Alimentation et nutrition   ñ

Sciences et techniques

L'aliment, "se nourrir et être rassasié"

Article n°6

 Composition des aliments: l'eau

Nous avons vu aux articles précédents, les glucides, les lipides et les protéines sont les principaux composants des aliments et responsables de leur texture. Leurs propriétés physico-chimiques déterminent l'aptitude à la transformation et à la conservation de l'aliment. Ces composants ont diverses fonctions dans l'organisme qui sont : biologique (structure des tissus et métabolisme cellulaire), physiologique (digestion des aliments) et énergétique (carburant de l’organisme).   

Les aliments contiennent de l’eau et d’autres substances chimiques mineures :  les minéraux, les vitamines et les pigments.  Ces substances ont leur importance sur le plan technologique aussi bien que nutritionnel. 

L'eau

L’eau est quantitativement le constituant le plus important de tous les êtres vivants (70 % environ du poids de l'organisme).

L’eau est nécessaire à l’organisme humain pour toutes ses activités physiologiques et biologiques. L’eau est apportée à l’organisme principalement sous forme de boisson ou par les aliments. Tous les aliments contiennent de l’eau, sous sa forme libre et liée, plus ou moins en abondance, sauf les graines sèches. L’eau joue un rôle dans la structure des aliments et contribue à leur appétence. Toutefois, dans certaines conditions de stockage et de conservation des aliments, la présence d’eau contribue  à la détérioration des aliments. En effet, l’eau est indispensable au développement des micro-organismes et à l’activité des enzymes. Aussi, les méthodes de conservation, pour la plupart des aliments, sont basées sur la diminution de cette « disponibilité ».

L’eau  est une substance, comme telle, l’eau a une structure, des propriétés physiques, chimiques et physico-chimiques.

Structure de l’eau

L’eau est le nom attribué à la substance liquide, qui coule, constituée de molécules de formule H₂O.

La molécule H₂O

La molécule d’eau, H₂O, est formée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Elle est représentée sous deux formes: l'une compacte et l'autre éclatée (Figure 50 et 51 d'après Lehninger, 1985)

Dans la molécule H₂O, chaque atome d'hydrogène est lié à l'atome d'oxygène par une liaison dite covalente. Chaque liaison O–H mesure 0,96 Å et l'angle HOH est voisin de 105° (Figure 3 ci-contre). La répartition des charges dans la liaison O–H n'est pas symétrique : les électrons sont plus fortement attirés vers l'atome d'oxygène que vers celui d'hydrogène. La molécule H₂O est polaire, elle se comporte comme un dipôle électrique permanent formé par deux charges électriques égales et de signes opposés séparées l'une de l'autre par une distance d.

La charge positive est localisée au voisinage des atomes d'hydrogène tandis que la charge négative est au voisinage de l'atome d'oxygène. Il en résulte des propriétés électriques particulières. Aussi, la molécule d'eau est en interaction électrostatique avec toute particule chargée (ion, molécule polaire), et en particulier avec les autres molécules d'eau à l'état solide ou liquide. Cela explique en partie les propriétés de solvant ionisant de l'eau et sa structure condensée. 

Les particularités de l'aliment, c'est la présence de l'eau dans tous ses états : vapeur, liquide et solide.

La vapeur d’eau

La vapeur d’eau est un monomère de la molécule H₂O, les liaisons hydrogène intermoléculaires sont quasi inexistantes. Aussi la vapeur est plus fluide que le liquide.

L’eau liquide

L’eau liquide, substance chimique, est sans goût, incolore et inodore. L’eau liquide n’a pas de forme. Elle prend la forme du récipient qui la contient.

Dans la substance eau, les molécules H₂O sont associées. Deux molécules d'eau voisines sont en interaction électrostatique. Cette attraction entre une charge négative localisée sur l'oxygène et une charge positive portée par un atome d'hydrogène d'une molécule d'eau voisine est appelée liaison hydrogène (Figure 52 d'après Lehninger, 1985).

En raison de la disposition presque tétraédrique des électrons autour de l’atome d’oxygène (Figure 3) chaque molécule d’eau peut théoriquement former des liaisons hydrogène avec quatre molécules d’eau voisines.

Aussi, à la bonne température d’une pièce (18-25°C) chaque molécule d’eau se lie au maximum à 3,4 molécules. En effet,  à l’état liquide les molécules d’eau sont en mouvement perpétuel. Les liaisons hydrogènes se font et se défont constamment, aussi l’eau liquide n’est pas visqueux mais fluide.

La glace

Dans la glace, la molécule d’eau est fixée dans l’espace et les liaisons hydrogène s’établissent avec au maximum 4 molécules d’eau (Figure 53 d'après Lehninger, 1985). Il se forme ainsi des structures permanentes et infinies à trois dimensions. La liaison hydrogène y est linéaire, c’est à‑dire que l'oxygène et l’hydroxyle  impliqués dans ce type de liaison sont alignés avec une distance entre les atomes d'oxygène de 2,76 Å (au point de fusion, 0 °C). Ainsi, la structure de la glace est relativement peu compacte : le réseau cristallin de la glace étant plus ouvert, il en résulte que la glace flotte sur l'eau.

