Faire expériences en chimie pour catalyser la construction de savoirs sur des colorants de végétaux tropicaux : récit et portée éducative d’un itinéraire d’enseignement-apprentissage

* Enseignante-chercheuse - Université des Antilles
** Professeure de physique-chimie – Académie de la Guadeloupe

Introduction

Identifier des plantes pourvoyeuses de colorants et en extraire la substance chromophore est un savoir-faire précieux pour nos sociétés, en particulier leurs industries pharmacologique, cosmétique, agro-alimentaire, textile, de peinture, revêtements et plastifiants pour les emballages. En réponse aux dégâts environnementaux générés par certaines d’entre elles, et face à la défiance des consommateurs pour des substances artificielles suspectées d’être toxiques pour la santé (allergénicité, désordres neurologiques, possible carcinogenèse), des colorants naturels sont des options de substitution de qualité pour la santé humaine et environnementale (Amchova 2024). La couleur bleue est particulièrement recherchée pour sa rareté : seulement 10 % des angiospermes en possèdent. En plus d’être des vecteurs d’esthétique et d’attrait au niveau marketing, ces colorants naturels ouvrent un champ d’applications en sciences chimiques et pharmacologiques et en technologie. On connaît des sondes indicatrices de pH, des agents biologiques en cosmétologie et en pharmacologie, ou des indicateurs de péremption en agroalimentaire (Ahmad 2020). Aussi, de nouvelles molécules ayant la qualité de colorants sont activement recherchées par les industriels.

Aux Antilles françaises, territoires reconnus à haut niveau de biodiversité, les fleurs de Clitoria ternatea (Figure 1a et 1b) sont intégrées à l’alimentation. En sa qualité de légumineuse de la famille des Fabacées, elle possède le pouvoir d’enrichir les sols en azote (engrais naturel) et donc de participer à la restauration de sols dégradés. C’est l’argument de l’agronome Stehlé (1953) qui milite pour son utilisation contre l’érosion des sols dans ces territoires fortement exposés à ce facteur.

Cette plante a un statut biogéographique de plante introduite selon l’Inventaire National du Patrimoine Naturel [1]. On lui connaît une autre référence locale dans les champs conjoints de l’anthropologie et l’éducation évoquant des usages sociaux (Durizot 2008), mais c’est au cours des années succédant à 2020 que le tissu agro-alimentaire local met sur le marché des produits de consommation intégrant cette ressource et que la notoriété de la plante se construit en Guadeloupe (Figure 1c).

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Figure 1 : Buisson (a) ; fleurs (b) de Clitoria ternatea ; produits de consommation : sirop, infusion glacée (c) – Photos de R. Dondon Zou novembre 2024.

Au-delà d’une valeur esthétique liée à la couleur d’un bleu intense de ses fleurs, ce végétal fait l’objet de nombreuses publications dans la littérature scientifique pour son spectre pharmacologique étendu (Prabawati 2021). Cette plus-value pour le maintien de la santé (notamment les actions anti-oxydante, antibactérienne, hypoglycémiante) contribue à faire de Clitoria ternatea un nutraceutique (ou alicament) de choix. Une seconde plante étudiée est Hibiscus rosa sinensis (Figure 2) qui est plus connue et d’implantation plus ancienne dans le territoire.

Figure 2 : Fleurs d’Hibiscus rosa sinensis - Photos de R. Dondon Zou novembre 2024

Cet article vise à explorer le caractère innovant d’un enseignement-apprentissage de notions de chimie à l’aide de ces deux plantes locales et par le biais de l’itinéraire pédagogique co-construit. Il veut montrer en quoi ces deux plantes, par les fonctions chimiques assumées par leurs colorants, peuvent enrichir le panel des indicateurs colorés classiquement utilisés. Certains d’entre eux, issus de l’industrie de synthèse chimique, présentent des impacts négatifs pour la santé humaine et environnementale. Ce dispositif contribue aussi à construire la notion chimique d’indicateur coloré, et implicitement de la notion de pH qui peut être qualifié d’acide ou basique en l’absence de mesure physique de la grandeur. Il permet de travailler aussi la notion de colorimétrie comme technique sensorielle -car l’œil est un instrument de mesure-, et de gamme colorimétrique.

