures, enzymes et fermentation :
 

La levure utilisée pour faire du pain est donc en réalité constituée d’un nombre très élevé d’individus (appelés aussi levures), êtres vivants unicellulaires. Les levures, comme tout être vivant, possèdent des enzymes qui conditionnent les réactions chimiques qu’elles sont capables de réaliser. Notons que le mot enzyme est dû au physiologiste allemand W. Kühne (1837-1900) ; «en» signifie dans et «zyme» est une racine grecque qui signifie levain.

 
Ainsi en présence de dioxygène, les levures réalisent un ensemble de réactions chimiques appelé respiration cellulaire. Ces réactions consomment du dioxygène et des sucres (glucose) et produisent de l’eau, du dioxyde de carbone et de l’énergie utilisable par la cellule.
 
En absence de dioxygène, les levures réalisent un ensemble de réactions chimiques appelé fermentation alcoolique. Ces réactions consomment des sucres et produisent entre autres de l’éthanol, du dioxyde de carbone et de l’énergie utilisable par la cellule (mais avec un rendement beaucoup plus faible que celui de la respiration cellulaire car l’éthanol contient encore de l’énergie chimique potentielle alors que le CO2 et l’eau n’en contiennent pas).
 
Au sein de la pâte à pain, l’aération et les apports de dioxygène sont insuffisants. Les levures y réalisent donc la fermentation alcoolique, d’où la production d’éthanol et de dioxyde de carbone mis en évidence dans les activités de ce module.
 
Réaction bilan de la fermentation alcoolique :
 
C6H12O6 (glucose) --> 2CO2 + 2CH3CH2OH (éthanol) + énergie
 
Lors de la cuisson, alcool et gaz carbonique produits lors de cette fermentation s’évaporent.
 
 
Levures, enzymes et température :
 
L’activité des enzymes dépend de la température : chaque enzyme présente une gamme de température de fonctionnement optimal. En deçà de cette gamme, l’enzyme fonctionne moins, voire pas du tout. Au-dessus de cette gamme, l’enzyme est dénaturée par la chaleur et ne fonctionne plus.
On comprend alors que la phase de fermentation nécessite une certaine gamme de température.
 
Levures et industrie :
 
La levure est fabriquée à l’échelle industrielle dans une usine appelée « levurerie». Le travail du « levurerier » consiste à sélectionner les meilleures cellules, leurs souches et à les multiplier. Elles sont développées au sein de l’industrie dans de grands réservoirs avec de l’eau sucrée, en présence de dioxygène. Quand la quantité de levures désirée est atteinte, le liquide est pompé et les levures sont alors séchées et récupérées.
 
Levures et levain :
 
Le levain est une pâte constituée d’un mélange d’eau, de farine, de levures et de bactéries.
 

L’amidon

La fermentation alcoolique réalisée par les levures consomme des sucres simples. La farine en contient une petite quantité qui est rapidement épuisée. D’autres sont produits progressivement à partir de l’amidon : des enzymes, nommées amylases et présentes naturellement dans la farine, hydrolysent petit à petit les grosses molécules d’amidon en maltose. Des enzymes produites par les levures et nommées maltases dissocient le maltose en deux molécules de glucose (qui est un sucre simple).
 

Le gluten

Les précurseurs du gluten, qui sont des protéines, sont dispersés dans la farine et le travail mécanique du pétrissage est nécessaire à leur assemblage. Les molécules de gluten forment alors un réseau élastique qui emprisonne les gaz produits par les levures lors de la fermentation alcoolique. La pâte se dilate et le gaz se loge dans de petites alvéoles qui donneront au pain ses propriétés moelleuses.
 
Blé tendre et froment possèdent du gluten élastique et panifiable. Le blé dur possède un gluten non élastique.
 
Pour l’explication du rôle du gluten dans la stabilisation des cavités ainsi formées, se reporter à la page 111 de l’ouvrage Matière et matériaux (sur « une mie aérée … »).
 
