le pouvoir des plantes

8/11/2019 Le Pouvoir Des Plantes

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1Fondation Internationale de la Maison de la Chimie Union des Industries Chimiques

Le Pouvoir des plantes

Comme nous lavons dj vu loccasion de ltude de la pervenche de Madagascar, de nombreuses

molcules dorigine vgtale sont utilises dans les industries pharmaceutique et cosmtique.Depuis la dcouverte danticancreux dorigine vgtale, de plus en plus de principes actifs ontt dcouverts partir de plantes rares ou protges. Mais les principes actifs (voir la dnitiondans le thme Pervenche ), tels que les substances anticancreuses, sont des molculescomplexes difciles synthtiser chimiquement et dont la production par extraction restefaible.

Cet inconvnient majeur a t mis en vidence lors de lextraction des principes actifs de la pervenche, lavinblastine et la vincristine. Le Taxol(Fig 1a), remarquablement efcace contre les cancers de lovaire, du seinet du poumon en est une autre illustration. En effet il faut 10 kg dcorcesdif du Pacique (Taxus Brevifolia,une espce rare) donc sacrier 3 ifs de 150 ans pour obtenir 1 g de Taxolncessaire au traitement dun patientpendant un an ! Un tel scnario conduirait la destruction des forts difs du Pacique. Par chance, une autresolution a t rendue possible grce la dcouverte dun analogue du Taxol, le Taxotre(g 1b). Celui-ci a tsynthtis partir du principe actif extrait des aiguillesdif commun, le Taxus Baccata par des quipes franaisesdiriges par Pierre Potier lInstitut de Chimie des Substances Naturelles. La synthse demeure nanmoins longueet coteuse.

Depuis quelques annes, les recherches se sont orientes vers des techniques plus conomiques, telles quelexploitation in vitro de cellules ou dorganes vgtaux. On cultive dans des bio-racteurs des racines manipulesgntiquement pour produire des mtabolites en grande quantit. Cependant les cots dinfrastructure demeurent

trs levs, et il est difcile de conserver des conditions de parfaite strilit en dveloppant cette technique lchelle industrielle.Cest pourquoi deux biologistes de lInstitut National de la Recherche Agronomique (INRA), Eric Gontier et FrdricBourgaud, ont imagin une technique plus rapide de culture des plantes entires en conditions hors-sol : cest laculture hydroponique. Elle consiste cultiver les vgtaux en milieu liquide et faire extraire des racines lessubstances bio-actives, appeles mtabolites secondaires dans le milieu nutritif. Un mtabolite secondaireest une molcule que produisent les organismes en dehors des voies mtaboliques strictement ncessaires assurer la survie (on parle de mtabolisme primaire dans ce cas.

Cette technique ne se limite pas lif. Elle sapplique dautres plantes comme ledelweiss, la rue des jardins,la datura ou la garance qui contiennent des substances actives, telles que des alcalodes (voir che pervenche) oudes avonodes, servant de colorants en cosmtique.

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Fig. 1a - Taxol Fig. 1b - Taxotre


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Les mtabolites secondaires sont des molcules de dfense qui loignent les prdateurs ou inhibent la croissancedes plantes concurrentes. Elles ne sont pas strictement ncessaires la survie de la plante qui les synthtiseen gnral en trs petite quantit. La plante augmente leur production lorsquelle est agresse par un insecte,une bactrie ou un champignon, ou sous leffet de conditions physiques hostiles telles quune lvation de

temprature.Ce procd a t appel plantes traire. Il concerne une vingtaine de substances et a t brevet.

COMMENT TRAIRE UNE PLANTE ?

Principe du procede

Le systme Plantes traire (PAT) est une nouvelle technologie de production de mtabolites secondaires haute valeur ajoute, (destins au march pharmaceutique et dermo-cosmtique) invente au

Laboratoire Agronomie et Environnement (LAE). Cette technologie repose sur la rcolte non destructrice demtabolites vgtaux partir de plantes cultives en hydroponie et pour lesquelles on obtient une excrtion demtabolites partir des racines.

