La nutrition est une discipline scientifique qui fait appel à de nombreuses sciences exactes que sont les mathématiques, la physique, la chimie et bien sûr la biologie et la génétique ; mais elle doit aussi intégrer des données issues de la psychologie, de la sociologie, de l’ethnologie, de l’anthropologie, de l’histoire ou de la cuisine… classiquement considérées comme appartenant aux sciences moins « dures », ce qui fait de la nutrition aussi une science humaine.

La génétique (et l’épigénétique) ainsi que la psychologie confèrent à la nutrition une variabilité interindividuelle considérable comme pour toute matière humaine. Pour autant la nutrition n’est pas une science exacte au sens strict dans la mesure où les données utilisées dans les modèles d’études expérimentales ou épidémiologiques sont certes précises mais pas réellement exactes : mesurer les apports nutritionnels d’un individu ou d’un groupe d’individus nécessite une collecte rigoureuse d’informations alimentaires tant sur le plan des ingesta que de la composition des aliments ce qui n’est guère aisément obtenu.

La nutrition a pour objet d’étudier et de définir les apports nutritionnels permettant de satisfaire les besoins nutritionnels (et alimentaires car nous ne mangeons pas des nutriments mais des aliments) du sujet sain ou du sujet malade afin de maintenir ou restaurer sa santé. Mais ces besoins ne sont pas que nutritifs, ils sont aussi hédoniques et relationnels : ainsi l’acte alimentaire a une triple fonction : nourrir, réjouir et réunir*.

Les mécanismes métaboliques permettent à l’organisme de s’adapter en permanence pour maintenir stable notre homéostasie interne : poids, tissu adipeux, balance énergétique, glycémie, équilibre hydro-ionique (sodium/potassium), équilibre acido-basique, température corporelle, système immunitaire et état inflammatoire, anabolisme et catabolisme protidique, lipolyse et lipogénèse, ostéoformation et ostéodestruction, acides gras omega 6 et omega 3 ; autant de balances directement ou indirectement modulées par notre alimentation. En effet ces régulations biologiques sont en partie sous l’influence des apports énergétiques, lipidiques, protidiques mais aussi en micronutriments et micro-constituants ; mais la physiologie doit aujourd’hui intégrer un intermédiaire majeur qu’est le microbiote, véritable plaque tournante des interactions entre l’environnement (l’exposome) et le milieu intérieur.

Le métabolisme est ni plus ni moins que l’ensemble des processus mis en oeuvre par l’organisme pour maintenir stables ces équilibres, y compris en situation de déséquilibre nutritionnel.

Des exemples seront donnés autour du métabolisme des acides gras et du cholestérol.

Les acides gras représentent un monde de la biochimie. Une partie de ceux-ci ne sont pas indispensables car ils peuvent être synthétisés par l’organisme : les acides gras saturés circulants proviennent ainsi en partie d’une synthèse endogène à partir des sucres ; certains acides gras sont indispensables et doivent être apportés par l’alimentation dans une proportion bien définie : ils exercent des fonctions multiples et on les qualifie d’essentiels.

Dans les deux cas l’alimentation joue un rôle majeur. Quant au cholestérol il est tellement indispensable qu’il est à la fois synthétisé par l’organisme et apporté par l’alimentation.

Référence
* Lecerf Jean-Michel, La joie de manger, Editions du Cerf (Paris) 2022

La formule brute « H2O » de la molécule d’eau est connue de tous. Au fur et à mesure de sa scolarité, tout élève peut prendre conscience des propriétés physico-chimiques de l’eau, permettant par exemple d’expliquer la dissolution d’espèces chimiques dans de l’eau.

Pour certaines populations en France et dans le monde, l’accès à l’eau potable est un enjeu majeur, parfois compliqué par la présence de micropolluants dans l’eau à cause des activités humaines. Parmi eux, certains sont dangereux et d’autres, après analyses des eaux usées, nous apportent des informations pertinentes sur la santé de la population et permettent d’anticiper des pandémies ou de comprendre certains dysfonctionnements environnementaux.

