Cours Ecoextraction Composés Végétaux PDF 2024-2025

INITIATION A L’ECO EXTRACTION DE COMPOSES D’ORIGINE VEGETALE 3ème BUT GB, SAB Dr. Naima SAAD – IUT du Limousin, LABCiS  Plan du cours/TD ECO EXTRACTION DE COMPOSES D’ORIGINE VEGETALE I) L’éc...

INITIATION A L’ECO EXTRACTION DE COMPOSES D’ORIGINE VEGETALE 3ème BUT GB, SAB Dr. Naima SAAD – IUT du Limousin, LABCiS  Plan du cours/TD ECO EXTRACTION DE COMPOSES D’ORIGINE VEGETALE I) L’éco extraction: définition, principes et références bibliographiques sur le sujet II) Les composés d’intérêt - Caractéristiques chimiques - Localisation dans la matrice végétale III) Les processus physiques mis en jeu au cours d’une extraction: rappels sur diffusion et convection moléculaire IV) Procédés adaptés à l’éco extraction: - extractions assistées par: micro-ondes, ultrasons, solvants pressurisés, fluides supercritiques, champs électriques pulsés, enzymes… V) ProposiEon d’une démarche générale pour la mise en œuvre d’un procédé d’éco extracEon  Extraits Naturels: utilisation et application comme un colorant, parfum, médicament, arome naturel....Application de plus en plus accrue. Développement naturel pour Agro et médecine douces, étude de phytochimie, le textile  I. L’Eco extraction: q Définition L’éco extraction est basée sur la découverte et la conception de procédés d’extraction permettant d’une part la réduction de la consommation énergétique et d’autre part l’utilisation de ressources végétales renouvelables ainsi que de solvants alternatifs. (à la place des solvants issus de la pétrochimie) Les procédés d’extraction ainsi mis en œuvre permettent de garantir des extraits sûrs et de qualité qui les rendent utilisables comme ingrédients en industries pharmaceutiques, cosmétiques, agroalimentaire, chimie fine et bio-fuels concept développé vers fin des années 90 environ en jaune = principes du concept (en tout il y en 6). Par cœur !!  L’Eco extraction q Les principes (en tout 6) Ils sont issus des 12 principes de la Chimie verte et des 12 principes de l’Ingénierie verte  PAR COEUR !!!! parmis ces principes là, on en a rajouter d'autre car les anciennes méthodes utilise des agents toxiques, plusieurs étapes alors qu'on en voudrait une seule, en rapport avec les énergies sa consommation et et la réduction de perte PAR COEUR!!! Les 6 principes de l’éco extraction H ØPrincipe 1 : Favoriser l’innovation par la sélection variétale et l’utilisation de ressources Y végétales renouvelables. P E > Principe 2 : Réduire la consommation énergétique par l’assistance des technologies R innovantes et favoriser la récupération d’énergie. I > Principe 3: Privilégier les solvants alternatifs et principalement ceux issus des agro- M ressources. P O > Principe 4 : Réduire les opérations unitaires grâce à l’innovation technologique et R favoriser les procédés sûrs, robustes et contrôlés. T A > Principe 5 : Favoriser la création de coproduits au lieu de déchets pour intégrer la voie N de la bio- ou agro- raffinerie. T ! > Principe 6 : Privilégier un produit non dénaturé, biodégradable, sans contaminants et surtout porteur de valeurs : « éco-extrait ».  exemple des taxones, un terpène (très utilisé surtout en chimiothérapie anti-cancer) Des chercheurs français, on réfléchit à une alternative au lieu de choisir l'écorce, on peut prendre une autre partie de l'arbre et on trouvait qu'il y avait un intermédiaire de la voie de synthèse du taxone dans les aiguilles des résineux.( dérivée par émisynthèse (ajout d'ester= esterification du diterpène)) estérification  autre exemple sur l'artemisine, utiliser anti malaria On essayer de travailler sur la sélection variétale : comment améliorer le rendement de la plante, la sélection de variation de phénotype pour sélectionner la variété qui possède le rendement le plus élevé de artemisine. (étude fait en Suisse) présente à 0,5% dans la plante Prunus africana “arbre des forêts de montagnes africaines” Extrait des écorces u=lisé contre les troubles de la prostate utilisé pour régler les problèmes de prostate, ou urinaire, produit naturel qu'on retrouve en pharmacie, naturothérapie... On peut aussi faire des études pour faire une culture plus importante de certains arbres, afin d'avoir une culture toujours présente de ces arbres.  /recyclable ex : hydrodistillation consomme beaucoup d'énergie (pour chauffer l'eau puis refroidir l'eau) soit une perte d'énergie. Utilisation des eaux chaudes pour autre chose (pour les chaudières) on peut travailler sous pression ou sous vide exemple : aquapolis et incinérateur de Limoges (vapeur pour chauffer piscine)  Principe N° 2 électroporation (champ électrique pulsé) faire des trous pour vider la plante (extraire son jus) on peut aussi utiliser des ultra sons. même principe que micro-onde D’après F. Chemat, Alternative solvents for extraction, purification and formulation, U. Avignon, juin 2015  à la place des solvants toxiques (effet Le solvant vert doit avoir les dangereux pour l'utilisateur et mêmes points positif que l'environnement) produit COF( composées l'ancien solvant (sélectivité organiques volatiles), qui sont et efficace) mais doit aussi malheureusement des solvants très sélectifs être recyclable et en sécurité zone bien défini (AZF...) en gros bien avoir les locaux et zone spécifique ex: chloroforme, hexane, méthanol... D’après F. Chemat, Alternative solvents for extraction, purification and formulation, U. Avignon, juin 2015  Principe N° 3 Mettre en œuvre des solvants alternatifs ou verts Parmi c'est solvant vert le plus vert c'est l'eau mais le point négatif de l'eau (je me restreint à chercher des molécules hydrophiles) on utilise donc des agro solvants (issus de la fermentation par agro-industries ( acides organiques, alcool...), la méthanisation, par les gaz liquide ou les liquides ioniques (composées où il y au donneur de proton et un récepteur d'hydrogène qui va réagir avec les plantes selon les réactions de Lewis)... D’après F. Chemat, Alternative solvents for extraction, purification and formulation, U. Avignon, juin 2015  Principe N° 3 Mettre en œuvre des solvants alternatifs ou verts 2-Methyl-tetrahydrofuran (2-Methyl-THF) exemple de solvant vert CAS 96-47-9; Point ébu.: 80,2°C; MM: 86,1 g.mol-1; masse vol.: 854g.l-1 issus de sucres chauffer dans un milieu acide (provoque couleur) peut travailler à température utiliser pour extraire des ambiante ou en chauffant pour accélérer compose des polarité (provoque de la couleur) faible, c'est un agro solvant (issu de la pyrolyse ou des déchets Dosage de DUBOIS, appelé dosage des sucres agro-forestier) totaux, qui va produire un furfural 2-Methyltetrahydrofuran is usually synthesized by catalytic hydrogenation of furfural. OC4H3CHO + 4 H2 → OC4H7CH3 + H2O Furfural is produced by the acid-catalyzed digestion of pentosan sugars, C5 polysaccharides, in biomass. Thus, the raw materials of 2-methyltetrahydrofuran are renewable biomass rich with cellulose, hemicelluloses, and lignin, such as corncobs or bagasse and other plant and agricultural waste. Hsien et al, 2015. Synthesis of 2-methyl