Production des metabolites secondaires

Dans une premire tape, la plante est cultive sur un milieu liquide suivant une technique couramment utilisepour faire pousser tomates et concombres. Les racines, dont les extrmits trempent dans leau, sont rgulirementirrigues avec une solution nutritive compose deau et dlments minraux. Lhydroponie prsente un doubleavantage sur la culture en terre : elle permet de doser avec prcision les lments ncessaires la croissance dela plante et de la protger des parasites prsents dans le sol. On stimule ensuite la production des mtabolites

secondaires. Deux techniques complmentaires sont employes :

Fig. 2a - EdelweissAvec laimable autorisation de Thomas Gasser

Fig. 2d - GaranceAvec laimable autorisation du

site lepetitjardinier.net

Fig. 2b - Rue

Fig. 2e - If

Fig. 2c - Datura

Fig. 2f - Squelette de avonode

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Lliciteur :on introduit dans la solution nutritive des extraits dinsectes ou de champignons pathognes quivont simuler lattaque dun parasite. Lliciteur se xe sur un rcepteur situ sur la paroi de la cellule vgtaleet va ainsi dclencher une cascade dvnements conduisant la production de mtabolites secondaires. Lesliciteurs multiplient le rendement par six. Les prcurseurs :ce sont des acides amins qui, introduits dans la solution nutritive, sont absorbs par les

racines et les nourrissent.La combinaison des deux techniques permet de multiplier par huit le rendement de fabrication de mtabolitessecondaires qui sont stocks dans les diffrents tissus de la racine.La gure 3 ci-dessous prsente le processus :

Fig. 3 - Processus de

production des mtabolites

Extraction des metabolites secondaires

La deuxime tape, qui fait toute loriginalit du procd, est la traite, ou rcupration des mtabolites secondaires.Lexcrtion est obtenue naturellement chez certaines plantes. La solution nutritive qui contient un grand nombredagents chimiques est remplace par de leau. Progressivement, les racines librent les mtabolites secondairesdans leau. Dans dautres cas, lexcrtion doit tre force par des moyens chimiques (ajout de tensioactifs) ouphysiques (ultra-sons, lvation de temprature). Ainsi, lajout de tensioactifs dans la solution nutritive rend lesparois des racines permables en augmentant la diffrence de pression entre lintrieur de la cellule et le milieunutritif et permet de rcuprer de 20 80 % des mtabolites secondaires contenus dans les racines.Les mthodes classiques de la chimie organique sont utilises pour isoler les mtabolites du milieu : extraction

par un solvant, chromatographie La gure 4 prsente lensemble du processus de production pilote dvelopppar lquipe de Nancy.

Fig. 4 - Processus de production pilote dvelopp par lquipe de Nancy


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La plante continue de pousser et, un mois plus tard, on peut renouveler le mme processus dlicitation et depermabilisation puis de traite.

Quels resultats ?Dans le cas de Datura innoxia (psychotrope), la traite permet dobtenir trois fois plus de mtabolites secondairesen un an que lextraction partir de champs cultivs, surfaces gales. Les alcalodes extraits, lhyoscyamine etla scopolamine, prsentent diffrentes activits, notamment pour tonier le cur et dilater la pupille.

De bons rsultats ont galement t obtenus avec la ruta graveoleons (la rue des jardins, vertus toniques etstimulantes) qui contient des furocoumarines (psolarne), utilises dans le traitement de leczma et du psoriasiset avec ledelweiss (proprits anti-inammatoires), riche en antioxydants comme les avonodes. Ce procdpermet galement de produire du Taxol.Ltude des plantes traire montre lintrt de la recherche fondamentale et met en vidence un exemple decollaboration fructueuse entre laboratoires publics et privs.

Cette technologie offre de nombreux avantages : Accs aux molcules prsentes dans les racines, difcilement accessibles par culture traditionnelle. Prservation de la ressource vgtale puisque le procd nest pas destructeur. Utilisation des systmes de culture en serre, dj existants.

Fig. 5a - Hyoscyamine Fig. 5b - Scopolamine Fig. 5c - Psolarne


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PROPOSITIONS DEXPERIENCES SUR LE POUVOIR DES

PLANTES

On illustre le thme du fonctionnement du vivant, et en particulier les conditions de dveloppement desvgtaux, ainsi que leur adaptation aux conditions du milieu. On montre galement comment les vgtauxpeuvent fournir des mdicaments naturels bnques pour la sant de lhomme.