Dans les formes condensées de l’eau (l'eau liquide et la glace) la liaison hydrogène entre molécules qui les caractérise est beaucoup plus facile à rompre que la liaison covalente H^_O(4,5 kcal/mol contre 110 kcal/mol!). Cela a cependant une influence sur les propriétés thermodynamiques anormales de l'eau : à la pression atmosphérique, les températures de changement d'état de l'eau, PE et PF – fusion à 0 °C, vaporisation à 100 °C – sont élevées par rapport à celles d'autres composés chimiques (hydrures et liquides),  comme le montre la Figure 54. La rupture de la liaison hydrogène nécessite une agitation thermique importante

Les masses moléculaires de l'eau

L'existence d’isotopes de l’hydrogène D (H2)  et T ( ³H) d’une part, et celle d’isotopes d’oxygène(¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O)  d’autre  part,  font que l'eau est constituée de molécules de masses différentes:

D₂O, dite «eau lourde» est constituée de 2 atomes de deutérium, l’isotope le plus abondant de l’hydrogène. Les isotopes de l’hydrogène et  ceux de l’oxygène ont un intérêt particulier dans la caractérisation de produits alimentaires: Les variations des rapports isotopiques sont des moyens de suivi en production, commercialisation, hygiène alimentaire et santé publique. 

Propriétés physiques de l'eau

Les propriétés physiques de l'eau ont trait à ses trois états (gazeux, liquide, solide), de poids spécifiques différents, qui peuvent voisiner, et aux transferts de chaleur et de matière.  physiques de l’eau, il résulte des constantes Le tableau IX donne quelques constantes physique de l'eau (colonne du milieu) et les conditions de leur mesure (colonne de droite): exemple, la densité de l'eau est égale à 0,9999 à o°C

Tableau IX : Constantes physiques de l'eau

Propriétés chimiques de l'eau

Ionisation de l’eau

Les nombreuses propriétés chimiques de l’eau résultent de la dissociation partielle de la molécule H₂O, ionisation, en protons H⁺ et ions hydroxydes OH⁻ Cette ionisation s’effectue suivant l’équation [a], elle est  réversible.

Le degré d’ionisation de l’eau est exprimé quantitativement  par une constante d’équilibre K_e selon l’équation [b]

Le produit des concentrations des ions hydrogène et hydroxyle est appelé  produit ionique de l’eau P_e (équation [c])

À 25 °C dans l'eau pure; 

[H⁺] désigne la concentration de l'ion hydrogène (proton)  et le  [OH^- ] celle de l’ion hydroxyle. 

Les termes pH et pOH sont définis par l'expression

La mesure du pH intervient dans de nombreuses opérations d'analyse, de transformation ou de conservation en chimie, biologie, biochimie et technologies des aliments . 

L'eau, un solvant  

Une solution est composée d’au moins deux constituants dont l’un est le solvant dans lequel les autres, les solutés, se trouvent dispersés. Lorsque les solutés sont dissous, la dispersion est homogène à l’échelle moléculaire : la solution constitue une phase unique.

L’eau, le plus universel des solvants, dissout de nombreux solides, liquides et gaz.  Solvant et solutés constituent une solution aqueuse. En chimie, la concentration exprime la quantité de soluté dissout ou de solvant dans l’unité de volume de la solution.  L’encadré 1 résume les grandeurs, expression, de la concentration.

Les solutions 

La solution idéale

La solution idéale est une solution hypothétique. Elle obéit à la loi de Raoult pour toute température ou concentration : l'abaissement de la température de solidification d'une solution et l'élévation de sa température d'ébullition sont proportionnels à la concentration du soluté et inversement proportionnels à sa masse moléculaire.

La solution idéale d’un soluté provoque donc l’abaissement de la tension de vapeur du solvant.

Cette loi implique que la dissolution du soluté dans le solvant ne change pas l'énergie interne du système ^_ ne produit pas d’effet thermique ^_ et qu’il n'existe pas de forces d'attraction entre les constituants.  La loi de Raoult s'écrit comme suit:

La solution réelle 

Dans une solution idéale, les molécules du soluté se comportent comme un gaz parfait. Il n’y a pas d'interaction entre elles. Lorsque la loi de Raoult n'est plus respectée, on parle alors de solution réelle. La dissolution du soluté est accompagnée d'un effet thermique, dégagement ou absorption de chaleur.

L’eau dissout la plupart des sels cristallins (Chlorure de sodium). L’eau est meilleur solvant pour ces sels que la plus part des liquides. Cette propriété est due au caractère dipolaire de la molécule d’eau (Figure 3). Ainsi, dans l’eau, la destruction du réseau cristallin de ces sels est aisée. C’est la solvatation.

De nombreux composés organiques neutres avec de groupes fonctionnels polaires comme le sucre sont rapidement dissous dans l’eau.  Cela est dû à la propension des molécules d’eau à former des liaisons hydrogènes avec les groupements hydroxyles (OH) de ces composés organiques.