tetrahydrofuran from various lignocellulosic feedstocks, Resources, Conservation and Recycling Solvants alternatifs pour l’Eco Extraction +++ très bon --- très mauvais  procédé couteux, énergivores Principe N° 4 Réduire le nombre d’opérations unitaires Innovation au niveau du procédé solvant M.P. végétale 4 étapes Séchage Broyage ExtracIon Évaporation extrait 1 2 3 4 pour stabiliser (pour éviter la recyclage fermentation) CO2 du CO2 supercritique ExtracBon exemple : M.P. végétale par extrait CO2 supercriBque 1 seule étape Principe N° 5 Favoriser la production de coproduits au lieu de déchets q Déchet: substance que l’industriel souhaite éliminer en le mettant en décharge, épandage, compostage ou en incinération q Sous produit: non intentionnel, imprévisible ou accidentel. Il peut néanmoins être parfois utilisé directement ou constituer un ingrédient d'un autre processus de production en vue de la fabrication d'un autre produit q Coproduit: une matière, intentionnelle et inévitable, créée au cours du même processus de fabrication et en même temps que le produit principal. Le produit fini principal et le coproduit doivent tous les deux répondre à des spécifications de caractéristiques, et chacun est apte à être utilisé directement pour un usage particulier. Marc de pommes le cas de la méthanisation utiliser pour faire du biométhane, tourteaux des huiles utiliser pour alimentation pour animaux (élevage ou domestiques) Principe N° 5 Favoriser la production de coproduits au lieu de déchets Plante énergie enAère pharmacie extraction alimentaire extrait séparation coproduit valorisation Marcs de fruits, pulpe de betterave, cosmétique tourteaux oléagineux, … chimie Principe N° 6 Privilégier un produit non dénaturé porteur du concept « éco extrait » issus d'une chimie verte, enlève pas mal de contrainte règlementaire qu'on a sur d'autres Le label « éco extrait » permet de garantir: solvants... D’après F. Chemat, Alternative solvents for extraction, purification and formulation, U. Avignon, juin 2015 Label :  II. QU’EST-CE QU’ON SOUHAITE EXTRAIRE? 1) Composés de faibles masses moléculaires: - polyphénols et dérivés - Vitamines hydrosolubles polyphénols (anti-oxydant), Propriétés anti oxydante, terpènes (parfums...) , anti microbienne, pigments...sont des métabolites - Terpènes et dérivés (huiles essentielles) anti inflammatoire, secondaires à la plante (moyens dont caroténoïdes (vitamines liposolubles) de protection ou d'attraction) Anti cancer… - Alcaloïdes.. flavonoides (anthocyane) est un polyphénol coloré qui sert de colorant, caraténoides (pigments), l'alcaloide comme piperine ou capsaisine (toxique pour la plupart d'entre eux) utiliser dans le monde 2) Composés polymériques: pharmaceutique. métabolites primaires des plantes et - polysaccharides / oligosaccharides métabolite secondaire des plantes polymères des plantes peuvent - peptides / protéines (dont enzymes…) servir d'épaissisant, texturant.... pour Agro alimentaire  Les polyphénols et dérivés q 8000 espèces différentes réparties en familles q Métabolites secondaires synthétisés par la plante en réponse à différents stress q Faibles masses moléculaires (170 à 1000 Da) q Polarité moyenne à faible (soluble dans l’eau et les mélanges hydro alcooliques)  Le curcuma (Curcuma longa) est une plante herbacée rhizomateuse vivace du genre Curcuma de la famille des Zingibéracées originaire d'Inde et de Malaisie1. De ses rhizomes réduits en poudre est extraite l'épice homonyme. Curcumine La curcumine ou diféruloyl-méthane est le pigment principal du curcuma, aussi appelé safran des Indes. C'est un pigment polyphénolique qui donne une couleur jaune. utiliser en médecine indienne  CLASSIFICATION COMPOSÉS PHÉNOLIQUES Composés phénoliques Polyphénols Acides phénoliques Polymériques Monomériques Acides hydroxybenzoïques Acides hydroxycinnamiques Tannins complexes Tannins condensés Flavonoïdes Non-flavonoïdes Tannins Flavones hydrosolubles Flavonols Stilbènes (reseratrol) écriture bancale → Ellagitannins Flavanols Lignanes → Gallotannins Flavanones Isoflavones Acide caféique, ce sont des cycles Anthocyanidines simple (composé les plus simple des polyphénol) Leopoldini, M.; Russo, N.; Toscano, M. The Molecular Basis of Working Mechanism of Natural Polyphenolic Antioxidants. Food Chem. 2011, 125, 288–306 28  Les flavonoïdes peuvent être glycosylés Flavonoïde / flavonol Flavonol glycosylé Avec un radical libre en perdant un acide libre via une oxydation naturelle (du à la lumière, UV, chaleur...). Pour pouvoir stabiliser cette réaction en chaîne et prévenir du rancement on ajoute des polyphénol qui vont donner un hydrogène pour stabiliser la réaction (donc polyphénols beaucoup utilisé comme antioxydant) Quercétine Quercérine-3-O-galactoside ou hyperoside (forme aglycone) glycosylé ou pas Structure de base des Flavonol Quercétine-3-O-rutinoside ou rutine  Polyphénols de la famille des flavonoïdes Caractéristiques structurales de base des différentes sous familles de flavonoïdes  Classification des tanins Les tanins sont utilisé comme floculants en industrie. On étudie ses propriétés physico chimiques dans le but de mieux caractériser la méthode d'extraction. On fait l'étude sur la polarité , les métabolites primaires dans le but d'extraire avec la meilleure chimie verte. (polyphénol qui ont une valeur antioxydant tout ce qui E300, mais aussi propriété anti microbienne ou même colorant comme les anthocyanes...) 1) Acide gallique dont les OH sont estérifiés par un ose (glucose…) 2) Unité acide hexahydroxydiphenique (HHDP) estérifiée par un ose (glucose) 3) Tanins formés par une unité gallotanin ou ellagitanin comportant une liaison glycosidique à un flavanol 4) Oligomères de catéchine, épicatéchine… principalement en tant que anti-oxydant mais aussi en tant que...  Les terpènes et dérivés q Composés apolaires à peu polaires q Masses molaires faibles: quelques 100aines de Da q Point d’ébullition bas volatiles  classé comme un lipide mais c'est il a juste un caractère comme lipides donc apolaires un terpène est un di isoprènes., avec un faible poids moléculaire (donc très volatils). Donc très difficile à extraire. 