Les changes transcrits ci-dessous, entre le professeur P et ses lves E, sont donns titre indicatif pour illustrerles tapes possibles du travail de classe et pourront tre adapts si ncessaire lge et au niveau de connaissancedes lves.

Remarque : on a crit en italique les notions que le professeur peut aborder, sans toutefois que les connaissanceset le vocabulaire spcique correspondant soient matriser et retenir par les lves.

I - MATERIEL REQUIS :

divers chantillons de sols apports par les lves, deux plants de tomate, deux pots de eurs, de la terre de jardin, un substrat, une solution nutritive, chantillons de branches dif, du caf en poudre, un sachet de th, un ltre caf et son support, une tasse caf, une tasse th, unecasserole deau, un saladier, 5 aiguilles coudre, du papier cigarette, du poivre (ou du safran) moulu, un morceau de sucre, une reproduction du schma du cycle de lazote, une reproduction de la culture hydroponique de tomates, une reproduction dun cafier et dun thier (Wikipedia), le tableau des teneurs en azote, phosphore et potassium dans diffrents types dengrais,

le tableau de la teneur en cafine de diffrents produits vgtaux, organisation par le professeur de la visite dune jardinerie pour y dcouvrir les plantations hors sol et les diverssubstrats qui y sont utiliss. Si impossible, le professeur invitera les lves faire la visite par eux-mmes.

II - CONNAISSANCES ABORDEES

Conditions de dveloppement des vgtaux. Le cycle de lazote. La culture hors sol ou hydroponie. Lextraction de mdicaments partir de plantes. Les proprits des tensioactifs.

DUREE APPROXIMATIVE DE LA SEANCE COMPLETE : 1h30 2h

I LE SOL, SES PROPRIETES, SON ENRICHISSEMENT

On illustre essentiellement les conditions de dveloppement des vgtaux. Le cycle de lazote est abord.

P :comment fait-on pousser une plante ?E :on fait un trou dans la terre du jardin ou dun pot dans lequel on met le plant, par exemple un plant detomate, de salade ou de cerisier. On recouvre les racines avec la terre et souvent on ajoute un engrais. On arrose


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rgulirement.P :faites donc vous-mmes cette plantation chez vous en choisissant la plante que vous souhaitez faire pousser.P :recherchez dans le dictionnaire ce quest la terre ou plutt le sol (en agriculture).E :le sol ou terre arable est la couche terrestre supercielle qui est propre la culture des plantes.P :de quoi est compos le sol ?

E :rponses diverses.P :le sol contient diffrents composants grce auxquels la vie vgtale est possible. Les racines des plantes absorbentles matires minrales et organiques ncessaires leur dveloppement. En questionnant votre environnement eten vous rappelant ce qui est ncessaire la vie dun tre humain, quels sont les lments essentiels la vie duneplante ?E :leau.P :oui mais aussi les lments minraux : calcium, azote, phosphore, potassium, des oligo-lments et enn deloxygne. Quel est le rle de loxygne ?E :rponses diverses.P : comme pour les humains, loxygne permet aux racines et aux feuilles de respirer. Quels sont les autresfacteurs importants pour le dveloppement dune plante ? (se rfrer la vie humaine).E :la temprature et la lumire.

P :que se passe-t-il si la plante est mise dans un pot ou une jardinire ?E :rponses diverses.P :A mesure que le temps passe, la terre se tasse et peut touffer les racines qui se sont dveloppes dans le pot.La terre sappauvrit en lments nutritifs et les extrmits des racines vont mourir. Le cycle biologique ne se faitplus ! Cest ce que vous pourrez observer dans votre plantation au bout de quelques semaines.

Un exemple de cycle biologique est celui du cycle de lazote, essentiel la vie. Lazote est indispensable laformation des protines. Ces protines sont des molcules ncessaires, car ce sont les agents actifs de lorganisme.Lhomme, comme les animaux, se les procure par lalimentation ; il nen va pas de mme pour les vgtaux. Orsi ceux-ci sont capables grce la photosynthse de capter le CO

2atmosphrique, il nen est pas de mme pour

lazote. Lazote est sous forme de diazote N2trs stable et nest pas assimilable par les plantes. Celles-ci ne sont

capables dabsorber lazote que sous deux formes chimiques : les ions ammonium (NH4+) et nitrate (NO

3-).

