Produire un jus de banane à destination des jeunes enfants (sujet national, juin 2014, partie 2, ex. 2)

Énoncé

Produire un jus de banane à destination des jeunes enfants
Les mauvaises habitudes alimentaires sont un des facteurs intervenant dans le développement de l'obésité et du diabète de type 2. Il est donc conseillé d'éviter d'habituer les enfants à consommer des aliments trop sucrés. Conscient de ces recommandations, un industriel voudrait commercialiser un jus de banane spécialement conçu pour les jeunes enfants.
Synthèse
En utilisant les informations des documents et les connaissances, expliquer à cet industriel quel procédé devra être mis en œuvre pour obtenir un jus de banane conçu pour les jeunes enfants.
Document 1
Compositions des jus de banane et objectifs de l'industriel
« Le premier jus obtenu ne peut pas être commercialisé pour les enfants : sa saveur sucrée est trop prononcée et son opacité est trop importante. L'industriel souhaite donc obtenir un jus plus clair ayant une saveur moins sucrée. »


Composition du jus de banane initial
Composition du jus de banane que l'industriel souhaite obtenir
Eau
92 %
92 %
Protéines
< 1 %
< 1 %
Glucides
dont : amidon
maltose
glucose
7 %
2 %
Traces
5 %
7 %
Traces
7 %
Traces
Lipides
< 1 %
<1 %
Ions minéraux (sodium, magnésium, potassium, calcium…)
< 1 %
< 1 %

Document 2
Caractéristiques de quelques glucides
Caractéristiques de quelques glucides
Document 3
Caractéristiques de quelques enzymes
« Différentes enzymes sont couramment utilisées dans l'industrie agroalimentaire pour modifier les caractéristiques des aliments. Parmi celles-ci, l'industriel dispose de l'amylase, de la maltase et de la maltose-synthase. »

Document 3a
Étude expérimentale de l'amylase
« On souhaite déterminer le rôle de l'amylase ainsi que les conditions dans lesquelles elle agit. On réalise 4 tubes à partir desquels on effectue différents tests.  »

Résultats obtenus
Résultats obtenus

Tube 1 : amidon + amylase à 2 °C
Tube 2 : amidon + amylase à 37 °C
Tube 3 : amidon + amylase à 85 °C
Tube 4 : amidon + eau distillée à 37 °C
Tests à T = 0 min
eau iodée : bleu violacé ; liqueur de Fehling : − ; glucotest : −.
Test à l'eau iodée à T = 8 min
bleu violacé
jaune
bleu violacé
bleu violacé
Test à la liqueur de Fehling à T = 8 min

+


Glucotest à T = 8 min





Signification des résultats obtenus lors des tests
« 
  • Glucotest + : présence de glucose.
  • Glucotest − : absence de glucose.
  • Test à l'eau iodée présentant une couleur bleu violacé : présence d'amidon.
  • Test à l'eau iodée présentant une couleur jaune : absence d'amidon.
  • Test + à la liqueur de Fehling : présence de glucose ou de maltose (dans le cas de cette expérience).
 »

Document 3b
Activité de la maltase
« L'activité de la maltase a été testée à plusieurs températures : son activité maximale est observée pour une température de 37 °C. »

Sujet national, juin 2014, partie 2, exercice de spécialité - illustration 2
Document 3c
Activité de la maltose-synthase
« L'activité de l'enzyme maltose-synthase a été testée à plusieurs températures : son activité maximale est observée pour une température de 37 °C. »

Sujet national, juin 2014, partie 2, exercice de spécialité - illustration 3
Comprendre la question
Il s'agit de résoudre le problème rencontré par un industriel fabriquant un jus de banane destiné aux jeunes enfants. En effet, l'industriel dispose au départ d'un jus de banane trop opaque et trop sucré pour être directement commercialisé. L'industriel souhaite déterminer quelles modifications permettraient d'obtenir un jus moins opaque et moins sucré à l'aide d'enzymes couramment utilisées en agroalimentaire. L'essentiel de la démarche réside dans l'identification justifiée des modifications à effectuer. L'opacité du jus de banane est due essentiellement à l'amidon. L'utilisation de l'amylase permet donc de réduire la quantité d'amidon. La saveur sucrée est surtout liée à la présence de glucose. L'utilisation de la maltose-synthase entraîne donc une diminution de la teneur en glucose du jus. L'originalité du sujet réside dans le choix des enzymes à utiliser parmi les 3 enzymes proposées dans l'énoncé et dans la forme de la réponse attendue, qui doit être une explication à l'industriel. Attention à ne pas oublier les éléments de connaissances, notamment sur les caractéristiques des enzymes, comme le demande l'énoncé.
Procéder par étapes
1re étape : identifier le type de réponse attendue.
La réponse attendue doit se présenter sous la forme d'une explication destinée à l'industriel de la manière d'obtenir un jus de banane adapté aux jeunes enfants. La réponse doit être structurée avec une introduction, un développement s'appuyant sur l'exploitation rigoureuse des documents associée à l'utilisation des connaissances et une conclusion. Il est conseillé de faire référence aux documents exploités, en mettant par exemple les références entre parenthèses. Aucun schéma n'est attendu.
2e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique.
3e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et des connaissances.
Le tableau ci-après présente un exemple de démarche construite au brouillon.
Parties du problème
Éléments issus des documents
Éléments issus des connaissances
Introduction : Comment obtenir un jus de banane destiné aux jeunes enfants, c'est-à-dire peu opaque et peu sucré ?
Quelles sont les caractéristiques des modifications du jus de banane à effectuer ?
Documents 1 et 2. L'amidon confère une forte opacité au jus de fruit : la diminution de la concentration en amidon entraîne une diminution de son opacité. Le glucose est responsable de la saveur sucrée : la diminution de la concentration en glucose réduit son goût sucré.