Dans un premier temps, il s’agira de décrire la situation d’enseignement-apprentissage co-construite et réalisée par la professeure, visant à la découverte du caractère acidobasique des colorants et la mise en application du concept chimique d’indicateur coloré.

En second lieu, les échanges verbaux lors de la conférence interactive seront dans le but de tracer les savoirs disciplinaires et culturels présents chez les élèves portant, sans exhaustivité, sur la connaissance de ces plantes, leurs usages, les fonctions chimiques découvertes par eux sur les colorants de ces plantes, l’importance des colorants pour la santé humaine. La signature des éducations transversales dans ce dispositif sera discutée, en particulier les liens de cette situation éducative avec les ressources et enjeux du territoire.

Contexte de l’étude

La professeure de physique-chimie a effectué un master en chimie en 2021-2022 et a réalisé son stage au laboratoire COVACHIM-M2E. La rencontre au sein de ce laboratoire avec l’enseignante- chercheuse, par ailleurs formatrice en INSPé (Institut National Supérieur du Professorat et de l’Education) a été le catalyseur de la réflexion. Elle a donné naissance à la collaboration praticienne-chercheuse, clé de voûte du projet rapporté dans cet article. La professeure est la seule enseignante de cette discipline dans l’EPLE concerné, le collège Matéliane [2] qui accueille 278 élèves dans la commune de Goyave en Basse-Terre. Dans cet établissement, un jardin créole avait été installé début 2022 à l’initiative de la professeure de physique-chimie, mais faute d’entretien, il a périclité pendant les congés de juillet-août. C’est en discutant de ce sujet que l’idée de faire de la chimie sur des ressources locales nous est venue. Ce projet est destiné aux classes de troisième dont l’enseignante a la charge depuis plusieurs années. Il s’agit d’une situation d’enseignement-apprentissage (désignée dans la suite par le sigle SEA) proposée dans le cadre de la Fête de la Science 2022.

A la suite de plusieurs séances de travail entre juin et novembre, un atelier expérimental sur des plantes à colorants suivi d’une webconférence d’une heure est le diptyque adressé à l’ensemble des élèves (3 classes réunies). La SEA est instrumentée par une démarche d’investigation scientifique et un protocole expérimental. Le projet a été retravaillé entre juin et novembre 2024 en vue de la Fête de la Science 2024. Cette nouvelle entreprise vise à creuser davantage les fondements épistémologiques et didactiques de la SEA, et mieux articuler l’atelier et la conférence. Les trois objectifs d’apprentissage du combo sont la connaissance de l’existence de colorants dans des plantes familières des élèves, l’attribution du caractère d’indicateur coloré à ces colorants, la découverte des propriétés pharmacologiques et technologiques de ces plantes en sus des propriétés chimiques. Un diaporama Powerpoint a été utilisé comme support de la conférence interactive délivrée cette fois-ci en présentiel le 19/11/2024 au Collège Matéliane de Goyave entre 11h30 et 12h30. Il n’a pas été possible de réunir l’ensemble des trois classes qui a pratiqué l’atelier par groupes de 12-15 élèves. Seule la classe de 3ème B (25 élèves) est présente.

Récit de la mise en place et du déroulement de la SEA (session 2024)

Le thème du programme de chimie ciblé s’intitule « Organisation et transformation de la matière ». L’item « Identifier le caractère acide ou basique d’une solution par mesure de pH » [3] est la cible de la SEA.

a. Compétences ciblées
Dans la mise en œuvre de la SEA, les compétences ciblées chez les élèves sont :

• cognitives : mobilisation de pré-requis (notion d’indicateur coloré, notion de pH, solutions acide, basique, neutre, connaissance du papier pH), raisonnement par analogie avec le chou rouge, planification de tâches expérimentales, pratique d’une démarche scientifique.