 
 
 
 

Présentation de l'ensemble des constituants de la pâte

 

Les ingrédients de base qui entrent dans la fabrication du pain sont la farine, la levure, l’eau, le sel et d’autres additifs éventuels.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Définitions: 
1. Les glucides font partie, avec les protéines et les lipides, des constituants essentiels des êtres vivants et de leur nutrition, car ils sont un des principaux intermédiaires biologiques de stockage et de consommation d’énergie.
2. Qui peut servir à la fabrication du pain (technologie). Certaines céréales (blés de différentes sortes, seigle) fournissent une farine contenant du gluten en quantité suffisante pour être panifiable, que l’on peut en faire une pâte, donc du pain.
3. Le saccharose est le sucre alimentaire, extrait de la canne à sucre ou de la betterave. C’est un glucide constitué de deux sucres simples : le fructose et le glucose.
4. Le glucose (appelé aussi dextrose) est un glucide simple (sucre). Il représente la principale source d’énergie de l’organisme.
5. On trouve le phosphore dans l’environnement en général sous forme de phosphate. Les phosphates sont des substances importantes pour le corps humain. Un des composants de l’ADN, il participe à la distribution de l’énergie.
6. Il a de multiples fonctions très importantes dans l’organisme. Avec le sodium, il participe au maintien de l’équilibre acido-basique du corps et des fluides à l’intérieur des cellules.
7. Il a de multiples fonctions très importantes dans l’organisme. Avec le sodium, il participe au maintien de l’équilibre acido-basique du corps et des fluides à l’intérieur des cellules.
8. Partie vivante du grain. Le germe renferme beaucoup de matières grasses et de vitamines B et E.
9. Elle favorise la transformation des glucides en énergie. Elle est nécessaire au bon fonctionnement du système nerveux et musculaire.
10. Elle joue un rôle important dans la transformation des aliments simples (glucides, lipides et protéines) en énergie, intervient dans le métabolisme de réparation des muscles. Elle est utilisée comme additif en tant que colorant alimentaire jaune (E101).
11. Elle est nécessaire au métabolisme des glucides, lipides et protéines. Comme elle n’est que très peu stockée dans le corps, il faut donc en apporter de façon quotidienne.
12. Elle est reconnue comme étant essentiellement un antioxydant, elle freine le vieillissement cutané et assure la stabilité des structures
cellulaires.
13. Le sel est un antiseptique naturel qui favorise la conservation des aliments car il empêche la prolifération des micro-organismes.
14. Composé ayant la propriété d’absorber l’humidité de l’air : par temps sec, le sel retarde le séchage du pain, favorisant sa conservation et par temps humide, il favorise le ramollissement et tend ainsi à accélérer le rassissement.
 
 
 

Et la levure chimique ?

 

La levure chimique fait intervenir des réactions chimiques de type acide-base. Elle se présente sous forme d’une poudre blanche constituée de bicarbonate de sodium (NaHCO3 qui est une base) et d’acide tartrique (COOH-CHOH-CHOH-COOH qui donc est un acide) ; la levure chimique ne contient donc aucun être vivant. En présence d’eau, l’acide réagit avec le bicarbonate de sodium et un dégagement de CO2 se produit. Cette production de gaz fait gonfler la pâte à pain.
 
En présence d’eau et de chaleur (principalement chaleur de cuisson), la réaction suivante a lieu :
COOH-CHOH-CHOH-COOH + NaHCO3 --> COONa-CHOH-CHOH-COOH + CO2 + H2O
La production de CO2 par les levures se fait pendant la phase de repos donc avant la cuisson. Le dégagement de CO2 dû à la levure chimique se fait surtout pendant la cuisson.
 
 
 

Action de la salive sur le pain

 

On peut mettre en évidence l’action de la salive sur le pain par une expérience très simple. Il suffit de placer un morceau de mie de pain dans sa bouche et de le garder en bouche une dizaine de minutes sans l’avaler. Au bout de quelques minutes, un goût sucré se développe ! Que s’est-il passé ?
 
Le pain est fabriqué à partir de farine de blé et comme nous le savons la farine de blé contient de l’amidon. L’amidon est une grosse molécule composée d’une succession de monomères de glucose reliés entre eux. Le glucose seul est responsable du goût sucré (sous forme d’amidon, il ne donne pas de goût sucré). Nous savons que le pain contient des assemblages de glucose, mais comment couper les liaisons entre ces molécules de glucose, ce qui expliquerait le goût sucré après quelques minutes ?
 
La salive est constituée à 99 % d’eau. Elle contient des sels minéraux comme le sodium, le potassium, des acides (acide urique, acide citrique, etc.) mais aussi des enzymes. Les enzymes sont des protéines produites par le corps et qui accélèrent des réactions chimiques. Chaque enzyme n’accélère qu’un seul type de réaction. Dans la salive, on trouve entre autres de l’amylase salivaire.
 
Cette dernière joue un rôle essentiel dans la dégradation de l’amidon. L’amylase coupe les liaisons entre les molécules de glucose. L’action de l’amylase sur la molécule d’amidon prend quelques minutes. Une fois libéré, le glucose atteint les papilles gustatives qui sont alors stimulées et induisent la sensation du goût sucré.
 