5C = monoterpène en tant que répulsif, apaisant... le diterpène a 20 C L'extraction par les vapeurs à la chaleur ou extraction avec solvants organiques et peu polaire MM = 154g/mol Pt ébu. = 198°C MM = 136g/mol Pt ébu. = 156°C  terpènes alcool apolaire ou peu polaire aldéhyde terpénoïdes cétone  utiliser comme colorant le jaune du jaune d'oeuf dans la tomate, la pastèque  Vitamines liposolubles Ex: Vitamine E ou Tocophérol présente notamment dans l’huile de graines de fruits rouges 1 à 2 g /kg d’huile de framboise et de mûre Subs[tuants des tocophérols R1 R2 R3 Nom CH3 CH3 CH3 α-tocophérol CH3 H CH3 β-tocophérol poids,d'ébullition, masse moléculaire, H CH3 CH3 γ-tocophérol polarité... H H CH3 δ-tocophérol Où trouve-t-on les composés d’intérêt dans le végétal? Ø Afin d’optimiser l’extraction des composés par un solvant, il faut en connaître leurs localisations dans la matrice végétale et éventuellement leurs interactions avec les autres constituants Etudier la plante pour connaitre dans quel partie elle est concentrée en fonction de la partie de la plante, on va étudier sa structure puis chercher à savoir comment extraire( liaison forte avec la plante (ex : si liaison faible alors laisser phénomène de diffusion sinon traitement mécanique, enzymatique, chimique... ex :curcumine se trouve dans les racines (ribosomes) graines (huiles)  Liaisons électrostatiques et /ou covalentes Tissu végétal La localisation conditionne Film laminaire la + ou – grande facilité d’extraction du composé d’intérêt q 1 et 2 : dissous dans les pores ou adsorbés à la surface de la matrice végétale q 3: dissous et/ou adsorbés dans les micro et nano pores de la matrice végétale q 4: liés chimiquement à la matrice végétale q 5: dissous dans la phase aqueuse entourant la matrice végétale L’ efficacité du procédé d’extraction va dépendre de l’accessibilité au solvant des composés d’intérêt Ø Dans les graines, les fruits et les racines: distribution assez homogène des composés dans toute la matrice végétale Ø Dans les feuilles et les fleurs: stocker les composés d’intérêt sont souvent « séquestrés » à l’intérieur de trichomes = glande à la surface de la feuille, vacuoles  Graines « fruits rouges »: mûre Enveloppe Endosperme Embryon polyphénols L’extraction des polyphénols nécessite de fragiliser l’enveloppe de la graine ces glandes éclatent à la chaleur d'où le fait que les terpènes que l'on retrouve dans les feuilles sont plus facile extraire (hydrodistalation) les tiges, graines... sont séché car elles ont une structure stable avant l'extraction plus complexe III. Les processus physiques mis en jeu au cours d’une extraction COMMENT EXTRAIRE LES COMPOSES D’INTERÊT DE LA MATRICE VEGETALE? q Pour optimiser cette étape, il faut connaître les mécanismes ou processus physiques mis en jeu au cours du procédé d’extraction L'étude complète du solvant qui est cruciale car c'est de lui que dépendra l'extraction (en fonction de la polarité)  Le procédé d’extraction Matière 1ère le solvant peut solvaté puis l'entraîner ou par diffusion Raffinat Milieu Solvant = « réactionnel » MP peut être recyclé d’extraction = épuisée le meilleur solvant dépend de suspension la sélectivité et de son efficacité Extrait + ou – complexe = composés d’intérêt en c'est l'extrait brut solution dans le solvant  Représentation schématique d’une extraction par un solvant solvant 2 réaction hydrogène, dipôle-dipôle, ionique 1 entre eau et composés 5 d'intérêt (ex du thé) convection (mouvement) qui 4 permet d'entrainer les molécules "sorti" de la matrice qui facilite la diffusion 3 4 1) Transfert du solvant de la phase liquide vers surface matrice végétale (convection) 2) Le solvant pénètre dans la matrice végétale par diffusion moléculaire 3) Solubilisation des composés dans le solvant en f (affinité) – dans certains cas nécessité rupture interactions solutés/matrice 4) Transfert par diffusion moléculaire des solutés de l’intérieur vers la surface de la matrice processus lent 5) Entrainement par convection des solutés qui atteignent la surface de la matrice processus rapide Processus lent limitant PROCESSUS PHYSIQUES MIS EN JEU AU COURS D ’UNE SEPARATION 1) TRANSFERT DE MASSE OU DE MATIERE ( à l ’échelle moléculaire ) a) DIFFUSION Pendant l’étape d’extraction b) CONVECTION par le solvant 2) TRANSFERT DE QUANTITE DE MOUVEMENT ( à l’échelle macroscopique ) (pendant les étapes de séparations liquide/solide , qui suivront l’extraction par solvant) Exemple: filtration et centrifugation  TRANSFERTS Définition: Il y a transfert, capillarité, par mouvement (convection) * entre phases (solvant / tissu végétal) ex: extractions par solvants * au sein d’une phase continue ( au sein du tissu végétal, phase liquide associée au tissu ) ex: extractions par solvants lorsqu’il y a déséquilibre en un potentiel (dans la phase ou entre les phases) * de Matière transfert de matière TRANSFERT PAR DIFFUSION MOLECULAIRE Phase liquide s’écoulant au sein du solide: (solvant d’extraction…) Zone dans laquelle la matière est transportée par diffusion moléculaire. 1 Dans cette zone, la vitesse d’écoulement du fluide est nulle. Le sens et la vitesse du transport de la matière dépend du gradient de concentration 2 Zone dans laquelle la matière est transportée par convection 2 1 Particules de solide (tissu végétal broyé…) 1 Film laminaire ou Couche limite épaisseur @ quelques centaines de nm Rappel: taille molécule organique simple (ex: saccharose) = 1.2 nm taille molécule H2O = 0.35 nm  TRANSFERT PAR DIFFUSION MOLECULAIRE Fluide s’écoulant en régime laminaire Ex: solvant d’extraction qui percole au sein du tissu végétal d Couche limite en faible et forte entropie puis 2nd principe de thermo (augmente le désordre) Solide: Solide: ici delta G est négatif ( cours 1ère année) Tissu végétal S C1 la force motrice est le delta de concentration (le gradient SC de concentration) 0 Sens de la diffusion du soluté S C2 C1: concentration d’un soluté S au niveau de la phase solide C2: concentration d’un soluté S au niveau de la phase liquide parfaitement agitée - A l’interface solide-liquide, la présence d’une surface immobilise une couche de fluide à son contact et induit ainsi une perturbation du mouvement du fluide dans une petite zone au voisinage immédiat de cette surface. - Cette zone où la vitesse d’écoulement du fluide est nulle est appelée « couche limite d » Si C0 > C1 et C1 > C2, la matière (soluté S) diffuse du solide vers la surface du solide et vers le solvant et inversement  VITESSE D’UN TRANSFERT = ALLURE DU TRANSFERT OPTIMISATION D’UN PROCEDE D’EXTRACTION ( débit de produit extrait par le solvant) OPTIMISATION de L’ALLURE du ou des TRANSFERTS SUR QUELS PARAMETRES AGIR? NECESSITE DE CONNAÎTRE L’EQUATION DE LA VITESSE DU TRANSFERT POUR AGIR DE MANIERE RATIONNELLE (sans perdre de temps) loi de Fick  TRANSFERT PAR DIFFUSION MOLECULAIRE Expression de la densité de flux d’un soluté: Kg. m-2.s-1 Jdiffusion = Dsoluté. DC = k. DC paramètre limitant combien de kg de matière je sors par m² de surface d'échange (de plante) par d seconde D = coefficient de diffusion ou diffusivité; dépend de la température soluté δ = épaisseur de la zone de diffusion liée à la taille de la plante dépend du choix de l'opérateur combien de plante il y a, sa structure de matrice... k, en m.s-1 = coefficient de transfert de masse, reflète la mobilité de la matière 1/k = résistance au transfert de masse 1ère LOI DE FICK solubilité dépend de Seulement applicable dans les conditions initiales ΔC = force motrice en diffusion moléculaire!  