• expérimentales : fabrication des solutions de la gamme colorimétrique, manipulation du papier pH, organisation et gestion du plan de travail

• socio-comportementales : organisation du travail en groupe (répartition des tâches, communication entre pairs), échanges avec la professeure, communication des résultats au groupe-classe

b. Recueil et transformation du matériel végétal
Les fleurs de Clitoria ternatea (CT) et d’Hibiscus rosa sinensis (HRS) ont été cueillies le 18/11/2024 entre 12h et 13h respectivement au Lycée agricole (Jabrun) et en bord de route au lieu-dit Vénus, dans la ville de Baie-Mahault. Selon les protocoles de Vidana Gamage (2021) et Petkova (2021), les jus ont été fabriqués en chauffant de l’eau du robinet de la commune de Petit-Bourg jusqu’à 60°C et en y plongeant les fleurs pendant 1h. Les solutions sont filtrées. Les jus sont ensuite laissés à refroidir, puis conservés au réfrigérateur (5°C) jusqu’au lendemain matin.

c. Récit du déroulement de l’atelier (12 élèves)
Les consignes de sécurité sont : ne pas goûter les solutions, nettoyer le matériel après la manipulation, éviter le contact du vinaigre et du bicarbonate avec les yeux. L’introduction de la situation-problème se fait ainsi : les élèves s’approprient le document de travail pendant 15 mn. Un focus sur les prérequis est initié par la professeure : « le chou rouge change de couleur selon le pH. Nos fleurs locales (Clitoria, Hibiscus) réagissent-elles comme le chou-rouge ? » Après discussion, la problématique est énoncée par la professeure : « Des extraits de fleurs locales (Clitoria et Hibiscus) peuvent-ils changer de couleur comme la solution de chou rouge ? » Des élèves formulent l’hypothèse qu’avec les réactifs proposés, il sera possible d’obtenir un changement de couleur de la solution initialement bleue de CT. Le protocole correspondant figure ci-dessous (Figure 3) :

La mise en recherche des élèves se fait selon une répartition de 3 groupes de 4. Le matériel attribué à chaque groupe est : 100 mL de solution de fleurs de Clitoria, 100 mL de solution de fleurs d’Hibiscus, 4 béchers ou 4 tubes à essais, eau distillée, citron, vinaigre, solution de bicarbonate de soude, pipette. Les groupes d’élèves utilisent tour à tour les deux extraits de plante.

Dans la phase d’expérimentation, les élèves versent 20 mL d’extraits de CT ou d’HRS dans 4 béchers. Ils ajoutent 5 gouttes de ces extraits dans chacun des 4 béchers contenant les solutions de jus de citron, vinaigre, eau distillée, bicarbonate de soude.

De l’interprétation conduite après mise en commun des résultats des élèves, il vient que les fleurs de CT et d’HRS contiennent des pigments appelés anthocyanes qui changent de couleur selon le pH. La conclusion de l’expérimentation est que « les extraits de fleurs locales de Clitoria et d’Hibiscus peuvent servir d’indicateurs colorés naturels, car leur couleur varie selon le pH. Les anthocyanes sont responsables de ce changement. »

Récit du déroulement de la conférence

La conférence de l’universitaire est intitulée « Booste ta chimie avec les couleurs végétales ». Son objectif premier est la structuration des savoirs conceptuels eu égard à l’alerte de Perron (2020) portant sur l’absence de savoirs conceptuels dans certaines démarches d’investigation. Elle ambitionne aussi la construction d’une culture scientifique et technologique inhérente à ces savoirs ancrés dans des ressources concrètes de l’environnement géographique des élèves. Les savoirs de quelques élèves ont été consolidés ou construits au fil des échanges ; ces processus de renforcement ou d’acquisition sont repérés dans les éléments déclarés verbalement et retranscrits ci-dessous de l’enseignante-chercheuse (EC) et des élèves (ELE). Lorsque l’auteur.rice d’un propos est identifié.e dans la salle, cette personne est désignée par ELE 1, ELE 2, etc… Si le propos a été entendu sans reconnaître la personne source, la mention ELE sera adoptée. Enfin, lorsque le groupe-classe est concerné dans son ensemble (comportement, réaction commune à tous les élèves), l’annotation GC sera retenue. L’énoncé des verbatim est déroulé dans la chronologie des paragraphes successifs de la conférence : éléments botaniques et pharmacologiques de CT, retour sur l’atelier avec CT et HRS, colorants artificiels et naturels, applications technologiques de CT.

