Pourquoi les légumes givrés deviennent-ils plus sucrés ?
― Le sucre sert à retenir l’eau pour ne pas geler
Les légumes d’hiver sont plus sucrés. Les agriculteurs le savent depuis longtemps, et certains exposent même volontairement leurs légumes à l’air froid. En réalité, cette douceur n’est pas faite pour nous. Le légume la fabrique lui-même, pour protéger ses cellules du gel.
Un matin de décembre, tout le champ est blanc de givre. Les feuilles d’épinard sont plaquées contre le sol, un peu frisées, et leur couleur est plus foncée.
Une fois cuits, ces épinards sont si sucrés qu’on dirait un autre légume que celui de l’été. Le radis daïkon et le chou, eux aussi, seraient meilleurs après quelques gelées.
C’est le légume qui a eu froid, alors pourquoi devient-il plus sucré ? Et pourquoi la feuille gelée est-elle encore bien vivante une fois dégelée ?
Deux raisons seulement
Le légume décompose l’amidon qu’il avait mis en réserve pour le changer en sucre. Par temps froid, il en brûle aussi moins en respirant : le sucre s’accumule donc de plus en plus.
Sous zéro, c’est autour des cellules que la glace se forme d’abord. Cette glace cherche à tirer l’eau de l’intérieur, et le sucre dissous la retient.
Autrement dit, la douceur est le « vêtement chaud » du légume. Nous profitons simplement de ses restes, et nous nous régalons.
Au froid, le légume se met à fabriquer du sucre
Épinards et radis daïkon stockent sous forme d’amidon les nutriments produits par la photosynthèse. L’amidon est un gros grain formé de nombreuses molécules de sucre reliées entre elles. Sous cette forme, la langue n’y perçoit aucune douceur.
Quand la température baisse, des enzymes du légume découpent l’amidon en petits morceaux et le transforment en sucre. En même temps, le froid ralentit la respiration, donc le légume brûle moins de sucre. Le jour, la photosynthèse en produit ; la nuit, il en consomme peu. Cet écart s’accumule et rend le légume plus sucré.
Ce changement se fait, dit-on, sur plusieurs jours à plusieurs semaines après l’exposition au froid. Une seule nuit de gel ne suffit pas à sucrer un légume d’un coup. Au fil des journées froides qui se répètent, il met peu à peu en place sa « préparation à l’hiver ».
Pourquoi le sucre peut-il protéger les cellules ?
C’est le point le plus surprenant de cette histoire. On dit souvent que l’eau sucrée gèle plus difficilement que l’eau pure. Mais avec la concentration du jus d’un légume, la température de début de congélation baisse de moins de 1 °C. Pour une nuit de gel à −5 °C, cela ne suffit pas.
Ce qui se passe réellement est autre chose. Sous zéro, c’est d’abord l’eau située dans les espaces entre les cellules qui gèle. La glace a la propriété d’attirer l’eau qui l’entoure. L’eau de l’intérieur des cellules traverse donc la paroi pour rejoindre la glace à l’extérieur.
Regardez la figure 1. À gauche, une cellule de feuille ordinaire ; à droite, une cellule exposée au froid qui a accumulé deux fois plus de sucre. Des deux côtés, de la glace se forme à l’extérieur et l’eau sort dans le sens des flèches. Mais la quantité d’eau qui reste à l’intérieur n’est pas la même.
Plus il y a de substances dissoutes à l’intérieur, plus la cellule a du mal à lâcher son eau. Avec deux fois plus de sucre, il reste environ deux fois plus d’eau pour le même froid. Une cellule trop déshydratée se ratatine, s’abîme et ne retrouve pas sa forme au dégel. Le sucre la retient juste avant ce point de non-retour.
On pense aussi que le sucre protège la membrane de la cellule contre le dessèchement. Combiné à l’abaissement de la température de congélation, cela forme une protection à plusieurs niveaux.
Dans la région du Tohoku, au Japon, s’est répandue une méthode de culture : on cultive les épinards en serre en hiver, puis, avant la récolte, on les expose volontairement à l’air froid. On ouvre les côtés de la serre et on les laisse passer plusieurs jours de froid. On a rapporté des cas où la teneur en sucre atteint ainsi environ le double de celle d’un légume cultivé normalement. À Hokkaido et ailleurs, il existe aussi des « légumes d’hiver » : choux et carottes cultivés à l’automne, laissés sous la neige, puis déterrés en hiver.
À la température d’un réfrigérateur, la pomme de terre aussi transforme son amidon en sucre. Elle devient plus sucrée, mais ce sucre brunit plus facilement à la friture ou à la cuisson. Les parties brunies produiraient plus facilement des substances néfastes pour la santé ; il vaut donc mieux conserver les pommes de terre dans un endroit frais et sombre.