Autre prolongement possible : on peut faire sur la mie de pain un test à l’eau iodée (on dépose une goutte d’eau iodée sur la mie de pain). La coloration bleue provoquée par l’eau iodée (de couleur jaune) prouve la présence d’amidon. Il est possible de compléter par une observation de l’amidon au microscope optique (x 100).
 
 
 
 

Dilatation d'un gaz avec la chaleur

Caractéristique d’un gaz : Il est constitué de molécules qui sont quasiment libres de se déplacer les unes par rapport aux autres. Il faut bien différencier la température et la chaleur (ou quantité de chaleur) :
◊ La température est une fonction d’état d’un système (c’est une grandeur qui définit l’état d’équilibre d’un système. Ces grandeurs possèdent une propriété particulière selon le système) caractérisant le niveau d’excitation moléculaire à un instant donné.
◊ La chaleur, c’est par exemple l’énergie qu’il faut apporter ou enlever au système précédent pour le faire changer d’état (ou de température).
 
Exemple : Il faut apporter une quantité de chaleur [Q] à un récipient rempli d’eau à la température [T] pour la faire passer à une température plus élevée [T+].
 
En reprenant le montage mise en place lors de l’activité G, on remplace le mélange (farine, eau et levure) par de l’eau que l’on porte à ébullition. Au fur et à mesure de l’élévation de température, la pression intérieure augmente (plus la température de l'air augmente, plus les molécules s’agitent et plus les chocs de ces molécules avec les parois intérieures du ballon deviennent nombreux) et le ballon de baudruche se gonfle.
 
 
 

Analyse systémique du pain :

La fabrication

Le pain est toujours l’aliment que nos concitoyens aiment et auquel ils portent une grande attention (160 g par jour et par habitant). Le Français est toujours, et encore de nos jours, caricaturé la baguette sous le bras et la casquette vissée sur la tête. Lors de l’achat, nous sommes toujours attentifs à la cuisson, au développement du pain, au croustillant de la croûte, à son goût et à sa conservation. Certains choisissent la baguette selon son degré de cuisson, en préférant une mie bien aérée ou plus compacte, en recherchant l’odeur et le goût aigrelet du pain au levain ou d’une mie plus douce à la saveur de noisette.
 
L’aspect et le goût des pains ont beaucoup évolué au fil du temps avec l’évolution du travail du boulanger et avec les nouvelles techniques de panification. Confectionner un pain est une suite d’opérations délicates qui, du premier mélange (farine de blé, eau, sel puis levure) jusqu’à la cuisson finale, mettent en jeu de nombreux processus biochimiques (réactions chimiques ayant lieu au sein des cellules vivantes existantes) dont il faut tirer parti pour arriver au bon pain doré tant convoité.
 
Comment fait-on traditionnellement du pain ?
  • Dans un premier temps, le pétrissage : c’est le moment décisif où le boulanger mélange tous les ingrédients de la pâte. Le gluten contenu dans la farine absorbe une partie de l’eau versée dans le pétrin. La pâte devient élastique et emprisonne de l’air.
  • Dans un deuxième temps, le pointage. Le boulanger laisse la pâte reposer une première fois avant de la diviser : c’est la fermentation en cuve ou pointage, très importante, qui permet aux micro-organismes présents, levure ou ferments du levain, de produire du gaz carbonique et de contribuer à la formation de l’arôme de la mie du pain. La pâte lève et ses qualités se renforcent naturellement. Elle devient plus souple et plus élastique. C’est l’expérience du boulanger qui lui permet de décider que la pâte est prête. C’est à cette phase de fabrication que le bon boulanger fait la différence.
  • Dans un troisième temps, la pesée : le boulanger divise la pâte en pâtons qu’il pèse rapidement l’un après l’autre pour s’assurer que chacun a le poids voulu.
  • Dans un quatrième temps, le façonnage : il faut à présent donner une forme à chaque pâton selon le pain que l’on veut obtenir, un geste qui s’appelle la « tourne ». Les pains façonnés sont placés dans des petits paniers garnis de toile, les bannetons ou panetons. Ils sont longs pour les baguettes, ronds pour les miches.
  • Dans un cinquième temps, l’apprêt où chaque pâton triple de volume : c’est un autre temps de repos, avec la poursuite de la fermentation des pâtons une fois façonnés. Elle permet au levain ou à la levure de finir de se nourrir des sucres contenus dans la pâte. Le gaz carbonique se dégage. Prisonnier du gluten, il forme des alvéoles dans la pâte qui le retient.
  •  Enfin l’enfournement : pendant ce temps, le four a chauffé. Sa température s’élève à 240 °C environ. Avant d’y enfourner les pâtons, le boulanger l’humidifie en y injectant de l’eau. Le pain cuira sans se dessécher et la croûte se formera, dorée et brillante.
 