1. Eléments botaniques et pharmacologiques de CT

L’origine et la répartition actuelle de la plante sont évoquées. La participation des plantes au phénomène de mondialisation est soulignée pour expliquer l’étendue de leurs implantations. Un sondage verbal est ensuite lancé avec la question suivante :

EC : « qui connaissait Clitoria ternatea avant la séance d’aujourd’hui ? »

GC : pas de réponse

Les propriétés médicinales de CT sont mises en exergue. Des travaux stipulent que la plante possède une propriété hypoglycémiante (Fu 2021), ce qui est annoncé aux élèves en confrontant cela à la forte prévalence du diabète de type 2 aux Antilles françaises.

La diapositive de synthèse retient trois propriétés essentielles pour la santé humaine, à savoir hypoglycémiante, antibactérienne et, soulignée en rouge, l’activité anti-oxydante. Celle-ci est ensuite expliquée en partant de l’injonction en santé publique de consommer 5 fruits et légumes par jour, puis en signalant que les épices et plantes aromatiques sont aussi sources d’anti-oxydants. Parmi ces épices figure le curcuma (Curcuma longa).

ELE 1 : « ma tante fait du jus de curcuma le matin »

EC : rappel de la nécessité d’augmenter la biodisponibilité de la curcumine avec l’ajout de poivre noir, de gingembre ou de piment. L’ELE 1 indique que sa tante ajoute du gingembre à l’infusion de curcuma.

ELE 2 signale qu’il n’aime pas le clou de girofle. L’intérêt en santé dentaire de cette ressource est cité par l’EC. Elle explique que compte-tenu de la biodiversité existante au sein des sources d’anti-oxydants, il est possible de trouver des aliments convenant à tout un chacun.

2. Retour sur l’atelier avec CT et HRS

Cette partie vise à structurer les savoirs mobilisés ou élaborés pendant l’atelier et à la valorisation de l’activité de recherche scientifique. Cette valorisation porte sur les productions des élèves, et l’analogie de ces dernières avec celles de chercheurs confirmés dans l’objectif d’une démystification de l’activité scientifique.

Elle commence par un rappel (énoncé dans le document de travail), que les anthocyanes sont responsables de la couleur bleue de CT et rouge de HRS. La fragilité de ces molécules et leur variété dans le règne végétal sont rappelées. Une diapositive reprend le pré-requis intitulé la solution de chou rouge : le contenu de la séance précédente est que la solution de chou rouge contient des anthocyanes et peut changer de couleur dans des milieux d’acidobasicité différente, c’est-à-dire dont le pH est variable. Les travaux des élèves sont projetés (cf. annexe 1).

a. Jus de CT
Concernant la construction de gammes colorimétriques, un sondage est fait pour estimer le nombre de couleurs végétales obtenues à partir du jus de CT.

EC : « combien de couleurs avez-vous trouvées ? »

ELE : Quelques réponses fusent : « 3 », « 4 ».

ELE 3 : « j’ai ajouté de l’eau et j’ai eu une autre couleur » : cette élève a découvert la variation du caractère acidobasique par dilution alors qu’elle n’avait pas la consigne afférente (expérimentation libre).