En résumé
Les légumes givrés sont sucrés parce que, sentant le froid, ils transforment leur amidon en sucre et l’accumulent. Ce sucre empêche l’eau de quitter les cellules sous zéro et les protège du gel. Les agriculteurs connaissent cette propriété et exposent volontairement leurs légumes au froid pour les rendre plus sucrés.
La douceur des légumes d’hiver est une préparation pour ne pas geler.
Nous dégustons simplement ce « vêtement chaud ».
L’histoire de l’eau qu’on répand sur les champs pour qu’elle gèle et dégage de la chaleur, protégeant ainsi les cultures, est racontée dans « Pourquoi les agriculteurs arrosent-ils leurs champs les nuits de gel ? », et les différences de nutriments selon les saisons dans « Les légumes de saison sont-ils vraiment plus nutritifs ? ». Pour savoir comment la patate douce fabrique du sucre à la cuisson, rendez-vous à « Pourquoi la patate douce rôtie est-elle si sucrée sans sucre ajouté ? ».
- Préparez deux verres identiques. Versez dans l’un de l’eau seule, dans l’autre la même quantité d’eau où vous avez dissous deux grandes cuillères de sucre.
- Mettez-les côte à côte au congélateur et regardez toutes les 30 minutes : comparez l’heure à laquelle une couche de glace commence à se former en surface.
- Quand l’hiver sera là, goûtez, crus et en petits morceaux, le pied d’un épinard du champ après la gelée et celui d’un épinard d’été, puis comparez.
L’eau sucrée devrait commencer à geler un peu plus tard. Mais l’écart est faible. Rappelez-vous que ce qui protège le légume, c’est moins la résistance au gel que la « rétention de l’eau ». Lavez bien les légumes que vous mangez crus.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours universitaires spécialisés
- CollègeAu programme de sciences du collège japonais
- LycéeAu programme de « chimie » et de « biologie » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Non vu au lycée : cours universitaires spécialisés (physiologie végétale, biologie du froid)
- RechercheMême à l’université, ce n’est pas enseigné comme acquis : les chercheurs l’étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Acclimatation au froid : le fait qu’une plante, après plusieurs jours de froid, devienne plus résistante au gel. L’accumulation de sucre en fait partie.
- Congélation extracellulaire : l’eau gèle d’abord dans les espaces entre les cellules, et non à l’intérieur. Les plantes résistantes au froid survivent en gelant de cette façon.
- Abaissement du point de congélation : quand une substance est dissoute dans l’eau, la température de début de congélation baisse. Elle dépend du nombre de particules dissoutes.
- Kanjime (durcissement par le froid) : méthode de culture qui expose volontairement les légumes au froid avant la récolte pour augmenter leur teneur en sucre, entre autres.
CollègeLycéeVérifier par une formule : combien d’eau reste-t-il dans la cellule ?
Estimons la proportion d’eau qui reste dans la cellule lors d’une nuit de gel à −5 °C. On traite le jus de la cellule comme une solution aqueuse où sont dissous des sucres, dans un modèle simple.
| En symboles | ΔT ＝ Kf × m ／ proportion d’eau restante ＝ m0 ÷ ( ΔT ÷ Kf ) |
| En mots | Baisse de la température de congélation ＝ constante × concentration des substances dissoutes. Proportion d’eau restante ＝ concentration initiale ÷ concentration à l’équilibre avec la glace |
| D’où vient-elle ? | C’est la formule de l’abaissement du point de congélation. Quand il y a de la glace à l’extérieur, l’eau de l’intérieur sort jusqu’à atteindre « la concentration en équilibre avec la glace à cette température ». La quantité de sucre dissous ne change pas : seule la quantité d’eau diminue. |
| ΔT | Baisse de température par rapport à 0 °C (en °C) |
| Kf | Constante cryoscopique de l’eau : 1,86 (en °C·kg/mol) |
| m | Quantité de particules dissoutes par kg d’eau (en mol/kg) |
| m0 | Concentration initiale du jus de la cellule avant le gel (en mol/kg) |
| Constante cryoscopique de l’eau | 1.86 ℃・kg/mol |
| Concentration du jus d’une feuille ordinaire (valeur supposée) | 0.3 mol/kg |
| Feuille exposée au froid, plus riche en sucre (valeur supposée) | 0.6 mol/kg |
| Température de la nuit de gel | −5 °C (baisse de 5 °C) |
| Baisse du point de congélation d’une feuille ordinaire | 1.86 × 0.3 ≒ 0.56 ℃ |
| Baisse pour une feuille avec deux fois plus de sucre | 1.86 × 0.6 ≒ 1.12 ℃ |
| Concentration en équilibre avec la glace à −5 °C | 5 ÷ 1.86 ≒ 2.69 mol/kg |
| Proportion d’eau restant dans une feuille ordinaire | 0.3 ÷ 2.69 ≒ 0.11 |
| Proportion d’eau restant dans une feuille à sucre ×2 | 0.6 ÷ 2.69 ≒ 0.22 |
| Rapport des eaux restantes | 0.22 ÷ 0.11 ＝ 2 |
Même avec deux fois plus de sucre, la température de début de congélation ne baisse que d’environ 1 °C. Par une nuit à −5 °C, les deux cellules finissent par geler depuis l’extérieur. La différence tient à la quantité d’eau qui reste. La feuille ordinaire n’en garde qu’environ 1/10, la feuille riche en sucre environ 2/10. Les chiffres de la figure 1 sont calculés avec cette même formule.