L’eau dissout les composés dits amphipathiques (composés ayant à la fois des groupes hydrophiles et hydrophobes) comme le sel de sodium d’un acide gras.

La dissolution des solutés a plusieurs effets sur l’eau :

- elle modifie les quatre propriétés colligatives de l’eau qui sont : le point de congélation, le point de fusion, la pression de vapeur et la pression osmotique. Ces effets des solutés sur les propriétés de l’eau sont utilisés en biologie, biochimie et technologie (transformation et conservation de l’aliment);

- la présence de solutés comme le Nacl  (le chlorure de sodium) dans l’eau modifie la structure normale de l’eau ;

- le pH de la solution aqueuse peut varier en fonction de la nature et de la quantité du soluté. 

Les acides et les bases reflètent les propriétés de l’eau. 

Les acides et les bases 

Le pH est la grandeur qui définit l’acidité ou la basicité d’une solution. Une solution est dite acide si son pH est inférieur à 7, basique si son pH est supérieur à 7.

Les principaux acides forts  sont : H2SO4 (l’acide sulfurique) et HCl (l’Acide chlorhydrique). Tandis que NaOH (la soude) et KOH (la potasse) sont les principales bases fortes.

Les acides forts et bases fortes en solution aqueuse sont complètement ionisés, tandis que les acides et les bases faibles ne le sont que partiellement. En biochimie et en technologie des aliments les acides et les bases forts sont couramment utilisés dans les opérations d’hydrolyse de macromolécules d’intérêt alimentaire comme l’amidon. La biochimie utilise davantage les acides et bases faibles dont l’acide acétique. 

Les acides sont définis comme des donneurs de protons et les bases comme accepteurs.

Un donneur de protons et son accepteur de protons correspondant constituent une paire conjuguée. Dans le cas de l’acide acétique, un acide faible, CH₃COOH est le donneur de proton et l'ion acétate CH₃COO- est l’accepteur de proton correspondant.

CH₃COOH et CH₃COO- constituent une paire conjuguée.Les deux constituants sont liés  par  la réaction réversible de l’équation [f]

La tendance de tout acide HA à perdre un proton et à former sa base conjuguée A^- est définie par sa constante d’équilibre K' de l’équation [h] :

Plus un acide est fortement dissocié, plus son pK’ est bas. Ceci est d’un grand intérêt en biochimie : n’importe quel acide faible, que sont des molécules  biochimiques, son degré de dissociation peut être déterminé par le calcul du pK’.

La solution tampon

La solution aqueuse est dite tampon, lorsqu’elle a pour solutés un acide faible et sa base conjuguée (CH₃COOH et CH₃COO^-).

Le pH de cette solution est peu modifié en ajoutant de petites quantités d’acides (H⁺) ou de bases (OH^-). 

Propriétés Physico-chimiques

Les propriétés Physico-chimiques de l’eau est la somme de ses propriétés physiques et chimiques et leur interaction ; c’est aussi l’interaction de ses propriétés avec celles du soluté. C'est l’effet de l’eau sur la conformation des macromolécules biochimiques, les protéines par exemple. Les propriétés physico-chimiques de l'eau, c'est ce que chaque biomolécule, chacune de ses solutions aqueuses a de spécifique à température, pH et pression donnés : chaque solution est différente d'une autre par sa physico-chimie. 

L’eau et l’aliment

L’eau dans l’aliment

L’eau est le constituant le plus abondant de la plus part de nos aliments. La stabilité de l’aliment, la texture, la couleur, l’arôme, le goût et l'aptitude à la transformation en dépendent.  

L’eau dans l’aliment est composée de l’eau de l’aliment et de l’eau en l’aliment de la figure 55 ci-contre. Si « étroite » que soit la distinction de ces deux termes, il n’en demeure pas moins qu’elle ait son importance dans diverses opérations technologiques et analytiques sur le produit biologique, en occurrence l’aliment. 

L’eau dans l’aliment, concerne sa disponibilité et sa quantité. Cette notion de disponibilité de l’eau conduit à distinguer « eau libre » et « eau liée ». L'"eau libre" est facilement accessible.  

L’"eau de l’aliment" dans les conditions naturelles est constituée de l'"eau liée" et de l'"eau libre".  Cette "eau libre", même facilement accessible, ne sort pas spontanément de l’aliment ou de la substance organique. 

 L'"eau de l'aliment", c'est l'eau du lait, l'eau du contenu entier de l’œuf, le jus du fruit tel quel, l'eau du pain frais ou l'eau du fromage ou encore l'eau de la graine de céréale déterminée après dessiccation à l'étuve, à 60°C d'une prise d'essai de 5 g de la matière telle quelle, jusqu'à poids constant ou poids sec.