P :essayez de dcrire partir du schma les tapes du cycle de lazote.

E :diverses rponses.P :sur le schma prsent, on voit apparatre 3 sources dions ammonium :1 - Lazote de lair est absorb par des bactries dans le sol grce une enzyme appele la nitrognase. Elles

produisent des ions ammonium partir de lazote et de lhydrogne de leau contenue dans le sol.


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2 - Certaines de ces bactries vivent en symbiose avec les plantes produisant galement des ions ammonium. Cesderniers peuvent aussi provenir de la dcomposition dorganismes morts par des bactries.3 - Dans les sols bien oxygns, des bactries transforment les ions ammonium NH

4+en nitrites NO

2- puis en

nitrates NO3-.

Grce leurs racines, les vgtaux absorbent les nitrates et les incorporent dans les acides amins et les protines.

Les vgtaux constituent ainsi la source primaire dazote assimilable par les animaux.

On retrouve le cycle de lazote dans lquilibre dun aquarium.

P :malheureusement tous les sols ne sont pas fertiles. Citez diffrentes catgories de terre que vous connaissez.Rapportez les chantillons varis de sol que vous trouvez.E :la terre du jardin.P :comment rendre une terre fertile ?E :en ajoutant des engrais.P :bien. Connaissez-vous des engrais ?E :diverses rponses : or brun , fumier.P :bien. Dautres engrais naturels proviennent des algues, du compost qui est le produit de la dcomposition desvgtaux. Daprs ce qui a t dit prcdemment sur les besoins des plantes, que doit contenir un engrais ?E :azote, potassium, phosphore.

P :oui. Voici un tableau donnant les quantits en pourcentage de chaque lment azote N, phosphore P, potassiumK, dans diffrents types dengrais. Que constatez-vous ?

Engrais Fumierde

vache

Fumierde

cheval

Fumierde porc

Fumierde

poule

Fumierde

mouton

Fumierde lapin

Guano Cendresde bois

Os Farinede

poisson

% azote 4 6 4 23 8 24 10 0 4 9

%phosphore

1 1 1 10 1 5 13 1 20 12

%

potassium

4 5 5 17 7 0,5 2 10 0 4

E :rponses varies.P :on voit que les diffrents engrais naturels prsentent des pourcentages trs varis des lments essentiels N(azote), K (potassium), P (phosphore). Dans le cycle de lazote, on voit apparatre le mot nitrate. Avez-vous djentendu ce mot ?E :diverses rponses.P :pour ceux qui ont rpondu que ce sont des polluants ou quils fabriquent des algues vertes sur les plages enBretagne, vous avez raison. En effet, lexcs de nitrates est mauvais, non seulement pour lhomme mais aussi pourla nature : il provoque le dveloppement anarchique de certaines plantes comme les algues vertes. Il est doncprimordial de bien doser la quantit dengrais strictement ncessaire. Le sol se comporte exactement comme un

tre humain : quand on le nourrit trop, il rejette lexcs de nourriture.


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II LES CULTURES HYDROPONIQUES ET LA PRODUCTION DE MEDICAMENTS

Onmontre comment les vgtaux peuvent fournir des mdicaments naturels bnques pour la sant delhomme.

On va tout dabord discuter de la possibilit de cultiver les plantes sans terre.

P :Lexistence de terres peu fertiles a conduit dvelopper des cultures sans terre ou hors sol depuis lAntiquit.Les jardins suspendus de Babylone en sont un exemple. Les chinois utilisent encore des techniques millnaires surgravier.La culture hors sol moderne est ne en Allemagne au XIXesicle dans le cadre de la recherche universitaire ande dcouvrir de quoi se nourrissaient les plantes. Pour cela il fallait mettre en place un processus de culture sansterre sur des supports inertes dans lesquels les racines sont nourries par les sels minraux apports par leau delarrosage. Ainsi naquit lhydroponie (du grec hudr = eau et ponos = travail, peine, fruit du travail).A lheure actuelle, la culture hors sol est pratique en agriculture sur des millions dhectares dans le monde.