Autrefois, une série de tâches longues et fatigantes (pétrissage à la main) mobilisaient le boulanger pendant une grande partie de la nuit (ce qui ne favorisait pas la vie de famille) pour vendre son pain aux premières heures du matin (cf. La femme du boulanger de Marcel Pagnol !).
 
Aujourd’hui, le travail du boulanger a bien évolué. Le pétrin mécanique est apparu avant la dernière guerre et a réduit la pénibilité du travail. Plus aucun boulanger ne pétrit manuellement. Le pétrin mécanique va améliorer de façon très nette la qualité hygiénique du pain (le pétrissage à bras faisait perdre au boulanger 300 grammes de sueur qui s’incorporaient à la pâte !). Les pétrins ont ensuite connu de nombreux perfectionnements. Le pétrin « à deux vitesses » (40 à 80 t/mn) permettait un pétrissage « intensifié » conduisant à l’incorporation de davantage d’air dans la pâte. L’incorporation d’une petite quantité de farine de fève permet au pain de doubler de volume et de devenir très blanc. Le consommateur a très vite été attiré par ce pain dont la grosseur donnait l’impression d’acheter une plus grosse quantité pour le même prix. De même, ce pain ultra blanc était accueilli favorablement en période d’après-guerre car le pain gris restait synonyme de « pain de restriction ». Cette méthode de pétrissage avait des inconvénients comme le goût insipide et une mie « mousseuse » particulièrement blanche. Les méthodes de pétrissage ont fortement évolué dans les années 60. Avec de nouvelles machines de plus en plus perfectionnées, les boulangers vont adopter « le pétrissage amélioré » qui diminue la durée du pétrissage (le temps de fouettage est presque divisé par deux). Avec cette méthode, le boulanger abandonne l’ajout de farine de fève (la pâte n’était plus affadie et blanchie à l’extrême).
 
De nos jours, le travail de nuit a pratiquement disparu. Il n’a plus lieu d’exister car l’évolution technologique a permis de réduire ou de fractionner le temps de panification. Vers les années 70, sont diffusées des pâtes à « pousse lente ». Le blocage par la réfrigération permet de différer la cuisson de 6 à 24 heures, ce qui donne beaucoup de souplesse à l’organisation des horaires de la boulangerie. La surgélation de « pâte à pain crue » révolutionne la fabrication du pain. On ne parle plus ici de fabrication dite « traditionnelle ». De grosses unités de fabrication commencent à livrer des pâtons crus surgelés à des terminaux de cuisson. Il suffit de les décongeler, de les laisser fermenter quelques heures, puis de les faire cuire, le plus souvent par un personnel non qualifié, dans des fours rotatifs à air pulsé (grandes surfaces, etc.).
 
Pour orienter et diversifier les goûts du consommateur, l’offre des « sortes » de pains s’est beaucoup diversifiée dans les présentoirs des boulangeries : aux formes et tailles de pains variées se sont ajoutées de nombreuses recettes aux autres céréales, aux graines, aux ingrédients variés (noix, olives, lardons, produits régionaux, etc.). Il faut savoir que le blé est l’unique céréale panifiable, c’est-à-dire qu’elle est la seule à posséder ces protéines spéciales, le gluten, capables de former un réseau étanche aux gaz conduisant à une mie alvéolée, légère, facile à mâcher et digeste.
 
Les blés ont dû suivre le mouvement. Toutes ces évolutions successives dans la fabrication du pain n’auraient pas été possibles sans une amélioration régulière de la qualité technologique des farines et donc du blé. Il a donc fallu produire des blés panifiables de qualités technologiques croissantes. La plupart des blés collectés (deux grandes variétés : le blé tendre utilisé essentiellement la panification et les desserts et blé dur employé notamment pour les pâtes) sur l’ensemble de la France ont un coefficient  W (le W est la quantité d’air emmagasinée dans la pâte jusqu’au déchirement du gluten ; pour une farine de type 55, le W varie entre 170 et 210) supérieur à 200 (contre 100 en 1940, 140 en 1980 et 180 en 2000).
 
A côté de la génétique, d’autres facteurs conditionnent la valeur boulangère du blé comme la fertilisation azotée qui doit être conduite en fin d’hiver et au printemps pour assurer à la culture les justes apports dont elle a besoin pour exprimer son potentiel de qualité. Les conditions de récolte sont importantes. Le blé doit être moissonné bien mûr et bien sec. Une fois cette maturité acquise, il faut éviter que les grains ne reprennent de l’humidité. Les moissonneuses-batteuses sont de plus en plus performantes et garantissent une récolte rapide au stade optimum.
 