r = donnée sur laquelle on ne peut pas jouer (on l'a dans le milieu sorte de constante) D toujours rapporté à une température et son milieu D soluté # R x T / 6 x π x η x r x A nb d'avogadro constante des gaz parfait r = rayon de molécule de soluté assimilée à une sphère en solution η = viscosité du milieu A = 6,02 1023 D soluté = constante x T/η.r on peut diminuer la viscosité du milieu pour augmenter le coef D soluté = f(1/ MM soluté) de diffusion et augmenter la température DONNEES SPECIFIQUES A QUELQUES COMPOSES PRESENTS DANS DES PRODUITS TRAITES EN I.A.A. ET I.B. ! Ces données sont indiquées pour des solutés à l’état purs, en solution dans H2O  Transfert par CONVECTION h = coefficient de partage du soluté J convection = h. Δ C h très supérieur à k, h = f (Re ) Re Re==nombre nombrede deReynolz Reynoltz, flux du mouvement => flux ( du mouvement, régime laminaire à turbulant) agitation Convection processus plus rapide que diffusion à jamais une étape limitante lors d’une extraction par solvant h: coefficient de partage du soluté  Intérêt de la 1ère loi de Fick dans la démarche d’optimisation d’un procédé d’extraction par solvant Kg.h-1 aire de l'échange inconnu mais on peut le doser Q procédé = J diff x Aire = Ds/δ x ΔC x Aire débit de diffusion on peut l'augmenter en jouant sur la c'est ce qui limite granulométrie (en broyant la taille des particules) ATTENTION!!! Cette équation ne permet pas de calculer Q, car Ds, δ et ΔC ne sont pas connus Q procédé extraction augmente si: q Dsoluté augmente (en agissant sur T°C) q épaisseur film laminaire diminue (en agissant sur vitesse écoulement du solvant agitation (c'est la couche limite sur le schéma au contact du tissu végétal) q surface de contact entre matrice végétale et solvant augmente (en agissant sur granulométrie matrice végétale) q ΔC augmente (différence de concentration du soluté d’intérêt toujours positive entre matrice végétale et solvant d’extraction, extraction à contre courant, par percolation, remplacement du solvant par solvant frais,…. à soit plusieurs extractions successives…) en jouant sur le solvant en le renouvelant (par percolation (en continu) ou en faisant plusieurs étapes on peut aussi jouer à contre courant entre l'eau et le solvant dans l'autre sens la percolation c'est à co-courant  ETAGES D’EXTRACTION SUCCESSIFS à CO-COURANT 3 étages successifs Sv C’ = 0 C’1 C’2 C1 C2 C3 Fd Rt 1 2 3 C’1 C’2 C’3 Fd = alimentation en tissu végétal; C soluté diminue entre C1 et C3 Rt = raffinat: tissu épuisé DC = C – C’ Sv = solvant d’extraction; Ex = extrait (solvant + composé C’soluté augmente entre C’1 et C’3 d’intérêt très faible extraction en 3  Particule sphérique (1); rayon = r = 10 mm, S = 4 p R2; V = p D3 / 6; m = r V = r p D3 / 6 Surface spécifique = S/m = 24 p R2 / r p D3 = 6 / r D car R2 = (D/2)2 = D2 / 4 Particule sphérique (2); rayon = R’ = 1 mm, S’ = 4 p R’2; V’ = p D’3 / 6; m = r V’ = r p D’3 / 6 Surface spécifique = S’/m’ = 24 p R’2 / r p D’3 = 6 / r D’ car R’2 = (D’/2)2 = D’2 / 4 Les masses volumiques r sont constantes Surface spécifique sphère (2) = 6 r D / 6 r D’ = 6 r 20 / 6 r 2 = 10 Surface spécifique sphère (1) L’accroissement de surface spécifique d’une particule sphérique est directement proportionnel à la réduction de son diamètre rapport solide liquide = plus il est grand mieux c'est mais trop grand pour éviter la dilution mais assez pour éviter que cela soit trop concentre et qu'il reste des composés, on peut jouer sur le pH (ex : anthocyane où on doit jouer en milieu acide sinon on peut détruire ces molécules)  idéal, réacteur batch... Le broyage de la matière 1ère (sous forme sèche) Broyeur à couteaux Granulomètre type tamiseuse Distribution granulométrique tamis de particules solides  Cinétique type d’un procédé d’extraction par solvant Doit être maximale Phase lente où la vitesse d’extraction lent dépend essentiellement de la diffusion du solvant dans la matrice et du solvant + solutés de la matrice vers le solvant d’extraction composés N°3 et 4 Phase de transition, où la vitesse extraction diminue rapidement car les composés extraits sont moins accessibles à l’interface matrice/solvant Cela nécessite en plus de la convection, la diffusion du solvant dans matrice et la diffusion des composés solubilisés de l’intérieur vers l’extérieur de la matrice Composés N°3 et 4 Phase où vitesse extraction constante Entrainement par convection des composés rapide aisément accessibles au solvant Composés N°1, 2 et 5 CER: Constant Extraction Rate – FER: Falling Extraction Rate – DC: Diffusion Controled period  Liaisons électrostatiques 3.il est adsorbé, partiellement difficile à et /ou covalentes extraire on joue sur le milieu pour affaiblir réaction avec la matrice 4. on peut travailler avec des enzymes (protéases), le pH, détergeant...ou en travaillant avec des ultra sons, broyage... q 1 et 2 : dissous dans les pores + adsorbés à la surface de la matrice végétale q 3: dissous et/ou adsorbés dans les micro et nano pores de la matrice végétale q 4: liés chimiquement à la matrice végétale q 5: dissous dans la phase aqueuse entourant la matrice végétale La diffusion des solutés (exemple: polyphénols) de la matrice végétale vers le solvant peut être ralentie du fait d’interactions polyphénols/protéines présentes dans la matrice végétale  IV. Procédés d’extraction de composés naturels d’origine végétale: q Procédés conventionnels (exemples) - Macération / Infusion (composés + ou – polaires…) - Soxhlet (composés lipophiles…) - Hydro distillation (huiles essentielles…) - Réacteur batch agité à P. atm. (composés + ou – polaires…) -… met en place des procédés d'éco extraction innovants  Infusion et macération, quelles différences ? infusion = forte température alors que la macération peut d'adapter à une température plus L’infusion ambiante (dépend du composé et de sa thermo sensibilité La méthode d’extraction la plus courante et connue de tous. L’infusion consiste à verser de l’eau à 80° sur des feuilles ou des fleurs et à les laisser infuser pendant quelques minutes. Cette méthode permet d’extraire les principes actifs des plantes ainsi que leurs arômes. pour composé polaire Vite une infusion Cours Amphi!! Energétique !!! La macération La macération est une méthode d’extraction très semblable à celle de l’infusion mais celle ci est plus longue. Elle consiste à laisser reposer la ou les plantes dans un liquide, de l’eau, de l’alcool, de l’huile ou même du vinaigre, afin d’en extraire les principes actifs. pour composé de n'importe quel polarité La macération pouvant s’effectuer à froid, ce mode de préparation est tout indiqué pour les plantes fragiles qui ne supportent pas d’être chauffées. quand solvant inflammables  Extraction type SOXHLET bien adaptée aux composés solubles en solvants organiques refroidissement en continu (éther, acétate d’éthyle, hexane…) Solutés peu ou apolaires uniquement donc limité car on ne peut pas chauffer les composés polaires chronophage, pollue l'organisme (solvant organique polluant), réservé au composé peu polaire, consommation d'énergie et pollue chauffe en continu  Extraction par hydro distillation consommation d'énergie, ne peut pas se faire avec composé polaire juste apolaire ou très peu polaire (ex : terpène), la longueur du procédé, laisser macéré (4/5h voire plus) donc risque de dégradation hydrolytique (modifié structure ou composition des composés), risque d'oxydation fort également,=> ce qui cause instabilité des composé dans le temps si