EC : « Qui pense qu’on peut en trouver plus que 4 ? »

La réponse est positive pour 18 élèves. Deux diapositives (cf. annexe 2) avec les gammes colorimétriques issues des travaux de Kungsuwan (2014), Ahmad (2020), Fu (2021) affichant respectivement 4, 5 et 14 colorations sont alors projetées. L’explication est donnée que la qualité de la mesure conditionne le nombre de couleurs obtenues. La présentation de la structure chimique de la molécule d’anthocyane en milieu neutre et en milieu acide (Kungsuwan 2014) est introduite. ELE 4 jusque-là silencieux intervient pour demander si l’ion moléculaire obtenu en milieu acide conduit l’électricité. La professeure relève la pertinence de cette question et propose que ce caractère conducteur soit testé dans une autre séance.

b. Jus de HRS
La publication de Macuvele (2016) est évoquée à la suite de la projection des travaux d’élèves. Elle assimile les anthocyanines de HRS à des indicateurs acidobasiques sains pour la santé environnementale (« alternative and environmentally-safe acide-base indicators »).

3. Colorants naturels et artificiels

La photo projetée fait figurer à gauche un verre de menthe à l’eau jaunâtre et à droite, un verre de menthe à l’eau vert vif. La question posée par l’EC est : « quel verre contient du sirop de menthe naturel ? ».

ELE 5 désigne le verre de gauche et rapporte avoir déjà fait du sirop de menthe de couleur jaune chez lui. S’ensuit un développement de l’EC sur la distinction entre colorants artificiels et naturels, l’effet des couleurs vives des bonbons et boissons sur les consommateurs, les risques pour la santé des colorants artificiels. L’abus de langage consistant à assimiler chimique à artificiel est explicité : toutes les substances naturelles et artificielles sont chimiques car elles constituent de la matière. La chromatographie d’une solution de sirop de menthe vert vif est montrée comme moyen de détecter le colorant artificiel. A la remarque de l’EC montrant qu’une tâche jaune et une tâche bleue relatives respectivement aux colorants étalons E102 et E131 sont obtenues, ELE 6 répond : « le mélange de jaune et de bleu donne du vert ».

4. Application technologique de CT (Ahmad et al., 2020)

L’application technologique d’emballage intelligent à base de jus de CT a été présenté (cf. annexe 3). La solution passe du bleu au vert au bout de 48 heures de contact avec de la viande. L’EC précise « en décomposition » pour bien faire comprendre que l’emballage sert à détecter un produit avarié. L’EC demande pourquoi le jus de CT passe du bleu au vert ». ELE 5 déclare que « la viande en décomposition donne un gaz, comme les sargasses ». L’EC demande la nature acide ou basique de ce gaz en montrant la gamme colorimétrique encore sur la paillasse.

ELE 7 affirme : « le gaz est basique car c’est vert ». L’EC précise qu’en effet, la viande avariée produit un composé azoté qui est basique.

Discussion sur la portée éducative du dispositif didactico-pédagogique

L’alerte de Kalali (2019) sur notre « cécité vis-à-vis des plantes » est à mettre en perspective des développements vide supra. Les usages pharmacologiques, chimiques, technologiques de jus de plantes tropicales exposés renouvellent le regard profane sur le potentiel scientifique des plantes. La configuration socio-culturelle singulière aux Antilles françaises manifeste un lien particulier à la plante. Il s’exprime notamment par la richesse des connaissances endogènes sur les plantes médicinales (Dondon, 2023). Différentes éducations transversales traversent cette étude. Selon Lange (2014), l’éducation au développement durable (EDD), ne disposant pas de curricula stricts, requière des expérimentations pédagogiques. Ce fut ici le cas avec ce dispositif testé à deux reprises dans le format « one shot » autorisé par la fête de la Science. L’acculturation de la professeure à la recherche scientifique, ainsi que l’interconnaissance pré-existante entre les deux protagonistes ont pu aider à surmonter les différences de registres professionnels, les incertitudes et le partage de responsabilité induits par le dispositif. L’éducation à l’Anthropocène (Lange & Kebaïli, 2019 ; Barthes, 2022) vient croiser l’EDD en renforçant la prise en compte globale et interdépendante des problèmes environnementaux. Elle souligne l’impact et la portée globale des activités anthropiques, qui sont abordées dans la complexité des savoirs et l’incertitude de la pensée. Lange et Kébaïli défendent le principe d’une éducation globale, affichant « la prise en compte des dimensions sociales, sociétales, éthiques, émotionnelles et cognitives des personnes ». La promotion d’« actions éducatives de participation à des projets collectifs ancrés sur les territoires » est le levier proposé par les auteurs.