Programmes spécifiques de physique-chimie pour les classes de première et de terminale Bac professionnel propres au groupement de Spécialités 5.
Le Groupement 5 rassemble les spécialités de baccalauréats professionnels mobilisant des compétences professionnelles qui nécessitent de solides connaissances dans le domaine de la chimie. Il réunit les spécialités de secteurs professionnels variés : l’industrie chimique, la bio-industrie, la cosmétologie, la teinturerie, les textiles, la plasturgie, l’esthétique, la gestion des pollutions et la protection de l’environnement, la verrerie, les plastique et composite…

La formule brute « H₂O » de la molécule d’eau est connue de tous. Au fur et à mesure de sa scolarité, tout élève peut prendre conscience des propriétés physico-chimiques de l’eau, parfois étonnantes. Parmi celles-ci, la déviation électrostatique d’un filet d’eau avec un objet électrisé montre la polarité des molécules d’eau, permettant d’expliquer la dissolution d’ions en solution aqueuse. C’est vertigineux quand on prend conscience du nombre de molécules d’eau déviées simultanément ! Mais depuis quelques décennies, cette eau contient des micropolluants, d’origine anthropique. Parmi eux, certains sont dangereux et d’autres, après analyses des eaux usées, nous apportent des informations pertinentes sur la santé de la population.

Programmes de physique-chimie :

• Première STI2D : Matière et matériaux
• Première STL : Constitution de la matière / Transformation chimique de la matière
• Terminale STL : Chimie et développement durable
• Seconde, première générale et terminale générale : Constitution et transformation de la matière

Les plantes peuvent soigner mais peuvent aussi être des poisons mortels, d'où l'intérêt de la célèbre romancière pour ces substances, qu'elle a connues comme pharmacienne pendant la guerre de 14-18 dans un hôpital militaire. La coca a vu de nombreuses applications, dont un fameux soda.

L’alimentation a forgé l’espèce humaine et est fondamentale pour sa survie dans un contexte de croissance de la population mondiale et de changement climatique. Tout au long de la vie, la qualité de l’alimentation est un facteur important du bien-être et de la santé. Avec l’évolution du mode de vie, l’industrie alimentaire ne cesse de progresser. Les problèmes et les défis à relever sont mondiaux, ils concernent toutes les couches de la société et sont d’ordre politiques et scientifiques.

Dans cette sélection de ressources faite à l'occasion du Colloque Chimie et alimentation du 12 février 2025, vous allez découvrir et comprendre pourquoi l'alimentation est un enjeu majeur et quel rôle y occupe la chimie.

Des vidéos :

• La chimie du chocolat
• La canette de l’espace
• Demain, la cuisine note à note ?
   

Des fiches pour les classes de lycées, rédigées en partenariat avec l’éditeur Nathan :

• La chimie du vinaigre
• La chimie dans le sport : chimie et bien-être
• Mesurer la quantité de matière d'une espèce en solution dans un échantillon
• Synthèse organique : la chimie au service de l'Homme

Des quiz :

• Les additifs alimentaires
• Chimie du vivant - 1 - Les glucides
• Chimie du vivant - 2 - Les lipides
• Chimie du vivant - 3 - Les protides
• Chimie du vivant - 4- Les acides nucléiques

Des questions du mois :

• Pourquoi la vitamine C est-elle indispensable ?
• Comment colorer des bonbons en bleu ? Une application de la spiruline
• Y-a-t-il des interactions entre les médicaments et l’alimentation au quotidien ?
• Pourquoi réduire la consommation de sel dans l'alimentation ?
• Quelles différences entre farines et fécules ? Et comment choisir ?
  