oxydation donc on rajoute de l'azote dans la macération - Azéotrope de température ébullition < T°C ébu. eau et composés d’intérêt: Huile essentielle densité < densité eau - Distillation simultanée eau/huile essentielle à T°C < 100°C eau eau industriellement on essaie de valoriser l'hydrolat. (eau florale) macération avec de l'eau q Avantages: facile à mettre en œuvre – faible coût q Inconvénients: durée; détériorations thermique et hydrolytique possibles des composés thermosensibles et oxygénés  Variantes de l’extraction par distillation à l’eau et/ou à la vapeur Extraction par entrainement à la vapeur La matière végétale ne macère pas dans eau Percolation ascendante de la vapeur d’eau q Technique qui minimise les altérations hydrolytiques rencontrées en hydro distillation Extraction huile essentielle de lavandin « procédé vert-broyé caisson »  Extraction par hydro distillation les limites du procédé Particule de tissu végétal Parois + membranes Sens du gradient thermique peu altérées par chauffage favorable à la diffusion des composés chaud froid Huile essentielle Conduction thermique 2 1 eau chaude (solvant) ! 3 Vitesse de diffusion des solutés = f( T°C) q 1 - diffusion du solvant chaud dans la cellule - LENT q 2 - dissolution des composés de l’huile essentielle q 3 - diffusion des composés de l’huile essentielle vers extérieur - LENT IV. Procédés d’extraction de composés naturels d’origine végétale: les scientifiques dans les années 2000, on choisit - Conventionnels d'intensifier les procédés déjà existant dans le but de réduire durée et consommation d'énergie tout en passant à des énergies vertes - Technologies alternatives « vertes » But garder rendement et sélectivité déjà existante - ↘ Durée - ↘ Consommation énergie - ↘ Consommation solvant - ↖ Rendement extraction - ↖ Sélectivité EXTRACTION ASSISTEE PAR MICRO-ONDES ou MAE « Microwave Assisted Extraction » sert à accélérer le processus avec matrice végétale ou animale  λ Qu’est ce qu’une micro onde? Une micro onde est une onde électromagnétique. magnétique avec un magnéton Elle est la résultante d’un champ électrique et d’un champ magnétique dont les amplitudes 0,15 - 0,075 m varient de façon sinusoïdale au cours du temps. ainsi fréquence d'oscillation L'amplitude d'une onde électromagnétique varie donc de façon sinusoïdale au cours de sa propagation. Une onde électromagnétique peut être produite par un courant électrique variable. cette énergie transformé en chaleur Les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie On peut de ce fait comparer les µ ondes à la lumière et aux ondes radioélectriques car elles se dispersent toutes à la même vitesse qui est de 3.108 m/s. = vitesse de la lumière Cependant, les micro-ondes ont une fréquence de l'ordre de 2,5GHtz. vitesse f = célérité / longueur d’onde C'est à dire que les deux champs qui la composent s'inversent 2,5 milliards de fois par seconde. IMPORTANT molécule polaire et ionique 0,15 à 0,075 m vont migrer, catode ou anode G = 10^9 Htz = s-1 Comment l’irradia]on micro ondes agit-elle sur la matrice végétale? En pénétrant dans la matrice végétale , les ondes agissent directement sur les molécules en les orientant en direcZon du champ. Mais la molécule d’eau, H2O est la principale à réagir, voir la seule. Sa parZcularité est qu’elle est polarisée et de peZte taille (0.34nm) : la molécule possède un moment dipolaire (1,85 Debye) important et par conséquent une constante diélectrique élevée (80 F.m-1) ce qui lui permet de s’orienter dans un champ électrique Sa peZte taille lui permet de tourner. Les molécules s'agitent environ 2,5 milliards de fois par seconde, ce qui provoque de nombreux fro^ements entre elles. Ces derniers, associés à l’augmenta]on de la conduc]on ionique (mobilité des solutés ionisés), sont à l’origine de l’accroissement de T°C NEGATIF = ANODE POSITIF = CATODE Sous irradiation µ ondes Comportement de molécules diélectriques: (a) en l’absence de champ électrique, (b) dans un champ électrique continu, (c) dans un champ électrique à haute fréquence  Chauffage par micro ondes q La production de chaleur dans le milieu soumis à un champ micro ondes nécessite la présence d’un composé « diélectrique » ou polarisable sous l’effet du champ électrique (tel que l’eau) ε’ = constante diélectrique ou permitivité (80 C.volt-1.m-1 , pour H2O) conduire le courant q La production de chaleur est observée seulement si le milieu présente une perte diélectrique sous l’effet du champ micro ondes Facteur de dissipation ε’’ = perte diélectrique qui exprime l’efficacité de la transformation de l’énergie électromagnétique en chaleur - ε’’ = f [ε’, δ ] q La capacité du milieu solvant (eau) à absorber l’énergie sous irradiation micro ondes et à convertir celle-ci en chaleur dépend de son « facteur de dissipation = tan δ delta = angle de déviation + - plus delta important plus il tan δ = ε’’ / ε’ risque d'y avoir interaction donc frottement importante donc plus de d'où travail dans champ électromagnétique et pas électrique - t+dt + chaleur seul sinon alignement t=0 d E E δ = angle de perte ou déphasage temporel entre l’orientation de la molécule de solvant et l’orientation du champ électrique lié aux frottements si pain rassis il faut le mouiller, si aliment sec au Inversion du gradient de T°C microonde alors risque incendie si huile ou composé purement apolaire au microonde alors pas de réaction idem pas de vaisselle métallique sinon ça brule alors céramique, verre ici, phénomène intensifié par microonde les 2 sont inverses gradient de chaleur inversée Représentation des 2 modes de chauffage et des gradients de T°C associés: (a) par convection ou conduction thermique et (b) par micro ondes  Comparaison efficacité des méthodes de chauffage de la matière végétale Particules de tissu végétal Parois + membranes altérées par chauffage µ onde chaud froid 2 3 2 1 1 4 3 Par micro ondes Par eau ou vapeur d’eau Ø 1 - propagation µ onde /matière végétale q 1 - diffusion du solvant dans la cellule - Lent Ø 2 - échauffement Rapide - dissolution Rapide Ø 3 - transfert de chaleur int. vers ext. q 2 - dissolution des composés de l’huile essentielle Ø 4 - transfert composés d’intérêt facilité et Rapide q 3 - diffusion des composés d’intérêt vers extérieur - Lent on peut chauffer directement sans solvant mais il faut matrice végétale fraiche, taux d'humidité élevée  Extraction avec ou sans solvant, assistée (chauffage) par micro ondes cas de l'hydrodistillation distillat condensé avec ou sans solvant (eau) Avec oul’eau « sans solvant » car présente dans lesans tissu végétal sert de solvantsolvant (eau) q Abaisse la durée d’extrac[on: 20 min contre 3 heures en hydro-disillaion q Énergie consommée + faible car T°C plus basse= accélère la chauffe q Réduit dégrada[ons thermique et hydroly[que des composés oxygénés permet d'augmenter les q Rendement d’extrac[on ≤ rendement hydro dis[lla[on rendements  Photo microscopie optique de feuilles d’Epimedium:, (A) échantillon non traité Epimedium: fleur des Elfes Altération de l’intégrité des parois (B)échan[llon