LycéeLycée+Comment l’amidon devient sucre, et la pression osmotique
LycéeL’amidon est une longue chaîne de glucose. Coupé par des enzymes comme l’amylase, il donne du maltose et du glucose. Dans la plante, ces sucres sont ensuite réarrangés, notamment en saccharose (le même composé que le sucre de table), et stockés. Quand un grain d’amidon est découpé en sucres, le nombre de particules dissoutes est multiplié par des centaines. Comme l’abaissement du point de congélation et la pression osmotique dépendent du nombre de particules, il est utile de casser les gros grains.
Lycée+Les propriétés comme l’abaissement du point de congélation ou la pression osmotique, qui ne dépendent pas de la nature des substances dissoutes mais seulement du nombre de particules, s’appellent des propriétés colligatives. Le passage de l’eau de la cellule vers la glace se poursuit jusqu’à ce que la « tendance de l’eau à s’échapper » soit égale dans la cellule et dans la glace extérieure. La formule ci-dessus est une approximation de cette condition d’égalité pour une solution diluée.
Univ.Congélation extracellulaire et déshydratation due au gel
En physiologie végétale et en biologie du froid, on explique que la plupart des plantes résistantes au froid passent l’hiver grâce à la congélation extracellulaire. La principale cause des dégâts subis par les cellules serait moins la glace elle-même que la déshydratation provoquée par le gel et la déformation de la membrane cellulaire qui l’accompagne. On sait que chez les plantes acclimatées au froid, outre les sucres, augmentent aussi des acides aminés comme la proline et des protéines antigel qui gênent la croissance des gros cristaux de glace. La formule ci-dessus est une approximation de solution idéale ; le jus d’une vraie cellule étant concentré, les valeurs réelles s’en écartent un peu.
📖 Dérivation de la formule et suite : Abaissement du point de congélation (Wikipédia, en japonais) ／ Propriétés colligatives (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu’on ne comprend pas encore bien
- Où la plante sent-elle le froid ? On pense que des changements, comme la rigidité de la membrane cellulaire, servent de signal, mais l’identité du premier « thermomètre » fait encore débat.
- Quelle part de la protection revient à chaque mécanisme ? Sucres, acides aminés, protéines antigel, remplacement de composants de la membrane… la protection est multiple. On pense que la contribution de chacun varie selon les espèces.
- Comment concilier douceur et résistance au froid ? Des recherches se poursuivent, par la sélection de variétés et des techniques de culture, pour obtenir des légumes à la fois résistants aux gelées et savoureux.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, une « explication dans l’état actuel des connaissances ». En particulier, la figure 1 et la formule sont des modèles simples pour comprendre le mécanisme.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1er domaine « Solutions aqueuses » ; 2e domaine « Structure et fonctions des plantes » | Amidon et sucre, photosynthèse et respiration |
| Lycée | Chimie « Propriétés des solutions » ; biologie « Métabolisme » | Abaissement du point de congélation, décomposition de l’amidon par les enzymes |
| Lycée+ | Chimie (approfondissement) | Propriétés colligatives, équilibre glace–eau |
| Univ. | Physiologie végétale, biologie du froid | Congélation extracellulaire, déshydratation due au gel, acclimatation au froid |
| Recherche | Réponses des plantes à l’environnement | Mécanisme de perception du froid, poids de chaque protection |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Douceur des légumes d’hiver, kanjime, conservation des pommes de terre |
- Wikipédia (japonais), « 凝固点降下 » (abaissement du point de congélation)
- Wikipédia (japonais), « 浸透圧 » (pression osmotique)
- Wikipédia (japonais), « 不凍タンパク質 » (protéines antigel)
- Akira Sakai (酒井昭), 『植物の耐凍性と寒冷適応 ― 冬の生理・生態学』 (Résistance au gel et adaptation au froid des plantes : physiologie et écologie de l’hiver), Gakkai Shuppan Center (学会出版センター)
- National Agriculture and Food Research Organization (農研機構), Tohoku Agricultural Research Center (東北農業研究センター) : résultats de recherche et documents de culture sur les épinards « kanjime » (「寒締めほうれんそう」)
- Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries (農林水産省), « 食品中のアクリルアミドに関する情報 » (informations sur l’acrylamide dans les aliments ; conservation des pommes de terre)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour faciliter la compréhension. La concentration du jus des cellules est une valeur supposée ; la teneur réelle en sucre et la résistance au froid des légumes varient beaucoup selon les variétés et les conditions de culture.