• Qu'est-ce que le caramel ?
• Pourquoi la levure chimique fait-elle lever les gâteaux ?
• Quelle est la chimie du vinaigre ?
• Pourquoi les bananes brunissent-elles ?
• Comment l'huile d'olive améliore-t-elle la fonction de nos viscères ?
• Peut-on faire de bonnes confitures sans bassine en cuivre ?
• Pourquoi l’oignon nous fait–il pleurer ?
• Le pain complet au levain : meilleur ou pas pour la santé ?

Des zooms sur :

• Zoom sur le saccharose : de la betterave au sucre
• Zoom sur l'amidon : de l’amidon aux polymères biosourcés
• Zoom sur l'adultération du miel
• Zoom sur la vinification complété par la fiche Une réaction en un clin d'oeil : De la vigne au verre : tout un art ?

Des ressources en lien avec l’histoire de la chimie :

• Hippolyte Mège-Mouriès invente la margarine
• La gélatine comme substitut de la viande en période de disette
• Le bœuf en folie
• Hippolyte Mège et la margarine (vidéo)
• Le quinquina. I. La découverte (vidéo)
• Le quinquina. II. Les polémiques (vidéo)
• Le quinquina. III. La synthèse de la quinine (vidéo)
• Goethe et la découverte de la caféine (vidéo)
• Édouard Grimaux, ça fermente ! (vidéo)
• La légende la vodka idéale de Dmitry Mendeleiev (vidéo)
• La gélatine ou la viande ? De Papin à Proust (vidéo)
• Liebig ou le boeuf en folie (vidéo)

Un cycle de vidéos :

• Série Chimie et agriculture durable pour tous

Une séquence LAMAP pour le cycle 3 :

• Pasteur et les fermentations

Des ressources pour le cycle 4 et le collège :

• Du produit à la bouche : la chimie des aliments
• La chimie enrichit nos assiettes
• Chimique ou naturel ?
• La chimie dans la vie quotidienne : les apports de l'alimentation
• Un exemple de transformations chimiques : la fabrication des confitures

Des articles et conférences issues des précédents colloques Chimie et :

• La construction des aliments : une question de chimie
• Le chocolat est-il bon pour la santé ?
• La chimie au service du goût
• Des additifs pour texturer des aliments
• La science et la technologie de l'alimentation vues par la chimie du bouillon
• La chimie des sens ? Il y a tant de découvertes à faire !
• Chimie du végétal, fer de lance de la chimie durable
• Le goût : de la molécule à la saveur
• Chimie et alimentation : produits de synthèse / produits naturels

Le sixième objectif de développement durable des Nations-Unies est d’assurer la disponibilité et la gestion durable de l’eau et de l’assainissement pour tous. Mais en 2022, c’était loin d’être le cas : 2,2 milliards de personnes n’avaient toujours pas accès à l’eau potable et 3,5 milliards ne bénéficiaient pas d’un assainissement des eaux usées.

Parmi les multiples causes de ces problèmes, nous trouvons dans l’eau des micropolluants, substances d’origine anthropique (issues des activités humaines). Ils proviennent de différents produits (carburants, peintures, plastiques, détergents, cosmétiques, médicaments, pesticides, etc.) utilisés dans divers secteurs d’activités (industriel, agricole, médical, sans oublier le domestique qui est loin d’être négligeable).

Parties des programmes de physique-chimie associées

• Programme spécifique de physique-chimie pour la classe de première professionnelle propre au groupement de spécialités 5, rassemblant les spécialités de baccalauréats professionnels mobilisant des compétences professionnelles qui nécessitent de solides connaissances dans le domaine de la chimie – Partie Chimie : « Comment analyser, transformer ou exploiter les matériaux dans le respect de l’environnement ? »
• Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale – Partie « Constitution et transformation de la matière » : 2. A) Suivre et modéliser l’évolution temporelle d’un système siège d’une transformation chimique
• Programme de physique-chimie et mathématiques de première STL : Partie « Chimie et développement durable »

Pour aller plus loin avec la question 1

En France, la prévalence globale du diabète est estimée à environ 5% de la population, mais c’est une maladie qui est sous-estimée compte tenu de son caractère largement silencieux. Le diabète constitue un des principaux facteurs de risques cardiovasculaires. Les autres complications dues au diabète sont, entre autres, le risque d’accident vasculaire cérébral (AVC), de cécité, d’insuffisance rénale et de neuropathie périphérique.