après irradia[on micro ondes et membranes cellulaires du à la chauffe, déstructuration de la paroi végétale ce qui accélère l'extraction (création de pore)  Paramètres influençant l’extraction assistée par micro ondes q Le nature du (des) solvant(s): - sélectivité vis-à-vis des composés à extraire - constante diélectrique ε’ et perte diélectrique ε’’ q Rapport vol. solvant (ml)/masse tissu végétal (g): 10/1 à 50/1 10% énorme à 2% car microonde permet milieu concentré q Température et Pression: ex: 70 à 150°C P atm q Durée extraction: quelques min. à 0,5h – possibilité réalisation de cycles d’irradiation successifs faire pulse car chauffe très vite donc dégradation donc on chauffe d'un coup puis refroidi... q Puissance: 250 à 1000 W couple puissance durée : faible puissance et durée q État matrice végétale: plus longue ou puissance forte mais durée très courte - humidité (30 à 70%) - granulométrie (0,1 à 2 mm) car on veut éviter dégradation thermique inconvénient microonde on ne peut pas connaitre température du moins pas à cœur juste indicateur ici pas question de surface mais de chauffe QUELQUES VARIANTES TECHNOLOGIQUES DE L’EXTRACTION ASSISTEE PAR MICRO ONDES  FMAE: Focused Microwave Assisted Extraction PMAE: Pressurized Microwave Assisted ExtracBon Contrôle T°C Représentation schématique: (a) open vessel (FMAE) in monomode focused microwave oven À pression atmosphérique et T°C max = T°C ébullition du solvant elevé pression = donc augmente température du système (b) closed vessel (PMAE) in multimode microwave oven à pression (10 à 100 bar) > P. atm et T°C > T°C ébullition du solvant augmentation vitesse et efficacité extraction  Extraction micro ondes sous vide (VMAE) T°C ébullition du solvant Meilleur mélange avec matrice Adaptée pour composés thermosensibles et sensibles à l’O2 abaissé température on peut extraire composé thermolabile, permet de préserver composé de la dégradation des structures et de l'oxydation Ex: Quercétine / Myrica rubra – ETOH 95% - 6 ml/g-70°C-20 min.-0,4 bar  Extraction Soxhlet assistée par micro ondes Diminution durée d’extraction/Soxhlet conventionnel Meilleure extraction solutés fortement liés à la matrice Four à micro ondes pas vraiment efficace à part si matrice est humide apport sup. d’E par µ ondes Thymol et Carvacrol Thym commun Hydro distillation assistée par micro ondes Meilleure efficacité du système de chauffage/HD conventionnelle Ex: huiles essentielles Thymus vulgaris – EAU – 20 ml/g - 990W - 120 min.  Extrac]on par vapeur d’eau Lavande officinale Distillation à la vapeur assistée par micro ondes Efficacité extraction accrue car T°C + élevée au niveau de la matrice végétale Ex: huiles essentielles Lavandula angustifolia-vapeur d’eau- 20g-200W-6 min.  très peu de microonde à l'échelle industrielle juste pilote, inconvénient : limite peu installé car très couteux (avec magnéton...) pasteurisation ralenti croissance et ne détruit pas bactérie (strélisation) quelques seconde au lieu d'une demi heure à 72/75°c (FRUITNOV)  EXTRACTION ASSISTEE PAR ULTRASONS ou UAE « Ultrasound-Assisted-Extraction » Accélère solubilité des composés (rôle normale)  utiliser pour exxtraction ici déjà on n'utilise pas Gammes de fréquences des ondes sonores industriellement on porte des casques pdt travail avec ultrasons car oreille humaine se détériore si ultrason trop élevé  λ= c/f λ = 7,5 cm C = 1480 m/s dans l’eau A = 2,95 µm Si fréquence = f = 20 000 Hz facteur 10000 entre microonde et ultrason car ultrason avec vitesse du son et non de la lumière (microonde) Principales caractéristiques physiques d’une onde ultra son  bain difficile de règle l'amplitude alors que la sonde peut régler Générateur amplitude (plus amplitude + importe plus puissance importante) Sonde US de labo.  Sondes US Macro sonde Micro sonde pour grand volume pour petit volume  Bulle de cavitation en formation création de vide, rempli par gaz dissous du solvant (les gaz changent d'état) donc il y a un dégazage = création bulle qui vont éclater Zones de compression et de raréfaction (dilatation) engendrées par la propagation de l’onde ultrason  ultrason est un disposition médical aussi Principe de l’extraction par Ultra sons - Les ondes ultrasonores (ondes élas]ques de pression) se propagent en milieu liquide (suspension de par]cules de ]ssu végétal) - Appari]on du phénomène de cavita]on: - créa]on de zones alterna]vement comprimées et dilatées - Dans zone dilatée, pression très inférieure à pression atm. au point d'impact élévation tellement importante que les bulle vont éclater et vont endommager matrice végétale ainsi dégrader (perforer) et augmente vidange. Création de microcavités de diamètre 10 à 100 µm (bulles de cavitation) Lorsque pression redevient sup. pression atm. Il y a implosion de la cavité Induction locale de variations de pression et T°C très importantes (plusieurs milliers de fois la P atm. et plusieurs milliers de °C)  Extraction assistée par ultra sons: UAE compression compression compression compression raréfaction raréfaction raréfaction raréfaction raréfaction D’après F. Chemat, Alternative solvents for extraction, purification and formulation, U. Avignon, juin 2015  « bulle de cavita]on» à très basse pression Compression de la « cavité » Altération de la paroi et membrane cellulaire Cellule de tissu végétal Implosion de la « cavité » Implosion des bulles de cavitation et relargage du matériel intra-cellulaire ! Les gaz dissous (oxygène, dioxyde de carbone) favorisent la formation des bulles de cavitation  A B C Photomicrography of basil leaves in the essential oil extraction A, intact cells and essential oil glands B, essential oil gland after conventional maceration, C, basil cells after ultrasound-assisted extraction. D’après « Natural Product Extrac=on, principles and applica=ons, RCS Publishing, 2013  double enveloppe (avantage comparé au microonde), ici controle de température de l'extraction Systèmes d’extraction par ultra sons: A) Bain US; B) Réacteur US beaucoup plus industrialisé que microonde (idem echelle pilote) caisse d'isolation seul chose à regarder : la viscosité du solvant car se déplace moins vite  Carottes Carottes Broyage grossier broyage jus + huile de tournesol séchage Extraction assistée par US – 150 W Broyage fin CSE: filtration Extraction par solvant β-carotène Huile enrichie en filtration β-carotène Solubilisation/ Représentation schématique évaporation Huile de de 2 procédés d’extraction tournesol du β-carotène  Paramètres influençant l’extraction assistée par US q Le nature du (des) solvant(s) : sélectivité, point ébullition, viscosité, … q Rapport vol. solvant (ml)/masse Issu végétal (g) q Couple Température / Durée extracIon q État matrice végétale: - humidité - granulométrie si température haute et viscosité faible = diffusion rapide = accélere allure EXTRACTION PAR SOLVANT SOUS PRESSION ou PSE; PLE; SWE, ASE, SHLE… PSE: Pressurized Solvent Extraction PLE: Pressurized Liquid Extraction SWE: Subcritical Water Extraction ASE: Assisted Solvent Extraction SHLE: Super Heated Liquid Extraction  