Du sélectionneur au boulanger en passant par l’agriculteur et le meunier, toute une chaîne de compétences est mobilisée pour s’adapter à l’évolution des conditions de travail, à la diversification des pains fabriqués et à leurs modes de distribution, et aux goûts des consommateurs.
 
Le site de La main à la pâte présente deux activités et une orientation pédagogique pour la classe :
◊ Pour les cycles 1 et 2 : Mais d’où vient le pain de ma tartine ?
◊ Pour le cycle 1 : Du blé à la baguette
◊ Exploitation pédagogique possible : Comment exploiter la fabrication du pain au levain ?
 
 
 
 
 

Le pain et le développement durable

 

Le pain représente les ¾ des ventes en France, soit un peu plus de 9 milliards d’unités par an. Il peut être intéressant de faire la différence entre l’émission de carbone lors de la fabrication du pain (transformation, transition et changement d’état) et l’émission de carbone (voire même l’absence d’émission) ou le moyen utilisé pour en émettre moins qu’un autre procédé. Le bilan carbone d’une baguette de 140 g a pour équivalent une ampoule de 60 watts allumée pendant 27 heures consécutives.
 
Le volume des produits phytosanitaires et chimiques utilisés pour la production du blé en épis (agriculture conventionnelle), la transformation du blé en farine, le changement d’état de la farine en pain, la conservation et toute l’énergie (transport, pétrin électrique, chambre de fermentation, etc.) mise en oeuvre (l’énergie n’est plus produite depuis longtemps par le vent ni par l’eau) accentue sérieusement l’empreinte carbone. Les papiers et fournitures annexes pèsent près de 10 % en plus du bilan mais sont obligatoires dans les commerces en libre service. L’emballage représente 3 % à 5 % du prix de la baguette pour le boulanger et un emballage biodégradable coûte trois fois plus cher ! A choisir, autant préférer le « sans emballage » plutôt qu’un pain dans du papier écologique !
 
Seule la baguette labellisée AB a un bilan plus positif et reste une valeur sûre pour le côté « tradition » mais ne représente que 1 à 2 % du marché français.
 
En prenant exemple sur la baguette, on pourrait établir un bilan carbone en différenciant le blé en épis, le blé en farine et la farine en pain. La solution serait de différencier les filières entre elles et surtout de réaliser une moyenne afin de pouvoir comparer ce qui est comparable.
 
  •  Le blé en épis : le grain de blé consomme de l’énergie lors des semences et de la préparation des sols. Si le rendement est meilleur à l’hectare et lors de sa pousse, le grain de blé emmagasinera (par photosynthèse : processus biochimique grâce auquel les plantes et de nombreux autres êtres vivants transforment l’énergie lumineuse en énergie chimique et synthétisent des sucres à partir de gaz carbonique et d’eau) dans ce cas plus de carbone atmosphérique qu’un autre grain de blé/hectare. Ainsi le bilan de cette pousse devient positif en émission, puisque son rendement est meilleur que la moyenne. Et comme son rendement est meilleur à l’hectare, il libère plus rapidement les sols pour une autre production. Cela apporte un moins, donc un négatif en carbone pour le démarrage d’une autre production.
  •  Le blé en farine : le changement d’état entre grain et farine a un coût, et donc dépense une énergie. Une fois la farine faite, cette énergie est stockable. C’est ici un point important, pouvoir stocker à moindre coût et c’est fondamental. On pourrait s’arranger avec le meunier (fournisseur d’énergie) pour transformer le blé en farine au moment le plus opportun (en fonction de ses besoins). Autrefois on meulait lors des jours de vent !
  •  La farine en pain : c’est aussi un problème de rendement (blé en épis pour l’agriculteur). Pour le boulanger, l’objectif est de fabriquer et de vendre l’ensemble de sa production dans la journée. En théorie, 100 pains pour 90 clients pourraient générer 10 % de pertes, qui élèveront le bilan carbone de toute la fournée, de la filière boulangerie et sans oublier le recyclage de ces pertes. On pourrait prendre l’exemple de la biscotte (ou comment vendre le lendemain la perte d’hier ?). Cette ultime transformation va générer un surcoût important en termes de bilan carbone, mais vendre un produit passé en perte devrait donc soustraire la perte de la veille en gain du jour. Au final, cette biscotte devrait avoir un bilan carbone inférieur au pain de la veille, sachant que de plus ce produit devient stockable.

 

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