Faire de l’éducation à la durabilité dans le cadre d’un cours de chimie, en utilisant un jus de plante comme indicateur coloré, c’est amener les élèves à se questionner sur l’origine des consommables au laboratoire. Plus généralement, la réflexion porte sur tous les produits importés dans un territoire insulaire en proie à la problématique prégnante du traitement des déchets, générant une empreinte carbonée conséquente du trajet à l’élimination. En effet, le traitement des solutions résiduelles a un coût élevé pour l’institution hébergeant le laboratoire de chimie. Ce travail touche donc à l’éducation au territoire au sens de Girault et Barthes (2016), qui prend en compte les enjeux du territoire en assumant les dimensions de complexité et d’incertitude. Elle responsabilise ses acteurs dans leurs choix et ouvre les perspectives d’évolutions épistémologiques. In fine, il s’agit de reconnaître les qualités de ces ressources renouvelables dans l’optique d’une substitution de consommables importés dans le territoire insulaire.

Ainsi, une stratégie de durabilité forte pourrait être envisagée avec des ressources généreusement présentes sur le territoire, partagées à l’échelle de la Caraïbe et de la ceinture intertropicale, et pouvant présenter des équivalents sous d’autres latitudes. Autre levier éducatif saillant, une éducation à la santé a été menée ici en mettant la focale sur la dangerosité des colorants artificiels, pourtant largement à la portée de ces jeunes consommateurs sensibles aux couleurs vives qu’ils arborent et au sucre associé dans moult confiseries. Celles à succès dénommées « Têtes brûlées » ® sont célèbres pour leur bleu intense. Ce colorant pétrochimique est le E133 (bleu brillant FCF) qui fait partie des substances préoccupantes pour la santé infantile [4]. Il était important de montrer par ce travail que le partage d’une même propriété, à savoir la couleur bleue intense, n’empêche pas des propriétés biologiques aux antipodes. En effet, le potentiel pharmacologique étendu de Clitoria ternatea vis-à-vis de la prise en charge de maladies chroniques répandues dans les sociétés modernes, et dans une visée préventive, est d’un grand intérêt.

Il en est de même pour Hibiscus rosa sinensis. Macuvele (2016) indique que l’indicateur coloré phénolphtaléine, répandu dans bon nombre de laboratoires de chimie, est désormais mis de côté pour son caractère génotoxique. Le colorant de la plante citée peut avantageusement remplacer cette molécule de synthèse. Ceci montre la contiguïté entre les ressources mobilisées ici en sciences chimiques et cette éducation à la santé pertinente dans le spectre épidémiologique du territoire.

Conclusion

La formation de l’esprit scientifique est avantagée par un ancrage dans le territoire de vie des élèves. Rattachés aux savoirs disciplinaires, des savoirs situés dans l’environnement physique du territoire apportent du sens, une vision élargie, et enrichissent les fonctions des systèmes physico-chimiques étudiés. La compétence « adopter un comportement éthique et responsable » attendue de l’enseignement en cycle 4 peut s’exercer lorsque tous les tenants et aboutissants de ces systèmes sont pris en compte. L’éducation à la citoyenneté peut alors devenir pleinement émancipatrice et transformatrice. Elle permet à l’élève de construire des outils de compréhension et d’action émergeant d’apprentissages dans des situations authentiques, pour l’élucidation des défis contemporains. C’est le concept avancé par Barthes (2022) de « repolitisation plus affirmée des questions éducatives » qui concerne l’Education à l’Anthropocène.

Références bibliographiques

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Annexes