Principe: q Pressuriser le mélange matrice végétale/solvant d’extraction q le solvant reste à l’état liquide bien que T°C du système > T°C ébullition q Sa viscosité est abaissée, q Sa capacité de diffusion dans la matrice végétale est augmentée q La vitesse d’extraction est augmentée, q La consommation en solvant est réduite q La durée d’extraction est réduite  Extraction à l’eau subcritique SWE: Subcritical Water Extraction ici juste polaire à PEU polaire, apolaire IMPOSSIBLE  Diagramme de phases de l’eau Ex: sous une pression de 40 bar l’eau restera à l’état liquide si la T°C est < 250 °C ici eau subcritique (pression qui fait que eau etat liquide mais température plus éleve fourchette entre 120 et 150°c pour du végétal et une vingtaine de bars  Principe PLE: - Pressuriser le mélange matrice végétale/solvant, de telle sorte qu’il soit possible de maintenir le solvant à l’état liquide à des T°C élevées, très > à son point d’ébulliIon. - Lorsque l’eau est le solvant aueignent les points criIques, sa capacité à extraire des composés faiblement polaires (iniIalement peu hydrophiles) devient possible du fait de l’abaissement de sa constante diélectrique dans de telles condi[ons de T°C élevées. - La viscosité du solvant est également abaissée, ce qui facilite sa capacité à diffuser au sein de la matrice végétale. - Il en résulte une diminuIon de la durée d’extracIon et de la consommaIon de solvant. Couple pression/température  Extraction par H2O à T°C subcritique, SWE: modification des propriétés physico chimiques Physical properties of water at a pressure of 240 bars versus temperature. Dielectric constants of typical organic solvents at room temperature are indicated  Extraction par solvants sous pression Accélération du processus d’extraction en agissant sur le couple T°C / pression - viscosité solvant diminue donc meilleure pénétration dans végétal - Augmentation solubilité huile essentielle - diffusion huile essentielle – vitesse extraction 10 à 150 bars 50 à 200°C Solvant reste liquide à T°C élevée si Pression grande Réduction des durées d’extraction et de la consommation de solvants comparables à SFE et MAE Cellule pressurisée qui conbent la matrice végétale (Sable ou adjuvants Siliceux) Célite = adjuvant siliceux Exemple: Cellule d’extraction par solvant sous pression en mode statique Injection solvant - Volume cellule = 22 ml Particules de tissu végétal - Pression = 100 bar de dp contrôlée - Masse écorces /cellule @ 6g = lit fixe - Nombre de cycles d’extraction 1 à 5 - Durée d’un cycle (temps contact solvant/végétal) 3 à 9 min - T°C extraction 50 à 140°C Solvant + solutés extraits La pression imposée dans extracteur de laboratoire est souvent voisine de 100 bar, ceci permet de travailler avec plusieurs types de solvants de point d’ébullition différents Mode statique n cycles Déplacement séquenciel de l’équilibre de diffusion Déplacement permanent de l’équilibre de diffusion Mode dynamique Percolation en continu du solvant  EXTRACTION PAR FLUIDE SUPER CRITIQUE ou Supercritical Fluid Extraction (SFE)  Extraction par fluide supercritique: CO2 « une alternative verte aux procédés par solvants » Fluide supercritique [FSC] utilisé à Température > 32 °C et Pression > 73.8 bars: § Densité FSC voisine densité CO2 liquide grande capacité de solubilisation huiles essentielles et autres composés peu ou apolaires § Viscosité FSC ≈ 100 fois inférieure viscosité CO2 liquide Transferts de chaleur et des § Diffusivité FSC ≈ 100 fois supérieure diffusivité CO2 liquide composés très rapides  Principe SFE: - L’extraction par fluide supercritique nécessite une mise en œuvre à des T°C et pression au-delà des T°C et P critiques du fluide. - Le CO2 est le fluide le + utilisé pour ce type d’extraction. Sa T°C critique faible, inférieure à 32°C, en fait un solvant adapté à l’extraction de composés thermosensibles. - A une T°C > 32°C et une pression > 73 bar, le CO2 supercritique présente: - une viscosité proche de celle d’un gaz, - une masse volumique voisine de celle d’un liquide - ainsi qu’une très grande diffusivité. - Il en résulte un excellent pouvoir solvant vis-à-vis des composés peu ou apolaires - Toutefois cette sélectivité peut être modulée grâce à l’ajout, dans de faibles proportions, de co-solvants tels que l’eau et/ou l’éthanol, afin de conférer au fluide supercritique la capacité d’extraire des composés + polaires tels que des polyphénols.  Extraction par fluide supercritique: CO2 « une alternative verte aux procédés par solvants » Recyclage CO2 détente Huile essenbelle Matériel végétal percolé par CO2 supercritique (40 à 60°C / 100 à 200 bars) q CO2 non inflammable, non toxique, recyclage au cours du procédé  Extraction par fluide supercritique: CO2 - Avantages: q Très bien adapté à l’extraction de composés sensibles à T°C q Pouvoir solvant modulable en jouant sur couple T°C / Pression permet une extraction sélective des constituants peu polaires à apolaires - Inconvénient: q Coût élevé des installations  Extraction assistée par champs électriques pulsés Pulsed Electric Field Autre technique apparentée: High Voltage Electric Discharge - HVED Extraction assistée par champs électriques pulsés: PEF Électro perméabilisaZon Application d’un champ électrique pulsé: - intensité 1,5 kV - durée impulsions 10 à 1000µs T°C extraction basse - Nbre impulsions par « train » 1 à 1000 - Nbre de trains 1 à 10 000 - Augmentation du potentiel transmembranaire (- 70 mV au repos) - Électro compression de la membrane - Apparition de pores: électro perméabilisation - Transfert de matière vers extérieur cellule  Principe PEF: - Application, à la matrice végétale, d’un champ électrique de forte intensité (+sieurs kV/cm) - Délivré sous la forme de trains d’impulsions de très courtes durées (quelques 10 aines à quelques 100 aines de µseconde) - Cela va engendrer une modification structurale des membranes cellulaires, notamment une électro compression qui est réversible si E < E critique - A partir d’une valeur seuil d’intensité de champ électrique (> E critique), la compression se traduit, de façon irréversible, par l’apparition de pores par lesquels les composés intracellulaires d’intérêt pourront diffuser vers le solvant d’extraction.  