Pour aller plus loin avec la question 2

Le glucose est un sucre de formule brute C₆H₁₂O₆. La régulation de la glycémie (concentration du glucose dans le sang, le taux normal de glycémie se situant entre 0,7 g et 1,1 g par litre de sang) dépend essentiellement de la capacité des cellules à absorber le glucose. C’est l’insuline (en savoir plus sur l'insuline), une hormone secrétée par le pancréas, qui contrôle l’entrée du glucose dans les cellules. Le diabète se caractérise par un taux de glycémie à jeun supérieur à 1,10 g/L. Il s’agit d’hyperglycémie.
 

Pour aller plus loin avec la question 4

Différents types de médicaments sont sur le marché :

• Les biguanidines (formule de la guanidine: H₂N-C(=NH)-NH₂), tels que la metformine de formule (CH₃)₂N-C(=NH)NH-C(=NH)-NH₂, ont une action qui limite l’hyperglycémie.
• Les sulfamides de formule générale C₆H₆-SO₂-NH-CO-NH-R augmentent la libération d’insuline par les cellules du pancréas.
• Les gliflozines augmentent l’élimination urinaire du glucose.

Pour aller plus loin avec la question 5

Du fait de cette utilisation, il arrive que des malades diabétiques ne puissent pas avoir leur traitement du fait de l’indisponibilité du médicament en pharmacie. La Haute Autorité pour la santé vient de donner son feu vert pour l’utilisation de ce médicament vendu sous le nom de Wegovy.

Dans le cadre du colloque Chimie et alimentation du 12 février 2025 à la Fondation de la Maison de la Chimie, l’équipe de Mediachimie.org vous propose de tester vos connaissances au travers d'un quiz ludique et instructif.

À vous de jouer !

Le noir de carbone est un matériau constitué à près de 99 % de carbone et se présente sous la forme de petites sphères de 100 nm environ entre elles pour former d’abord des agrégats de quelques centaines de nm et ensuite d’agglomérats de l’ordre de 50 µm. La production mondiale actuelle est estimée à plus de 18 millions de tonnes par an pour un marché de plus de 20 milliards d’euros !

Cette production est consacrée pour 65% à l’industrie des pneumatiques en tant qu’agent de résistance à l’usure, pour 31 % comme additif pour d’autres caoutchoucs et plastiques, le reste pour des spécialités comme les encres (toners) et des revêtements de peinture.

Pour exemple, un pneu de 7 kg contient entre 3 et 3,5 kg de noir de carbone.

Le noir de carbone est connu depuis plus de 1500 ans ! En effet les Chinois le fabriquaient en chauffant des huiles végétales dans une enceinte fermée avec une entrée d’air minimale qu’ils contrôlaient. Le noir de carbone était obtenu à partir des gaz formés et se déposait sur les parois de la chambre réactionnelle.

Après la découverte du pétrole aux USA, un nouveau procédé (procédé Furnace) utilise la combustion incomplète des huiles lourdes issues de la distillation du pétrole par pyrolyse (chauffage en atmosphère pauvre en oxygène) vers 1500 °C. La durée de cette réaction rapide dure moins de 1/10^e de seconde ! Hélas le noir de carbone est obtenu avec un faible rendement (entre 30 et 50 % selon le type de noir de carbone).

Ce procédé est extrêmement polluant car il est accompagné de dégagements de SO₂ et de NO₂ à laquelle s’ajoute l’émission de l’ordre de 2,5 tonnes de CO₂ par tonne de noir de carbone !