Comment diminuer la concentration en amidon du jus de banane ?
Document 3a. L'amylase, enzyme couramment utilisée en agroalimentaire, catalyse à 37 °C l'hydrolyse de l'amidon en maltose, sans produire de glucose. L'utilisation de l'amylase dans le jus de banane entraîne une diminution de la teneur en amidon et une augmentation de celle en maltose.
Les enzymes sont des protéines qui accélèrent les réactions chimiques (catalyse enzymatique).
Comment diminuer la concentration en glucose du jus de banane ?
Documents 3c. La maltose-synthase, enzyme couramment utilisée en agroalimentaire, catalyse à 37 °C la formation de maltose à partir du glucose. L'utilisation de l'amylo-synthase dans le jus de banane entraîne une diminution de la teneur en glucose et une augmentation de celle en maltose.
Chaque enzyme est spécifique de son substrat et de la réaction qu'elle catalyse. L'activité des enzymes dépend des conditions du milieu : température, pH.
Conclusion

4e étape : rédiger la réponse sur la copie.

Corrigé

Synthèse
« Vous disposez au départ d'un jus de banane qui présente une trop forte opacité et qui est trop sucré. Vous désirez le modifier pour obtenir un jus plus clair et moins sucré, commercialisable pour de jeunes enfants. Comment réaliser ces transformations ? Nous allons analyser la composition chimique du jus de banane initial puis celle du jus que vous désirez obtenir. Puis nous déterminerons les transformations à effectuer et comment les effectuer à l'aide des informations à notre disposition sur les enzymes utilisées en agroalimentaire.
Le jus de banane initial présente une trop forte opacité, due principalement à la présence d'amidon (2 %) (document 1). En effet, l'amidon confère une forte opacité aux solutions le contenant (document 2). Le premier objectif de la transformation de notre jus de banane est donc de diminuer la concentration en amidon pour en diminuer l'opacité. De plus, le jus de banane initial est trop sucré, à cause d'une forte présence en glucose (5 %), qui contribue fortement à sa saveur sucrée. Le second objectif est donc de réduire la concentration en glucose pour diminuer le goût sucré. La composition du jus de banane que vous souhaitez obtenir contient bien très peu d'amidon (sous forme de traces) et de glucose (sous forme de traces) (document 1) et se caractérise par une plus forte concentration en maltose (7 % au lieu de traces dans le jus initial). Le maltose, un dimère de glucose, contribue peu à la saveur sucrée et à l'opacité. La teneur des autres constituants du jus demeure inchangée. Voyons maintenant comment réaliser ces transformations qui aboutiront à diminuer fortement la teneur en glucose et en amidon et augmenter celle en maltose. En industrie agroalimentaire, nous disposons de différentes enzymes capables de modifier les caractéristiques des aliments. Nous recherchons des enzymes capables de diminuer les teneurs en glucose et en d'amidon tout en augmentant celle en maltose du jus. Pour cela, nous avons 3 enzymes à notre disposition : l'amylase, la maltase et la maltose-synthase (document 3).
L'étude expérimentale de l'amylase (document 3a) montre qu'en présence de cette enzyme (tube 2), la solution d'amidon (test initial positif à l'eau iodée) après 8 minutes à 37 °C ne contient plus d'amidon (test final négatif à l'eau iodée) mais du maltose, sans pour autant contenir du glucose. En effet, le test final à la liqueur de Fehling (test de détection du maltose et du glucose) est positif mais le test final de détection du glucose (Glucotest) est négatif. La transformation à 37 °C de l'amidon en maltose n'a pas lieu de manière significative en l'absence d'amylase (tube 4). L'amylase catalyse donc à 37 °C l'hydrolyse de l'amidon en maltose sans former de glucose. Cette réaction n'a pas lieu à 2 °C (tube 1) ni à 85 °C (tube 3). Ainsi, à 37 °C, la réaction d'hydrolyse de l'amidon catalysée par l'amylase est efficace et rapide, en moins de 8 minutes. Pour nous débarrasser de l'amidon, nous soumettrons donc le jus de banane initial à l'action de l'amylase à 37 °C, ce qui augmentera la teneur en maltose sans augmenter celle en glucose. Notre premier objectif sera donc atteint. Il s'agit maintenant d'éliminer le glucose dont la teneur est trop forte dans le jus initial. Pour cela nous disposons d'un autre enzyme, la maltose-synthase, capable de synthétiser du maltose à partir du glucose. La maltose-synthase fixe de manière spécifique sur son site actif deux molécules de glucose, qu'elle associe en une réaction spécifique pour former un dimère de glucose, le maltose (document 3b). La température optimale de réaction de cette enzyme est de 37 °C. Ainsi, l'action de la maltose-synthase à 37 °C sur le jus initial de banane entraînera une diminution de la teneur en glucose et une augmentation de celle en maltose, comme nous le désirons. Notre second objectif sera atteint.
Pour résumer, nous allons faire agir deux enzymes à 37 °C pendant une dizaine de minutes sur le jus de banane initial : l'amylase, qui catalyse la transformation de l'amidon en maltose, et la maltose-synthase, qui catalyse la transformation du glucose en maltose. Au final, le jus de banane obtenu après action de ces deux enzymes contiendra peu d'amidon et peu de glucose et sera enrichi en maltose. Il sera moins opaque et moins sucré que le jus initial : vous pourrez le commercialiser auprès de jeunes enfants. Ce jus de banane peu sucré répondra aux recommandations actuelles visant à lutter contre le développement de l'obésité et du diabète, qui sont de véritables enjeux de santé publique dans nos sociétés. »