Recherchez auprs de votre entourage des exemples de culture hors sol.E :les tomates, les concombres, les poivrons, les carottes cultivs en serre.P :oui. Cest aussi le cas de la majorit des eurs coupes.P :daprs ce qui a t dit prcdemment, de quoi a-t-on besoin pour faire de la culture hors sol ?E :rponses varies.P : dun support et dune solution aqueuse contenant des sels minraux ; il faut galement une tempratureconvenable et de la lumire. Nous allons (ou vous allez) nous rendre dans une jardinerie pour connatre lesdiffrents types de substrats et en faire la liste.E :le substrat doit tre neutre. Ce peut tre des billes dargile, du sable ou de la laine de roche, de la perlite quiressemble la litire pour chats, des bres de coco fabriques partir de lcorce de noix de coco. La solutionnutritive est ajoute par un systme de goutte--goutte ou en continu.P :(en dbut danne). Apporter 2 plants de tomate, 2 pots remplis de terre, un substrat et une solution nutritive.

Faire pousser les 2 plants et observer la diffrence de croissance des plants de tomates dans la terre et enhydroponie tout au long de lanne. Quels sont les avantages du systme hydroponique ?

Le schma ci-dessous montre la culture hydroponique de tomates.

Certaines plantes sont cultives en hydroponie pour extraire des mdicaments de leurs racines. Cest lecas de lif.P :recherchez les ifs dans votre environnement et en rapporter des chantillons. Dcrire larbuste.

E :tiges avec des pines et des baies rouges.


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P :savez-vous ce que signie le terme extraction ? Connaissez-vous des exemples dextraction ?E :exemple dextraction dune dent, dune balle ?P :oui, mais on extrait aussi le charbon des mines, le ptrole de la terre. Dans la vie quotidienne, on pratiquecouramment l extraction du caf ou du th.Faire lexprience suivante : un groupe dlves met chauffer dans une casserole de leau avec de la poudre

de caf. Aprs quelques minutes lbullition, ltrer le mlange sur un ltre caf. Un autre groupe trempe unsachet de th dans un verre deau chaude puis aprs quelques minutes enlve le sachet.Que constatez-vous ?E :leau est colore en marron dans les 2 cas, mais plus claire pour le th.P :oui, on dit que leau chaude a extrait du caf ou du th des substances comme la cafine, des tanins, et autres.La cafine est responsable de leffet excitant du caf et du th (autrefois, on parlait de thine pour nommer lasubstance excitante du th, mais en ralit ltude de sa structure a montr quelle tait identique celle de lacafine). Projeter les vues dun cafier et dun thier. Le tableau montre les quantits de cafine contenue dansles vgtaux et les boissons que nous consommons.

Produit vgtal % de cafine du poids sec

Graine darabica 1,1

Graine de robusta 2,2

Fve de cacao 0,1 0,4

Graine de guarana 2 4,5

Noix de kola 1 3,5

Feuille de th 2,5 5

Feuille de mat 0,3 1,7

Boisson Portion Cafine par portion(en mg) Cafine par litre(en mg)

Chocolat noir 1 barre (43 g) 31

Chocolat au lait 1 barre (43 g) 10

Chocolat chaud 207 ml 52 250

Caf moulu 207 ml 80 135 386 652

Caf ltre 207 ml 115 175 555 845

Caf dcafin 207 ml 5 24

Caf expresso 44 60 ml 100 1 691 2 254

Th vert ou noir 177 ml 30 53 169

Coca-Cola 355 ml 46 129

Red Bull 250 ml 80 320

Quels commentaires pouvez-vous faire ?E :le coca-cola et le red bull contiennent plus de cafine que le th. Dautre part, les feuilles de th contiennentplus de cafine que le caf en grains, mais une tasse de th en contient moins quune tasse de caf.P :cest vrai. On peut expliquer ce phnomne par une moins grande infusion des feuilles de th que de la poudrede caf, ainsi que du fait que les feuilles de th contiennent plus de tanins et dautres substances qui adouciraientla boisson. De plus, le caf est ramass vert, puis est grill avant dtre consomm. De ce fait, il perd beaucoup desa cafine. Enn, selon lorigine du caf (arabica ou robusta), les quantits de cafine ne sont pas les mmes.P :comment produire le caf dcafin ?E :on peut extraire la cafine.