L’eau en l’aliment est l’eau apportée à l’aliment de manière naturelle (humidité de l'air) ou artificielle (humidification lors des opérations de transformation)  est aussi appelée  " eau libre".  La figure 57 ci-dessous montre l'humidification de la semoule de blé avec trois fois son volume d'eau bouillante. La semoule gonfle (verre du milieu). 

Figure 57 : humidification  de la semoule de blé (1:3  v/v)

Après une heure à température ambiante (26°C), le volume de la semoule hydratée est quatre fois environ le volume de la semoule initiale. L'eau est totalement absorbée et les grains de semoule cuits. 

Quant à l"'eau liée", on admet que les molécules organiques, les macromolécules, sont plus ou moins saturées par une couche monomoléculaire d’eau qui est une partie de l’eau de l’aliment. Cette eau étroitement liée aux macromolécules est appelée « eau liée». La disponibilité de l’eau dans l’aliment est exprimée par la grandeur appelée activité de l’eau  (a_w). Cette distinction d'"eau libre" et d'"eau liée" est liée à la structure de la molécule d'eau d'une part (figure 50) et à celle des molécules organiques qui sont des acides faibles d'autre part. Cette eau liée est intrinsèque à l'aliment. Aussi peut-on se poser des questions au sujet de la couche monomoléculaire d'eau des graines végétales sèches : serait-elle l'eau originelle de la graine (depuis sa formation) ? est-elle amovible par l'eau apportée ultérieurement ? quel rôle joue-t-elle  dans la germination ?...  la teneur en eau des semences est comprise entre 8 et 12 (% m.h.) suffirait-elle, dans les conditions de germination pour réveiller l'activité des enzymes? 

L'activité de l’eau de l'aliment

La mesure de l'activité de l’eau d'un aliment, concerne de nombreuses opérations de transformations en technologies alimentaires. 

Le reflet de l’accessibilité à l’eau dans un aliment est la pression partielle de vapeur d’eau de cet aliment (P_w) à partir de laquelle est calculée l'activité de l'eau (a_w).

L'activité de l'eau d'un produit est théoriquement comprise entre 0 et 1. Elle est proche de 1 quand l’eau dans le produit est très accessible, disponible, c'est à dire qu'elle a  un grand «degré de liberté ». 

L’intérêt de la détermination de l’activité de l’eau de l’aliment concerne principalement la stabilité des aliments. En effet, le développement des micro-organismes, cause de diverses détériorations des aliments, est sous l’influence de l’activité de l’eau. Aussi, les micro-organismes  se développeraient dans des aliments dont l’a_w est égale à celle correspondant à leur croissance. Le tableau X montre qu’aucun aliment n’est à l’abri de développement d’une famille, d’un genre ou d’une espèce de micro-organismes. 

Tableau X: Activité de l'eau et stabilité des aliments 

Les réactions enzymatiques sont aussi sous l’influence de l’activité de l’eau,  elle est comprise entre 0,3 environ et 0,97. Elle est fonction de divers facteurs liés à l'enzyme, au substrat et au milieu. 

L’activité de l’eau est l'un des principaux facteurs qui influencent la stabilité de l’aliment.

La teneur en eau de l'aliment 

La teneur en eau d'un aliment est l'expression de la quantité d'eau qu'il contient.

L’aliment est composé d’une matière sèche (m.s) et de l’eau (eau libre et eau liée). Par définition, l’aliment à analyser est la matière humide (m.h)

La détermination de la quantité d’eau dans l’aliment est un préalable en analyse alimentaire. Elle est déterminante dans l'expression et l'interprétation des résultats d'analyse. 

La teneur en eau de l'aliment s’exprime comme suit (équations [m] et [n] )par rapport à la matière humide ou par rapport à la matière sèche. 

Isotherme de sorption

L’activité de l’eau et sa teneur dans l’aliment sont utilisées à de nombreuses fins en chimie biochimie et technologie alimentaire. Par exemple, l’isotherme de sorption (figure 58)  est la courbe représentant la teneur en eau d’un aliment en fonction de l’activité de l’eau de cet aliment pour une température donnée

Figure 58 : Isotherme de sorption (d'après Cheftel J.- C. et H. Cheftel 1989)

La courbe comprend trois parties : une section A, une courbe ascendante et une courbe descendante, selon que l’on part d’aliment sec ou d’aliment humide. L’interprétation de cette courbe est la suivante :

- la portion A correspond à l’eau fortement liée aux diverses fonctions des constituants de l'aliment dont les macromolécules ;

- la courbe ascendante ou courbe d’adsorption et la courbe descendante ou courbe de désorption correspondent à l’eau libre ou l’eau faiblement liée de l’aliment. 

On constate que les deux courbes, adsorption et désorption qui devraient théoriquement se superposer ne se superposent pas. Cela est dû aux nombreux facteurs qui influencent la rétention d’eau.

L’établissement d’isotherme de sorption des aliments permet de :

- faire des prévisions sur le comportement d’un aliment lors d’un traitement. Il donne une indication sur l’hygroscopicité d’un produit lors de l’entreposage ;

- prévoir une réhumidification d’un produit sec lors d’une reconstitution ou lorsque le séchage a été effectué au–delà du seuil de déshydratation voulu.

