Pourquoi l'huile et l'eau ne se mélangent pas : la science des émulsions dans la cuisine
Découvrez pourquoi l’eau et l’huile ne se mélangent pas, ce qu’est une émulsion et comment des ingrédients tels que le jaune d’œuf les réunissent dans des recettes telles que la mayonnaise ou le lait.
Comme l’huile et l’eau
On a toujours entendu dire qu’ils sont comme l’huile et l’eau, c’est-à-dire que deux choses ne s’entendent pas. Cette expression a un fondement scientifique, car ces substances ne se mélangent pas naturellement. Ce qui est curieux, c’est qu’en cuisine, nous avons des exemples où elles coexistent de manière stable, comme la mayonnaise, la vinaigrette ou le lait, qui sont ce que l’on appelle en chimie des émulsions. Une émulsion est un mélange particulier dans lequel deux liquides qui ne se combinent pas normalement restent ensemble grâce à l’aide d’un troisième composant.
Pourquoi alors l’huile et l’eau ne se mélangent-elles pas ?
Une première explication est liée à la densité. Lorsque vous mettez du vinaigre (ou de l’eau) et de l’huile dans le même récipient, ils semblent d’abord se mélanger, mais si vous attendez quelques minutes, vous verrez qu’ils se séparent en deux couches distinctes. En effet, l’huile est moins dense que l’eau ou le vinaigre et flotte donc à la surface. En termes simples, la densité est la mesure du poids d’un objet par rapport à son volume. Toutefois, la densité n’est pas la seule raison pour laquelle les deux produits ne se mélangent pas. L’explication la plus importante réside dans la chimie de chaque liquide, dans sa polarité.
Que signifie pour une substance d’être polaire ou non polaire ?
Dans la nature, il existe des substances polaires, non polaires et aussi amphipathiques (ça ressemble un peu à antipathique). Les substances polaires ont une partie positive et une partie négative dans la même molécule, comme un petit aimant; les substances non polaires sont électriquement neutres, leurs liaisons sont décalées et ne présentent pas de pôles ; et les substances amphipathiques sont un mélange des deux, avec une partie polaire et une partie non polaire, ce qui leur permet d’interagir dans les deux environnements, et donc, pas si antipathiques que ça au final!
La molécule d’eau, exemple classique de substance polaire, se compose de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène(H2O). Comme l’oxygène attire les électrons partagés plus fortement que l’hydrogène, il devient partiellement négatif, tandis que les hydrogènes conservent une légère charge positive. En outre, les liaisons entre les atomes ne sont pas en ligne droite, mais forment un angle, ce qui empêche leurs charges de s’annuler et fait que la molécule présente des zones positives et négatives. Le vinaigre est également une substance polaire, non seulement parce qu’il s’agit d’une solution aqueuse, mais aussi parce que son composant actif, l’acide acétique, est également une molécule polaire.
En contraste, l’huile est composée de longues molécules de carbone et d’hydrogène, qui se partagent les électrons de manière assez égale, ce qui en fait une substance non polaire. L’eau et l’huile ont des polarités différentes, ou plutôt, une nature polaire différente: l’une est polaire et l’autre ne l’est pas. Lorsque l’on essaie de les mélanger, les molécules d’eau sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène et l’huile ne parvient pas à s’intégrer dans ce réseau. Ainsi, au lieu de se combiner, chaque liquide se regroupe avec ses semblables. Il en résulte les couches que nous connaissons tous. En général, les semblables se mélangent bien entre eux, mais les différents ne s’entendent pas aussi facilement.
Quel est le rôle des émulsifiants ?
Un troisième acteur entre en jeu : l ‘émulsifiant. Un émulsifiant, également appelé surfactant, est une molécule à double personnalité (amphipathique). Une partie est hydrophobe, c’est-à-dire qu’elle rejette l’eau et se sent à l’aise avec les graisses, tandis que l’autre partie est hydrophile, c’est-à-dire qu’elle est attirée par l’eau. Cette combinaison lui permet de s’accrocher à l’huile d’un côté et à l’eau de l’autre, brisant ainsi la barrière qui sépare normalement les deux. Dans la mayonnaise, ce rôle est joué par le jaune d’œuf, riche en lécithine, une molécule amphipathique.
