Voici une réponse de chimiste à cette question qui relève de la chimie, de la biochimie, et de l’art culinaire.

Pour faire lever de la pâte, on trouve effectivement dans le commerce la levure (qu’elle soit sèche ou fraîche) et la poudre à lever ("levure chimique"), mais aussi, selon le pays considéré, le bicarbonate de sodium. Par exemple, dans les pays anglo-saxons, on parle de "yeast" pour la levure, de "baking powder" pour la poudre à lever, et de "baking soda" pour le bicarbonate de sodium.

Dans les trois cas, le résultat final est identique, puisqu’il s’agit de faire lever la pâte en produisant en son sein des bulles de dioxyde de carbone (gaz carbonique, CO2), comme dans les boissons gazeuses. C’est cependant le processus conduisant à la production des bulles qui diffère selon l’agent levant utilisé.

Lorsqu’on emploie des levures sèches (c’est-à-dire en mode dormant) ou fraîches, on utilise un organisme vivant (un microscopique champignon unicellulaire, dont le nom latin générique est Saccharomyces cerevisiae; il en existe différentes lignées, pour produire le pain, la bière, le vin, ou… le Cénovis™, mais également certains antibiotiques! Que ne ferions-nous depuis la nuit des temps sans ce que Dame Nature nous offre?). Cet organisme vivant est apte à transformer certaines substances organiques en dioxyde de carbone.

Dans le cas de la levure de boulanger, l’organisme vivant transforme, par un processus biochimique nommé fermentation, les sucres présents dans la pâte fraîche. Les sucres sont en fait des longues chaînes de petites molécules de sucres liées les unes aux autres (appelées polysaccharides, poly-sucres). Ces longues chaînes, comme par exemple l’amidon, sont clivées par la levure en molécules individuelles de sucres (par exemple des entités glucose, des entités fructose, etc.) qui permettent à la levure de produire de l’énergie pour son propre métabolisme en se transformant en de nombreux sous-produits également utiles pour la levure (par exemple de l’acide lactique, de l’acide pyruvique, de l’acétaldéhyde, etc.), ainsi qu'en dioxyde de carbone. Cette dernière substance, gazeuse, est inutile pour la levure, qui l’éjecte hors de sa membrane. Les bulles de dioxyde de carbone, piégées dans la pâte, vont ainsi la faire lever.

Il faut noter que d’autres substances sont également produites lors de la fermentation, notamment de l’éthanol (d’où l’utilité des levures pour la production de la bière et du vin) et du gluten (pour la pâte à pain); c’est le gluten qui permet d’emprisonner efficacement les bulles de dioxyde de carbone dans la pâte, ce qui permet d’obtenir un résultat final aéré et élastique à souhait!

Le processus est lent et il requiert la présence de dioxygène O₂ dans la pâte (le dioxygène présent dans l’air est largement suffisant pour que le processus se déroule).

Lorsqu’on emploie de la poudre à lever (surnommée "levure chimique" si injustement puisqu’elle ne contient pas de levure d’une part, et que tout est chimique puisque constitué de molécules d’autre part!), on utilise un mélange de deux ou trois substances: le bicarbonate de sodium NaHCO₃ (qui est une substance faiblement basique et initiatrice du dioxyde de carbone), ainsi qu’un ou deux substances faiblement acides, le phosphate de calcium Ca(H₂PO₄)₂ et éventuellement le pyrophosphate acide de sodium Na₂H₂P₂O₇ ou le sulfate d’aluminium et de sodium NaAl(SO₄)₂.

Le phosphate de calcium réagit rapidement et à température ambiante avec le bicarbonate de sodium en milieu humide (ce qui est le cas avec la pâte à pain) dans un processus acide-base qui transforme le bicarbonate de sodium en dioxyde de carbone gazeux et fait rapidement lever la pâte.

Si le pyrophosphate acide de sodium ou le sulfate d’aluminium et de sodium est présent, il réagit (également par un processus acide-base) en milieu humide avec le bicarbonate de sodium pour produire du dioxyde de carbone gazeux, mais ce processus se déroule à chaud (p.ex. en cours de cuisson, pas à température ambiante lorsque la pâte commence à monter grâce au processus précédent). Dans ce cas, il y a double action, et le/la boulanger/ère ou pâtissier/ère peut avoir un plus grand contrôle sur la levée de sa pâte, entre début et fin d’opération. Le subtil contrôle des ingrédients présents dans la poudre à lever permet ainsi, en jouant sur la température et la durée de chaque étape de préparation, d’obtenir des denrées plus ou moins aérées (par exemple pour obtenir du pain, ou un cake, ou une madeleine).

Finalement, en tenant compte de ce qui précède, si on utilise directement du bicarbonate de sodium, on constate qu’on utilise la substance prioritaire de la poudre à lever, mais en absence d’un quelconque acide. Dans ce cas, il n’est en principe pas possible de faire lever la pâte toute seule, puisque la levée de la pâte relève d’un processus acide-base. Cependant, lorsque la denrée alimentaire contient initialement déjà une ou plusieurs acides, le dioxyde de carbone sera finalement produit! L’acide présent dans la pâte initiale peut être, par exemple pour un cake, du citron, du lait ou de la crème ou du yogourt, ou toute autre denrée alimentaire suffisamment acide (par exemple, le café est faiblement mais suffisamment acide pour réagir avec le bicarbonate de sodium et faire  monter la pâte d’un cake à l’arôme de café). Ce point est trivial lorsqu’on prépare une fondue et qu’on ajoute une pointe de bicarbonate de sodium pour la rendre plus aérée et onctueuse: l’acidité provient directement du fromage!

Pour résumer, l’utilisation de levure (sèche ou humide) relève d’un processus biochimique avec un organisme vivant, tandis que l’utilisation de poudre à lever (base + acide présents dans l’agent levant) ou de bicarbonate de sodium (base seule présente dans l’agent levant) relève d’un processus chimique acide-base.

Et pour conclure, la subtilité des mécanismes intimes impliqués, soit avec les levures soit avec la poudre à lever ou le bicarbonate de sodium, dépasse largement les compétences d’un-e chimiste ou biochimiste, et un-e boulanger/ère ou patissier/ère serait plus à même de révéler les secrets des agents levants utilisés pour chaque application!