L’eau dans l’aliment revêt de nombreux intérêts en technologie (transformation et conservation) et en chimie analytique. La figure 59 résume d'une part ce que représente l'eau dans l'aliment, son activité (a_w) et sa teneur (%m.h. ou %m.s.),  et d'autre part les différentes utilisations qui en découlent.

Figure 59 : Influences de l'eau dans l'aliment

L’aliment dans l’eau

L’eau est un solvant de l’aliment. L’eau et l’aliment constituent une solution. 

Le comportement des constituants de l’aliment diffère en présence de l’eau. Il en résulte divers types de solutions. Cette diversité de comportement est liée aux propriétés physico-chimiques de l’eau d’une part et à la composition de l’aliment d’autre part. Le tableau XI donne quelques caractéristiques physico-chimiques ayant influence sur le comportement d'une protéine en solution aqueuse.  

Tableau XI : Facteurs physico-chimiques influençant le comportement d'une protéine en solution aqueuse

L'aliment dans l'eau a les comportements suivants :

- l'aliment flotte ou décante. Les deux phases liquide et solide sont nettement séparées, comme le montre la figure 60 ci-dessous, le jaune d’œuf dans l"eau  ;

Figure 60 : Jaune d'œuf dans l'eau (prises de vues  de face et de haut)

- l'aliment est dissout, la solution est homogène et a l'apparence du solvant, l'eau, c'est le sucre ou le sel dans l'eau ;

- l'aliment absorbe l'eau, l'ensemble forme une seule phase solide. L'aliment gonfle  (figure 57) ou s'étale;

-  l'aliment est dilué et l'ensemble formé est une seule phase aqueuse, homogène et ne décante pas.  Le lait en est un exemple. Il est constitué de 85%  d'eau et 15% de matière sèche en moyenne. Celle ci constitue l'essentiel nutritif du lait.  On peut citer également l'empois d'amidon avant refroidissement et synérèse ou encore l'empois de semoule délayé dans le lait (Figure 61). 

Figure 61 : Empois de semoule de blé dans du  lait. Cette solution rappelle le "Foura da nonno", en Afrique de l'ouest. Toute la peine que ces femmes se donnent au mortier et au pilon de bois, c'est  pour donner une cohésion parfaite à ce produit, le "Foura da nonno". 

L'aliment dans l'eau, c'est sa trame (Figure 62) lorsqu'il n'y est pas entièrement dissout, les réseaux ou mailles de molécules de l'eau ou de l'aliment. Elle est fonction de l'ionisation de l'eau de la composition de l'aliment et aussi de sa teneur dans le solvant. Les liaisons hydrogène établies avec l'eau caractérisent sa stabilité dont découlent de nombreuses investigations dans divers domaines de la technologie, de l’analyse et de la recherche et développement:

 - les modifications biochimiques des constituants de l’aliment, dont les macromolécules,  par l’action d'enzymes;

 - la formulation des émulsions et gel et leurs préparations et l’étude de tous les phénomènes d’écoulement que déterminent les propriétés rhéologique de la trame.

 - les transformations comme l’hydrolyse des macromolécules biologiques, les fermentations de leurs constituants; 

  -  Les propriétés de l'aliment dans l'eau régissent les opérations de séparation ou de concentration de ses constituants dont: la décantation, l'osmose, la centrifugation  et les techniques mécano-membranaires (la filtration, l'ultrafiltration, la nanofiltration). 

Figure 62  : Aperçu  de la trame de l'aliment dans l'eau

L'eau dans la production des aliments 

L'eau dans la production de l'aliment, concerne d'une part, l'eau et le fonctionnement de l'organisme, et d'autre part, l'eau et les activités de l'homme. 

L'eau et le fonctionnement de l'organisme

L'eau et le fonctionnement de l'organisme considère l'eau et la digestion des aliments, l'eau dans le métabolisme et l'eau et la santé. 

L'eau et la digestion des aliments

Figure 63 : L'appareil digestif

L’eau dans la digestion des aliments, concerne d'abord l’eau de l’aliment, puis l'eau tout au long de l'appareil digestif (figure 63) :  la salive, le chyme gastrique et la mixture intestinale.

Au niveau de la bouche, la salive composée d’eau, la maintient humide. La salive favorise la déglutition. La mixture aliment-salive constitue le bol alimentaire.

Le bol alimentaire, dégluti, arrive au niveau de l’estomac qui sert de réservoir. L’estomac sécrète le suc gastrique qui contribue à la digestion initiale des aliments, ainsi qu'un mucus lubrifiant et protecteur. La digestion transforme le bol alimentaire : il devient alors le chyme gastrique.

Le chyme gastrique franchi le pylore et arrive dans l'intestin grêle. Celui-ci sécrète un suc qui se mélange au chyme gastrique. L’ensemble subit une homogénéisation. Le suc intestinal contient de nombreuses enzymes qui dégradent l’aliment en nutriments. Les sécrétions pancréatiques et biliaires terminent la dégradation chimique des aliments en leurs composants élémentaires, les nutriments, qui seront absorbés et véhicules par le sang à destination d'un organe, d'un tissu ou d'une cellule.  