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P :cest bien, mais comment ?E :?P :Diffrents procds ont t mis au point : avec un solvant organique qui dissout la cafine et permet donc delextraire (cest ce quon appelle lextraction par solvant), avec le dioxyde de carbone CO

2que lon fait agir

trs basse temprature (cest ce quon appelle la lyophilisation).

Dans le cas des plantes cultives par la technique du hors sol ( hydroponie), on extrait des mdicaments desracines des plantes cultives.

Pourtant, en gnral les principes actifs sont extraits des feuilles des vgtaux.P :pourquoi traiter les racines plutt que les feuilles ?E :?P :pour extraire partir des feuilles, il faut couper les arbres donc le processus est destructif car la pousse desarbres est lente.Par contre dans le processus dextraction en continu des racines il ny a pas de destruction et la plante peutcontinuer vivre. On peut recommencer le processus.P :quel est le rle dun mdicament ?

E :cest de soigner une maladie. On donne le produit au malade pour lutter contre une infection par exemple.P :pouvez-vous citer des exemples o une espce (animale ou vgtale) produit une substance pour lutter contreune attaque extrieure ?E :rponses varies.P :ceux qui ont rpondu les globules blancs ont raison. Les globules blancs sont produits chez lhomme pour luttercontre une infection.On fait donc la mme chose avec la plante. On introduit dans la solution nutritive des champignons pathognesqui vont simuler lattaque dun parasite. Pour repousser lattaque, la plante se dfend en produisant des espcesappeles mtabolites, lesquelles permettent de soigner un certain nombre de maladies, comme leczma, certainscancers, linsufsance cardiaque, etc. On na donc plus qu extraire ces mtabolites de la solution nutritive en trayant la plante comme on trait une vache pour obtenir le lait. Cest ce quon appelle la traite des

plantes.

Pour extraire le produit des racines, il est ncessaire dutiliser un produit appel tensioactifquon ajoute dansla solution nutritive. Ce produit rend permables les parois des racines et permet de rcuprer de 20 80 % desmtabolites contenus dans les racines.On va raliser des expriences qui vont nous permettre de visualiser les extraordinaires proprits de cescomposs.

Un tensioactif est un compos capable de modier la tension supercielle de leau. La surface de leau secomporte en effet comme une membrane de tambour, cest--dire quelle peut supporter des objets. Si lonintroduit un produit tensioactif, comme du liquide vaisselle par exemple, dans une solution, celui-ci se place la surface de leau (et remplace la membrane de tambour). Elle ne peut donc plus rien supporter : les propritsde leau ont chang.

Deux expriences simples peuvent illustrer ces proprits : Les pingles qui ottent et qui coulent.On prend un saladier quon remplit deau. On dpose sur leau une pingle bien sche pose sur une feuille depapier cigarette. Le papier se mouille et coule, lpingle otte. La surface de leau se comporte comme unemembrane de tambour ; les forces de tension supercielle de leau sont sufsantes pour quilibrer le poids delpingle. On fait la mme chose avec 4 ou 5 pingles qui ottent sur la surface de leau. On ajoute alors unegoutte de liquide vaisselle (il vaut mieux le diluer auparavant). On constate que toutes les pingles coulent, plusou moins vite selon la diffusion du tensioactif en solution. Le tensioactif a remplac la membrane de tambour. Le poivre (ou le safran) qui a peur du tensioactif mais qui aime le sucre.On prend un verre deau, et on saupoudre la surface avec du poivre (ou du safran, cest plus joli). Celui-ci otte la surface. On ajoute une goutte de liquide vaisselle au centre du verre : le poivre (ou le safran) se sauve sur lescts. Conclusion : le poivre a peur du tensioactif ! En fait, le tensioactif recouvre la surface et repousse les objetsottant en surface. Si on trempe un morceau de sucre juste la surface, le poivre (ou le safran) revient vers lesucre. Conclusion : le poivre aime le sucre ! En fait, le sucre absorbe le tensioactif en surface. Le poivre revient.

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