Lorsque l’on fouette du jaune d’œuf, du vinaigre et de l’huile, les grosses gouttes d’huile se décomposent en minuscules particules qui sont entourées d’une couche de molécules de jaune d’œuf et de vinaigre. Cela forme une émulsion huile dans eau, qui est stable et crémeuse. La lumière qui traverse cette dispersion microscopique est dispersée dans toutes les directions, un phénomène appelé diffusion de Mie, ce qui explique pourquoi la mayonnaise n’est pas transparente, mais blanche et opaque. Il en va de même pour le lait, qui est également une émulsion naturelle d’eau et de graisse stabilisée par des protéines et des phospholipides.
Ces émulsions sont stables dans une certaine mesure, à condition de respecter les conditions ; ces produits ne doivent pas être congelés ou laissés trop longtemps sans réfrigération, car les changements brusques de température ou le passage du temps peuvent briser l’émulsion. C’est pourquoi, dans l’industrie (et pas seulement dans l’industrie alimentaire), il est courant d’ajouter des additifs pour stabiliser le mélange et le faire durer plus longtemps.
En attendant, nous pouvons profiter de ce phénomène chimique dans la cuisine, ce qui nous rappelle qu’il y a de la science derrière chaque recette. Alors, chaque fois que vous verrez de la mayonnaise ou du lait, rappelez-vous que la cuisine est pleine de merveilles scientifiques.
Si vous voulez en savoir plus sur les émulsions et explorer ce sujet à l’aide de photographies spectaculaires, je vous recommande de visiter ce lien que j’ai trouvé : Comment la mayonnaise est fabriquée : la chimie derrière elle.
Si vous souhaitez une explication plus technique d’un point de vue scientifique, l’American Oil Chemists’ Society (AOCS) propose un article très clair sur le fonctionnement des émulsions et des émulsifiants : Emulsions : le mélange de l’huile et de l’eau.
Voici une activité étape par étape que vous pouvez essayer à la maison.
Activité : L’expérience de l’huile et de l’eau pour comprendre les émulsions
Découvrez les raisons scientifiques pour lesquelles l’huile et l’eau ne se mélangent pas et comment les surfactants, tels que le savon, modifient cette interaction.
Matériaux :
- Un verre transparent ou un petit pot.
- 3/4 de tasse d’eau
- 1/4 de tasse d’huile végétale
- Savon liquide ou détergent (quelques gouttes).
- Colorant alimentaire (facultatif, pour l’effet visuel).
Procédure :
Étape 1. Remplissez le verre d’eau.
Verser l’eau dans le verre transparent en laissant de la place pour l’huile.
Étape 2. Ajouter l’huile.
Ajoutez l’huile lentement et laissez les enfants observer comment elle remonte à la surface.
Étape 3. Ajouter du colorant
Si vous utilisez du colorant, ajoutez-en quelques gouttes à l’eau pour rendre le contraste plus frappant. Remarquez que le colorant se mélange à l’eau mais pas à l’huile.
Étape 4 : Mélanger l’eau et l’huile
Utilisez une cuillère ou un fouet pour essayer de mélanger l’huile et l’eau. Laissez les enfants voir à quelle vitesse ils se séparent à nouveau.
Étape 5. Le pouvoir du savon
Ajouter quelques gouttes de savon liquide dans le verre.
Étape 5 : Mélanger à nouveau
Que s’est-il passé ? Nous avons créé une émulsion.
Questions pour la discussion
- Pourquoi pensez-vous que l’huile ne se mélange pas à l’eau ?
- Pourquoi le savon peut-il mélanger l’huile et l’eau ?
- Quelle est la polarité du savon ?
- Pourquoi pensez-vous que nous lavons la vaisselle grasse avec du savon ?
Que nous apprend cette expérience ?
L’eau et le pétrole, bien qu’ils partagent le même navire, ne s’entendent pas bien car ils sont très différents. Le pétrole flotte toujours, car il est moins dense que l’eau.
De plus, leurs molécules ne sont pas de même nature : les molécules d ‘eau sont polaires, comme de petits aimants avec une partie positive et une partie négative. Les molécules d’huile sont apolaires, ne présentent pas de pôles et ne se mélangent donc pas. Rappelons cette règle simple : le semblable se mélange, le contraire se repousse.
Le savon nous montre la partie la plus surprenante, à l’intérieur de sa molécule il y a un “dédoublement de personnalité” (amphipathique): un côté est hydrophile, ce qui signifie qu’il est attiré par l’eau, et l’autre côté est hydrophobe, ce qui signifie qu’il ne s’entend pas avec l’eau mais avec les graisses. Cette combinaison en fait un pont entre deux mondes, comme une force invisible qui permet à l’eau et à l’huile de s’unir temporairement.