L’absorption d’eau et les échanges électrolytiques, s’effectuent dans le colon, aussi l’eau joue un rôle de transporteur de nutriments. Le plasma, le liquide du sang est  constitué d'eau.  

La cellule et l’eau

Outre que les premiers organismes vivants, les bactéries, (Figure 64) soient probablement apparus dans les océans primitifs, l’eau constitue 70% ou plus du poids du vivant. L’eau est présente dans les tissus de l’organisme et  dans la cellule et ses constituants. la structure et le fonctionnement cellulaire sont liés aux propriétés physiques et chimiques de l’eau dans la cellule. Aussi, l’eau en biologie, c’est  la cellule et son eau.

Figure 64 : Coupe de la cellule bactérienne (source : Encyclopédie Encarta, éd. Microsoft 2003)

La cellule est l’unité fondamentale du vivant. Qu’elle soit bactérienne (organisme unicellulaire) ,  végétale ou animale, la cellule est constituée d’éléments suivants : la membrane plasmique, le cytoplasme, les organites cellulaires et le noyau. Chaque élément à un rôle spécifique dans le métabolisme cellulaire assurant le bon fonctionnement de l’organisme. Des constituants sont communs aux cellules eucaryotes et procaryotes. Chaque type de cellule contient quelque organite spécifique à son fonctionnement. Les cellules animales et végétales diffèrent de la cellule bactérienne et diffèrent entre elles  (Figures  64, 65 et 66 )

Figure 65 : coupe de la cellule animale (source : Encyclopédie Encarta, éd. Microsoft 2003)

La membrane plasmique entoure le cytoplasme. Elle est constituée principalement d’une  double couche juxtaposée de phospholipides (la partie hydrophobe des phospholipides de chacune des couches est tournée vers l’intérieur de la membrane), de protéines reparties de part et d’autre de la membrane, de protéines intrinsèques (protéines insérées dans la double couche de phospholipide ou la traversant entièrement),  de molécules d’autres lipides (le cholestérol chez la cellule animale).

La membrane plasmique assure et contrôle le transport de matériaux (Le transport d’électrolytes, de nutriments et des produits du métabolisme). et d’informations (actions des hormones) entre le cytoplasme et le milieu aqueux environnant la cellule. 

Le cytoplasme est un  milieu aqueux. Il contient le noyau, les organites, les électrolytes, les enzymes, les produits du métabolisme cellulaire. Les organites cellulaires contenus dans le cytoplasme sont :

   -  le réticulum endoplasmique, qui est un prolongement du noyau, possède une membrane. Il comprend une partie lisse et une partie granulaire. Il porte les ribosomes et les ARN, il est impliqué dans la production et la maturation de protéines ;

  -    l’appareil de Golgi est constitué de saccules contenant des protéines synthétisée dans la cellule et destinées à un usage extra cellulaire. Ce sont par exemple les enzymes digestives dans le mucus du tube digestif;

  -   les lysosomes possèdent une membrane et contiennent des enzymes hydrolytiques ;

  -         les mitochondries sont caractérisées par une double membrane lipidique et une partie intérieure aqueuse sièges des cytochromes et des enzymes des activités respiratoire et du cycle de Krebs.

Le noyau, le troisième élément de la cellule après la membrane plasmique et le cytoplasme,  est un mélange , d’ARN et d’ADN et de protéines acides et basiques (la chromatine).  Il est entouré d’une membrane chez les eucaryotes (cellules animales et végétales) et  dit noyau vrai (figures 65 et 66), tandis qu’il est libre chez les procaryotes (Figure 64).

Des trois types de cellules du vivant, la cellule végétale (Figure 66) est la plus élaborée, non seulement en structure, mais aussi en fonctionnement en ce qui concerne  ses organites. 

Les chloroplastes sont le siège de la photosynthèse, la source de l'énergie lumineuse contenue dans les aliments. Le glucose est le premier produit formé au cours de la photosynthèse qui est la réduction du gaz carbonique (CO₂) en substances carbonées et le rejet de l'oxygène. Elle se déroule en deux phases : la phase lumineuse et la phase d'obscurité. Chez les plantes vertes terrestres, dans les conditions naturelles, la première phase est de jour et correspond à la production d’ATP (Adénosine triphosphate); la seconde phase qui est de nuit, utilise l'ATP à la synthèse du glucose.  La figure 67 résume ces étapes.Figure 67 - La photosynthèse résumée 

Le glucose est le précurseur direct de l'amidon chez les végétaux source des aliments et du glycogène chez l'homme. Le glucose est le précurseur, plus ou moins éloigné, des autres composants de l'aliment (acides aminés et protéines ou acides gras et lipides) chez les végétaux et chez l'homme (Figure 68). 

