L'émulsion

Suite à nos recherches, nous avons posé une définition de l'émulsion et de l'émulsifiant avec plusieurs précisions à propos du cas de la mayonnaise.

Emulsion → Mélange macroscopiquement homogène mais microscopiquement hétérogène de deux substances liquides non miscibles, qui ne se mélangent normalement pas. Une première substance est dispersée dans la seconde sous forme de petites goutelettes. Pour que l'émulsion reste stable il nous faut une troisième substance appelée émulsifiant afin que les deux phases, une fois mélangées, le reste naturellement.

Emulsifiant → Agent qui permet de garder les goutelettes dispérsées malgré les forces gravitationnelles.

La mayonnaise est donc une émulsion d'huile dans l'eau, c'est-à-dire d'une phase grasse dans une phase aqueuse car l'eau est en quantité plus importante que l'huile. Dans ce cas précis, les goutelettes formées sont des goutelettes d'huile (lipides) et l'émulsion de la mayonnaise est qualifiée de directe. Cependant si l'on inverse l'ordre de dispersion de ces deux phases, cette émulsion ne formera pas de la mayonnaise car c'est une émulsion d'eau dans de l'huile.

L'émulsion de la mayonnaise est un cas particulier de colloïde, les deux substances liquides forment donc deux phases : une continue (l'eau) et une discontinue (l'huile). La phase discontinue est alors dispersée dans la phase continue sous forme de petites goutelettes.

Nous avons résumé donc nos recherches en expliquant l'émulsion et nous avons commencé par étudier les causes de la non-miscibilité de l'huile et de l'eau.

Nous avons préalablement réalisé une expérience où nous avons pu constaté que l'huile et l'eau n'était pas miscibles  [E2]  puisqu'après mélange et repos des deux subtances, les deux phases se reséparaient naturellement. Nous concluons donc de cette expérience que l'eau et l'huile n'ont pas d'affinités l'une envers l'autre car les molécules de lipides présentes dans l'huile sont insolubles dans l'eau.

Nous avons trouvé des causes à l'insolubilité de l'huile dans l'eau : L'eau, présente dans le jaune d'oeuf, a une molécule de géométrie coudée et est électriquement neutre. En effet, les deux atomes d'hydrogène sont chargés positivement (H : 2+) et l'atome d'oxygène est chargé négativement (O: 2-). Le jaune d'oeuf contient de l'eau et des protéines : les lécithines. Ces molécules d'eau sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène plus faibles que les liaisons convalentes reliant les deux H à l'atome central O (cf. schéma ci-dessous).

Une liaison hydrogène s'établit entre un atome d'hydrogène d'une molécule d'eau et un atome d'oxygène d'une autre molécule voisine. Ces liaisons intermoléculaires peuvent aussi s'établir avec des molécules de protéines par exemple. Elles se créent par par une attraction électrostatique entre une molécule d'eau et une autre molécule possédant forcément un groupement -OH. L'huile est constituée d'acide gras (lipides) appelés acides carboxyles (R-COOH) possédant entre 4 et 20 atomes de carbone. Ces acides gras peuvent être saturés, insaturés ou polyinsaturés. Ces acides carboxyles, en associant à du glycérol, forment une molécule en forme de trident appelé triglycéride. Cette molécule d'huile ne possède pas de groupement hydroxyle (-OH) et ne peut donc pas former de liaisons hydrogènes avec l'eau : les deux substances ne peuvent donc pas se mélanger homogènement (cf. schéma ci-dessous).

Ensuite, nous allons expliquer comment l'émulsion de la mayonnaise arrive à créer un mélange macroscopiquement homogène sur le plan chimique et moléculaire.

Pour pouvoir obtenir une émulsion stable de ces deux substances, il faut donc introduire des molécules «entremetteuses» ayant une affinité pour l'huile et pour l'eau : elles ont une tête hydrophile ( qui aime l'eau ) et une queue formées de deux chaînes à la fois hydrophobe (qui rejette l'eau) et lipophile (qui aime la graisse). Ces molécules sont des molécules tensio-actives (ex : moutarde, jaune d'oeuf …). Les têtes hydrophiles peuvent former des liaisons hydrogène avec des molécules d'eau alors que les queues lipophiles des lécithines ne le peuvent pas. De plus, l'eau et l'huile n'ont pas la même polarité : l'eau est polaire alors que l'huile de l'est pas. L'huile ne peut donc pas faire d'interactions l'éléctrostatiques avec l'eau puisque l'eau est très polaire et cherche donc à intéragir avec des molécules polaires. La coexistance d'une tête hydrophile et d'une queue lipophile dans une molécule tensio-active lui permet de lier à la fois l'eau et l'huile, c'est à dire de pouvoir souder l'eau à un corps gras. Lorsqu'un composé tensio-actif arrive au contact de l'eau, il a tendance à s'aligner à la surface de contact entre l'air et l'eau et ainsi à former un film interfacial. Dans le cas de l'émulsion de la mayonnaise, l'eau est majoritaire et l'huile est sous forme de goutelettes. Chaque goutelette d'huile est donc enrobée par les molécules tensio-actives (grâce à leurs queues lipophiles) et forme ainsi une micelle emprisonnant la goutelette d'huile (cf. schémas ci-dessous)

                                                                                                 Micelle directe 

                                                                                         (cas de la mayonnaise)

                                                                                            Micelle indirecte

                                                                    (cas pour d'autres émulsions comme le savon)

Chaque micelle, qualifiée de directe, est liée à des molécules d’eau par des têtes hydrophiles. Ainsi, les gouttelettes d’huile sont séparées et l’émulsion est stabilisée. Le battage a pour but de diviser l’huile en petites gouttelettes et de les mettre au contact  de l’émulsifiant, lequel enrobe chacune d’entre elles et leur évite de se regrouper lors de leur migration dans l’eau. La concentration en huile d’une mayonnaise ne doit pas excéder 65%, pour ne pas dépasser le volume de la phase aqueuse initiale même entourée de molécules tensioactives. Si l ‘émulsion ne renferme pas assez d’eau pour la quantité d’huile ajoutée, il y a une inversion de la nature de l’émulsion : la mayonnaise tourne.

Cette séparation en gouttelettes d'huile est facilitée par le mixage du mélange qui permet de dénaturer les protéines du jaune d'oeuf, c'est-à-dire que les liaisons les plus faibles (liaisons d'hydrogène) se rompent et les protéines se transforment en de longues chaînes. Les lécithines peuvent ainsi s'insérer plus facilement entre les gouttelettes d'eau et les lipides de l'huile. En se déroulant, les protéines ont tendance à se lier (ponts disulfures) en un réseau très dense, emprisonnant les goutelettes d'huile et formant ainsi les micelles (structure sphérique). Ces micelles ont tendance à regrouper leurs extrémités lipophiles (donc hydrophobes) vers l'intérieur et leur partie hydrophile à l'extérieur, au contact de l'eau. Ainsi, les queues hydrophobes sont bien protégées de l'eau. C'est lorsque la concentration dans l'eau du composé tensioactif est grande que les micelles se forment et plus rapidement.

Toutes les micelles portent la même charge électrique et se repoussent donc par interaction électrostatique ce qui permet leur dispersion dans l’eau. Dispersées ainsi dans l’eau, les micelles forment alors des liaisons hydrogènes avec les molécules d’eau ( grâce à la tête hydrophile). Ces liaisons évitent la coalescence, donc la formation de micelles plus grosses par contact. L’émulsion, et donc la mayonnaise, est alors qualifiée de stable lorsque ces « mouvements » de micelles sont « coordonnés ».