mardi 11 août 2015

Peut-on mélanger des huiles ?

Les huiles alimentaires sont-elles toujours miscibles ? La question culinaire simple est en réalité d'une belle complexité physico-chimique, parce que l'idée classique d'énergie est battue en brèche... et que nous verrons que le problème est résolu d'emblée (autrement dit, tout ce que je vais expliquer pour commencer est parfaitement inutile en vue de répondre à la question posée ; désolé).

Au départ, il y a la question de la miscibilité. Pourquoi du vin se mélange-t-il à de l'eau, mais pas de l'huile ? La question est difficile, et elle n'a été élucidée qu'il y a une dizaine d'années.

Commençons par une idée simple : une bille en haut d'une montagne roule vers le bas. Pour expliquer ce fait d'expérience, les physiciens ont introduit une notion, l'énergie potentielle", et établi une "loi de la nature", à savoir que les systèmes évoluent vers les états où l'énergie potentielle est inférieure. Dit ainsi, on ne semble pas avoir gagné grand chose, à part rendre abstrait ce qui était concret... mais ce sentiment n'est pas juste : il résulte du fait que la vulgarisation scientifique veut donner les résultats avec des mots, de sorte qu'il n'est pas étonnant que les mots ressemblent  aux mots. En réalité, derrière l'idée de l'énergie potentielle, il y a des quantités, des équations dont je vous prive (oui, je dis bien : je vous en prive, parce que la beauté des équations est merveilleuse).

Pour les atomes, c'est un peu pareil que pour les billes et les montagnes : de même, les atomes s'associent en molécules quand il y a des possibilités de liaison chimique sont satisfaites, et les physico-chimiste ont introduit une sorte d'énergie potentielle chimique, ce que l'on  nomme aussi des forces de liaisons chimiques. Les liaisons les plus faibles sont nommées liaisons de van der Waals, et il y en a entre les molécules de l'huile (ce que l'on nomme des triglycérides, mais j'y reviendrai) ; puis il y a des "liaisons hydrogène", par exemple entre les molécules d'eau, plus fortes que les précédentes ; et puis, beaucoup plus fortes, les "liaisons covalentes", c'est-à-dire les liaisons qui lient les atomes entre eux pour former des molécules, au lieu simplement de faire coller les molécules entre elles, comme dans les liquides ; enfin les forces électrostatiques, pour les atomes ou molécules chargés électriquement, ce qui assure la solidité des cristaux de sel, par exemple.

Cette première description permet d'expliquer certains phénomènes : par exemple, s'il n'y avait pas de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau, qui sont de petites molécules, l'eau s'évaporerait quasi instantanément. Les liaisons hydrogène sont comme une sorte de glu, entre les molécules d'eau.
De même, pour les molécules d'huile, les liaisons de van der Waals sont une colle, bien plus faible... mais l'huile ne s'évapore guère, parce que les triglycérides sont de très grosses molécules, bien plus lentes (à température ambiante) que les molécules d'eau.
Examinons maintenant la constitution de ces molécules. Pour l'eau, c'est simple : chaque molécule d'eau est faite d'un atome d'oxygène lié à des atomes d'hydrogène, en une structure en forme de V. A la température ambiante, la vitesse moyenne des molécules d'eau est de 650 mètres par seconde.
Pour les molécules de triglycérides, la structure des molécules est plus compliquée : il faut imaginer une sorte de peigne avec des dents souples. Le manche est fait de trois atomes de carbone enchaînés linéairement, et chaque atome de carbone est lié par un atome d'oxygème à une longue chaîne d'atomes de carbone qui sont eux mêmes liés à un, deux ou trois atomes d'hydrogène. J'omets volontairement des détails, pour signaler seulement que de telles molécules ont un nombre d'atomes de carbone total de l'ordre de 20 à 100, avec un peu plus d'atomes d'hydrogène, et six atomes d'oxygène. Bref, une telle molécule est bien plus grosse qu'une molécule d'eau, et bien plus lente, aussi : la vitesse moyenne est seulement de 90 mètres par seconde.
En quoi cela fait-il une différence ? Imaginons que nous avancions assez lentement, en ligne droite, et que nous passions près d'un ami, que nous cherchons à attraper seulement en fermant les doigts. Si notre énergie de vitesse est faible, alors nous pourrons en entraîner notre ami avec nous ; en revanche, si nous allons très vite, nous ne parviendrons pas à l'entraîner. De même, des molécules lentes sont très sensibles aux liaisons possibles, même quand elles sont faibles, comme dans l'huile. Et comme les molécules de triglycérides peuvent donc s'attacher les unes aux autres, elles ne s'évaporent pas, sauf à atteindre environ 300 à 400 degrés.

Avec cela, nous en savons assez pour revenir à la question initiale, sur la miscibilité. Considérons de l'eau, et imaginons que nous voulions y mettre une molécule de triglycéride. Quand la molécule de triglycéride arrive dans l'eau, elle établit des liaisons de van der Waals avec les molécules d'eau... ce qui nous conduirait à penser que l'huile peut se dissoudre dans l'eau... Mais cela est réfuté par les faits !

Pourquoi l'huile ne se dissout-elle alors pas dans l'eau ? Parce que, quand la molécule de triglycéride est introduite dans l'eau, elle oblige les molécules d'eau à se disposer autour d'elle d'une façon spécifique, déterminée par la structure moléculaire du triglycéride. Or c'est une découverte essentielle de la physique du 19e siècle que d'avoir compris que le monde évolue spontanément vers le désordre, pas vers l'ordre. Une molécule de triglycéride qui ordonnerait des molécules d'eau ferait évoluer le monde vers un état plus ordonné... ce qui "coûterait" de l'"énergie de désordre"... de sorte que cela n'arrive pas, en pratique.
Bref, si l'huile ne se dissout pas dans l'eau, c'est une question d'"énergie de désordre". Et nous avons maintenant les deux idées indispensables pour savoir si les huiles sont miscibles entre elles...

 A cela près que tout ce que je viens d'expliquer est inutile, comme je l'avais annoncé initialement. Nous aurions dû commencer par analyser que chaque huile est déjà un mélange d'un nombre parfois très grand de triglycérides différents. Et si on mélange deux mélanges, qui sont des mélanges de triglycérides distincts seulement par la proportion des divers triglycérides, pourquoi ne se mélangeraient-ils pas, alors qu'ils sont les mêmes constituants ?