Figure 68 - Raccordement du catabolisme des glucides et des lipides avec celui des protéines et les synthèses associées

Concernant la cellule  dont dépend le fonctionnement de l'organisme humain, celle-ci baigne dans un milieu aqueux: le plasma pour ce qui est des cellules du sang ; la lymphe est le milieu spécifique des cellules du système immunitaire et de certaines cellules du sang (lymphocytes);  le  liquide interstitiel ou extracellulaire en ce qui concerne les cellules des tissus.

Le cytoplasme de la cellule est un milieu aqueux où baignent noyau,  organites et produits du métabolisme.

Dans la cellule vivante s’effectuent des réactions de dégradation, de transformation et de biosynthèse. Ces réactions sont catalysées par des enzymes: c’est le métabolisme. 

L’eau intervient de plusieurs manières dans le métabolisme cellulaire lorsqu'elle n'en est pas le produit.:

- Les enzymes fonctionnent en solutions aqueuses diluées dans des conditions adéquates de température et de pH. 

- L’eau participe au transfert de l’énergie chimique. Elle est à la fin de la chaîne respiratoire, (l'eau est le produit de l'oxydation cellulaire de substrat) génératrice d’ATP  

- L’eau participe au transfert des nutriments et des électrolytes.

- la structure tridimensionnelle des macromolécules, nécessaire au maintien de leurs propriétés biologiques est liée aux caractéristiques physico-chimique de l’eau de la cellule et de son environnement.  

Par ailleurs, la cellule et l’eau concerne tout ce qui se rapporte aux cellules  de l'embryon qui utilisent à leur avantage les propriétés de l'eau environnante (le liquide amniotique) pour assurer certaines de  leurs activités de développement.

L’eau et la santé humaine

L’activité de la cellule est liée à l’eau et la bonne activité des cellules régit la santé. L’eau et la santé, c’est le rôle important de l’eau dans la digestion, le métabolisme cellulaire, le transport des nutriments et des électrolytes. L’eau et la santé, c’est aussi l’importance de l’eau dans l’élimination des différents déchets de l’organisme, c’est l’hygiène et il n’est pas rare d’entendre dire « je bois pour  éliminer ! ».

La teneur en eau dans l’aliment détermine son aptitude à la conservation. L’activité des mico-organismes peut génèrer des molécules ayant un effet négatif sur la santé dont les nuisances alimentaires. Ces molécules sont soit toxiques (toxines botulique, l'aflatoxine...) soit antinutritives

L’eau est le lien entre la digestion, l'hygiène et le métabolisme cellulaire  qui font le bon fonctionnement de l’organisme (Figure 69 ). Ce lien peut porter  le terme de «triangle de l’eau» dans le fonctionnement de l'organisme. 

Figure 69 : "Eau- métabolisme cellulaire - digestion -hygiène "  Répond aussi à cette citation de Paul Valéry : "On sait que la soif véritable n'est apaisée que par l'eau pure: il y a je  ne sais quoi d'authentique dans l'accord du désir vrai de l'organisme et du liquide originel. Être altéré, c'est devenir autre : se corrompre, il faut donc se désaltérer, redevenir..." -

Pour tout ce que représente l’eau au bon fonctionnement de l’organisme, l’eau doit être absorbée régulièrement.

Les besoins hydriques varient d’un individu à l’autre même dans les conditions dites normales.  Aussi, pour la ration d’eau, comme pour celle des aliments sources de divers nutriments, on pourrait dire dans une certaine mesure: à chacun sa ration d’eau, à chacun sa ration de nutriments.

Cette eau indispensable au bon fonctionnement de notre organisme doit être saine. Ainsi, l'eau et notre santé, c'est d'abord l'analyse physico-chimique et biologique de l'eau, de la source à la consommation. 

L’eau et l’activité de l’homme

De tous les temps, l'homme s'est servi de l'eau dans toutes ses activités socio-économiques.

Activités domestiques 

L'eau des activités domestiques concerne toutes les occupations ménagères, l’hygiène corporel, le jardinage, les services de sécurité et de nettoiement, l'arrosage des pelouses et autres espaces verts. L'eau mise à la disposition des usagers doit satisfaire aux normes de potabilité. 

L'industrie

L'industrie agroalimentaire est tributaire de l'eau à plus d'un titre. 

Le potentiel énergétique de l'eau est utilisé dans divers domaines de la production industrielle :

- la production de la vapeur est exploitée par l'industrie alimentaire. On peut dire que la vapeur d'eau est la"mère" de l'industrie moderne. L'invention de la machine à vapeur par Denis Papin (1647-1714 ) a révolutionné  les transports et a aussi favorisé le passage de la production artisanale à la production industrielle; 

- la force de l'eau a été utilisée par l'homme depuis le proche moyen âge  dans les opérations de transformations comme la mouture du grain par les moulins à eau; 

- la production de l'électricité, depuis la fin du XIX^è siècle,  utilise la force de l'eau. Ce sont  les barrages hydroélectriques,  les hydroliens (éoliens en mer), la vapeur des geysers; 

- la production d'hydrogène gaz  est considérée comme l'un des vecteurs d'énergie du futur.   Qu'elle soit par l'hydrolyse de l'eau ou par la vaporeformage du méthane le gaz naturel(Équation bilan [q]),  la production d'hydrogène utilise l'eau. 