Une voie consiste en la pyrolyse du gaz naturel à haute température pour former à la fois de l’hydrogène et du carbone solide selon l’équation-bilan suivante : CH₄ = C + 2 H₂. Il s’agit d’un procédé discontinu (en batch) nommé procédé thermal black. Il permet de produire des noirs de carbone spéciaux essentiellement constitués de grosses particules et utilisés comme pigments.

Un nouveau procédé de pyrolyse du gaz naturel continu (cette fois) est en phase de développement et utilise un four à plasma, alimenté par du courant électrique avec une consommation comprise entre 3,3 et 10 kWh par kg de noir de carbone formé. Sous l’effet du passage du courant le gaz (généralement de l’hydrogène recyclé issu du produit lui-même) est chauffé à haute température (supérieure à 3000 °C) et s’accompagne d’une ionisation en libérant des électrons créant ainsi un très bon conducteur électrique gazeux. Le gaz naturel est injecté dans l’écoulement plasma pour obtenir une température comprise entre 1500 et 1800°C en fonction de la qualité de noir de carbone recherchée. Les électrodes utilisées sont constituées par du graphite (variété conductrice du carbone !). On les remplace au fur et à mesure de leur usure simplement par un dispositif mécanique automatique. Ce procédé a été étudié pendant de nombreuses années à l’Ecole des Mines de Paris (centre Persée -Sophia Antipolis). Depuis 2012 ce procédé a été développé industriellement par la société californienne « Monolith Materials » en collaboration avec l’École des Mines de Paris. Ce procédé est devenu rentable et est appelé à remplacer le procédé de pyrolyse thermique du gaz naturel car il produit en même temps de l’hydrogène décarboné dont le coût de production est inférieur de 50 % à celui obtenu par électrolyse de l’eau. Mais si une 1 tonne de méthane permet de produire 250 kg d’hydrogène il fournit aussi 750 kg de carbone… Se posera alors la question de trouver de nouvelles applications pour ce carbone solide obtenu à de très grandes échelles : plusieurs pistes sont à l’étude !

L'auteur, Jean-Pierre Foulon, tient à remercier vivement Monsieur Laurent Fulchéri, Directeur de Recherche Université PSL, Mines ParisTech Persée, qui l’a beaucoup aidé pour rédiger cette note pédagogique.

Pour en savoir plus
La pyrolyse du méthane : de l’hydrogène « gris » à l’hydrogène « turquoise », L. Fulcheri, L’Actualité Chimique (octobre 2021) N°466 pp. 28-34
Noir de carbone sur le site Elementarium

Crédit illustration : Vladimir Razgulyaev / Adobe Stock
 

Depuis de nombreuses années, le modèle économique passe progressivement d’une économie linéaire (on produit, on consomme et on jette) à une économie circulaire prenant en compte l’éco-conception, l’économie des ressources et de l’énergie et la valorisation des déchets. Les principes de l’économie circulaire s’appliquent aux batteries électriques des véhicules électriques.

Parties des programmes de physique-chimie associées

• Programme spécifique de physique-chimie pour la classe de première professionnelle propres au groupement de spécialités 5, rassemblant les spécialités de baccalauréats professionnels mobilisant des compétences professionnelles qui nécessitent de solides connaissances dans le domaine de la chimie – Partie Chimie : « Comment analyser, transformer ou exploiter les matériaux dans lerespect de l’environnement ? »
• Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale – Partie « Constitution et transformations de la matière » : 3. Prévoir l’état final d’un système, siège d’une transformation chimique, A) Prévoir le sens d’évolution spontanée d’un système chimique, C) Forcer le sens d’évolution d’un système
• Programmes de physique-chimie et mathématiques de première et terminale STI2D – Partie « Matière et matériaux » / Oxydo-réduction
• Programme de physique-chimie et mathématiques de terminale STL – Partie « Constitution de la matière » / Réactions d’oxydo-réduction