Par ailleurs, par la digestion en anaérobie de matières organiques, l'eau est impliquée dans la production du méthane. Elle est l'oeuvre de divers micro-organismes. L'ensemble des étapes conduisant à la production de méthane constitue la fermentation méthanique.

- l'eau est impliquée dans la production d'éthanol par fermentation du glucose. Elle met en jeu les levures genre Saccharomyces;

- la production d'électricité des centrales nucléaires utilise de l'eau (Figure 70)

- L'eau est la matière première dans la fabrication de boissons, du sucre (jus de canne ou de betterave)…

- L’eau intervient dans les opérations de transformations et de séparations des constituants de l'aliment comme nous venons de le voir  (confère aliment dans l'eau)

- Enfin, l'eau, comme fluide et solvant, est utilisée pour toutes les formes de lavage et d'entraînement des déchets ou artificiels. L’utilisation d’eau par les industries n’est cependant pas sans conséquences sur l’environnement. Il nous semble que ce n'est jamais de trop de le dire tout en reconnaissant les nombreuses améliorations qui ont vu le jour ces deux dernières décennies, partout dans le monde.

Si les centrales hydroélectriques restituent en général l'eau sans prélèvement quantitatif ni modification de qualité, elles peuvent en revanche changer le régime des écoulements de l’eau en appauvrissant les nappes souterraines. Mais rarement il'en est ainsi. Les barrages hydroélectriques sont généralement à l'aval du cours d'eau, près de l'embouchure et dans des zones de fortes précipitations ou jouissant d'une bonne pluviométrie régulière et suffisante pour alimenter la nappe phréatique.

Les centrales thermiques dont les centrales nucléaires, prélèvent sur le milieu naturel, d'énormes quantités d'eau pour leur refroidissement. L’eau de refroidissement rejetée par ces centrales peut augmenter sensiblement la température des eaux des rivières, ce qui n’est pas sans effet sur l’écosystème. 

L'activité des hydroliennes, également, augmente sensiblement la température de leur environnement. 

Cependant, l'effet d'une augmentation sensible de la température de l'eau des mers et des rivières au voisinage des centrales thermiques n'est pas forcément négatif lorsque cela peut favoriser la production halieutique. De plus, rien n'empêche que la chaleur de l'eau issue du refroidissement des centrales ne soit utilisée pour le chauffage de serres et autres installations agricoles situées à proximité et davantage.

Après usage, les industries alimentaires rejettent les eaux, souvent polluées, qui doivent être épurées. De nombreuses industries recyclent leurs eaux usées. De ce fait, l'effet de leur prélèvement sur les aquifères est moindre et les boues peuvent servir de "fertilisants" agricoles.

L'eau n'est pas seulement utilisée par l'industrie agro-alimentaire, elle est le sujet  des  opérations de déshydratation (concentration et séchage de la conservation des aliments) libérant de la vapeur d'eau dans l'atmosphère. 

L'industrie de l'eau

L'aliment et tout ce qui s'y rapporte est tributaire de l’industrie de l'eau. Compte tenu de l’importance de l’eau dans la vie de tous les jours, l'industrie de l'eau est florissante et le demeurera tant qu’il y aura de l’eau et des hommes sur la planète. De nombreuses activités constituent cette industrie :

- les activités ayant trait au prélèvement des ressources par forage, pompage, captage et leurs équipements électromécaniques ; 

- Les activités d'analyses, de traitement et de  distribution de l'eau.

Il revient à ces industries de fournir de l'eau potable, c'est-à-dire une eau qui ne doit contenir ni substances toxiques ni organismes parasites ou pathogènes, elle ne doit être ni turbide ni colorée, ni avoir un goût ou une odeur désagréables. Cette eau doit, de plus, être livrée au consommateur à une température donnée selon la température ambiante du climat.

L'agriculture

L’eau est indispensable à la production agricole (les productions végétale et animale).

Dans certaines régions du globe, les pluies sont insuffisantes ou trop irrégulières ou bien la saison des pluies est courte dans l’année. Pour répondre au besoin en eau de la production agricole, l'homme a recourt aux ressources de complément dont les nappes souterraines, les cours d'eau et lacs naturels. Ce prélèvement n'est pas sans conséquences notamment sur le niveau des nappes souterraines qui s'appauvrissent.  Aussi, la production agricole est souvent adaptée au besoin et à la disponibilité en eau.

L'eau et l'agriculture, c'est aussi la météo, le temps qu'il fait, des semailles à la moisson... c'est le regard scrutant le ciel de l'agriculteur... suite

"L'eau et l'aliment" voir aussi 

L'eau dans l'aliment et l'aliment dans l'eau

Quid de "L'eau dans tous ses états! l'eau dans tous nos états"

L'eau d'une rive à l'autre