Caractéristiques du champ électrique fourni par le générateur 1.5 kV ; 20 A. Tension (U) train d’impulsions Intensité du courant (A) 0-1500 V (précision ± 1 V) durée impulsion Nombre d’impulsions par 0-20 A train (n) 1-10000 Durée de chaque impulsion 10 - 1000μs (précision ± 2 μs) (di) 1 - 100 ms (précision ± 0,1 tension Période (Pe) ms) Nombre de trains (N) 1 - 10000 Temps de repos entre chaque 1 - 3600 s repos train 0 - 1000 Ω Résistance inter-électrode période d’impulsion  Représentation schématique d’une installation de pré-traitement par PEF électrodes Ex: - distance entre électrodes = 3cm - Champ électrique = 13 300 V/cm - Durée d’1 impulsion = 10µs - Nombre d’impulsion/ train: 10 à 1500 - Délai entre 2 trains d’impulsions = 2s Traitement à basse T°C: 20°C en entrée de la chambre et 35°C en sortie Représentation schématique d’une installation de pré-traitement par PEF Extraction de jus à partir de fruits soumis à un champ électrique pulsé Exemple d’application de la technologie PEF en IAA (décontamination microbienne) Application des PEF à l’extraction d’anthocyanes  Note: La mise au point et l’optimisation d’un procédé d’extraction d’actifs type « polyphénols » Nécessite de disposer de: - Une méthode de dosage global de cette famille moléculaire - Une méthode globale de dosage de l’activité biologique principale liée à cette famille moléculaire: Activité anti oxydante  Dosage des polyphénols totaux : Méthode colorimétrique de Folin-Ciocalteu Principe: Le réactif de Folin-Ciocalteu est constitué d’un mélange d’acide phosphotungstique et phospho molybdique. Le réactif est réduit lors de l’oxydation des composés polyphénoliques en un mélange d’oxydes bleus de tungstène et de molybdène. La coloration produite présente une longueur d’onde d’absorption maximale entre 725 et 750 nm. En règle générale on établit une gamme étalon avec de l’acide gallique et l’on exprime les résultats (concentrations) en mg équivalent acide gallique (GAE) Mise en œuvre du dosage en micro plaques à puits Acide gallique  Mesure activité anti oxydante par test DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) La réaction mise en jeu est la suivante : Z. + AH → ZH + A. avec : AH = composés phénoliques et Z. = DPPH (sous forme de radical libre) + AH O2 N O2 N Ph Ph H N N NO2 N N NO2 Ph Ph + A. O2 N O2 N DPPH (radical libre) DPPH (radical capté)  radical DPPH Composé ani oxydant DPPH réduit Le DPPH à l’état radicalaire absorbe à 510 nm (couleur bleue intense) Sa réduction par un composé anti oxydant se traduit par une modification de son spectre d’absorption, le DPPH à l’état réduit est jaune. I. Dosage des flavonoïdes totaux 1-Principe: Le dosage des flavonoïdes totaux est basé sur un test colorimétrique utilisant le trichlorure d’aluminium AlCl3. En effet, il a été démontré que ce réactif forme des complexes acides stables soit avec le carbonyle (C=O) en position C-4, soit avec le groupe hydroxyle en C-3 ou C-5 des flavones et des flavonols. Par ailleurs, AlCl3 peut également former des complexes acides labiles avec les groupements orthodihydroxyles éventuellement présents sur le noyau A et/ou B des flavonoïdes. Des auteurs ont montré que les complexes formés par l’AlCl3 avec 15 composés flavonoliques de référence présentent une absorption maximale à des longueurs d’onde variant entre 415 et 440 nm (jaune) La teneur des flavonoïdes totaux peut être calculée à partir de l’équation de la courbe d’étalonnage d’un flavonoïde pris comme référence, à savoir la quercétine. Ortho dihydroxyle C-4 Le test ORAC (Oxygen Radical Antioxidant Capacity) Principe: Dégradation de la fluorescéine (FL : " 3',6'-dihydroxyspiro[isobenzofuran-1[3H],9'[9H]-3- one]) induite par la décomposition thermique (37°C) de l'AAPH (2,2'-azobis (2 amidinopropane) dihydrochloride) en deux radicaux libres. La présence d'antioxydants dans l'échantillon en retarde la dégradation. La réaction est standardisée par rapport à des concentrations connues de TROLOX connu pour son activité antioxydante. fluorescéine Radicaux AAPH Trolox Le test ABTS Principe: En réagissant avec le persulfate de potassium (K2S2O8), l'ABTS (acide 2,2'-azino-bis(3éthylbenz-thiazoline-6-sulfonique)) forme le radical ABTS.+, de couleur bleue à verte. L'ajout d'anIoxydants va réduire ce radical et provoquer la décoloraIon du mélange. La décoloraIon du radical mesurée par spectrophotométrie à 734 nm est proporIonnelle à la concentraIon en anIoxydants. La méthode est généralement standardisée par rapport au TROLOX.  + A. + AH ABTS réduit, incolore Radical cationique ABTS (bleu/vert λ max = 734 nm) Trolox : analogue hydrosoluble de la vitamine E  Une démarche générale pour le choix d’un procédé d’extraction  Ce qu’il faut considérer lorsque l’on veut choisir et développer un procédé d’extraction Le ou les composés ciblés Nature de la MP végétale Procédé d’extraction Solvant(s) d’extraction L’application envisagée pour l’extrait  Schéma type de conception/optimisation d’un procédé d’extraction d’actifs biologiques Sélection de la M. P. végétale Sélection de la méthode ou procédé d’extraction Sélection des techniques de séparation/fractionnement/purification Obtention de l’extrait brut d’actifs /fractions semi purifiée/substance pure Optimisation du procédé  Sélectionner une méthode ou un procédé d’extraction: Paramètres à prendre en considération Paramètres liés à matière première végétale: - composition chimique - disponibilité de la ressource, variabilité de sa composition (facteurs agronomiques) - nécessité mise en œuvre d’un prétraitement physique Paramètres méthode ou procédé d’extraction: - extraction en mode discontinu ou séquentiel ou continu - techniques complémentaires de fractionnement et/ou de purification de l’extrait - transfert d’échelle du procédé Paramètres opérationnels: - choix nature du ou des solvants d’extraction - rapport vol. solvant/masse MP végétale - durée extraction - T°C, pH, granulométrie MP végétale… - vitesse agitation, utilisation US, µondes, Pression…  Source MP végétale renouvelable (plante entière, organes spécifiques, coproduits de la 1ère transformation…) Mise en forme MP avant extrac[on (séchage, broyage…) MP adaptée à l’étape d’extraction Choix d’un ou de solvants Choix du mode de mise en contact avec MP Choix d’un procédé d’extraction MP + système solvant d’extraction Choix des paramètres ou facteurs de réglage des conditions d’extraction et de leurs ¹ niveaux (T°C, rapport MP/solvant, durée, pH, dp MP, …) Mise en place d’un plan d’expériences Op]misa]on sur base résultats Série d’essais d’extraction essais réalisés dans des conditions définies (facteurs à ¹ niveaux) Analyses des extraits (dosages spécifiques des composés d’intérêt, Extraits calcul de Rdt d’extraction…)  Exemple: Mise au point et optimisation d’un procédé d’extraction d’actif pour application cosmétique, nutraceutique… Objectifs: - Concevoir un procédé d’extraction « vert* » à partir de matières premières de haute qualité , parfaitement tracées * Répondant aux principes de l’éco extraction. Pré requis: - Choisir les critères sur la base desquels l’efficacité du procédé d’extraction sera évaluée: - Teneur de l’extrait en actif - Pureté de l’actif - Activités biologiques - Nature des contaminants (si tolérés) - Etre capable de doser l’actif dans la matière première ainsi que dans le produit fini avec des techniques simples, rapides, précises et fiables - Définir les facteurs (paramètres) du procédé d’extraction dont on va étudier l’influence sur la qualité du produit fini (rendement, pureté, activités biologiques…)  Exemple: Mise au point et optimisation d’un procédé d’extraction d’actif pour application cosmétique, nutraceutique… 1) Choix des facteurs dont l’influence pourrait être étudiée sur la qualité de l’extraction: Exemples - A: Température - B: Nature du solvant/ concentration du solvant « Facteurs » procédé - C: Rapport MP/Solvant - D: Granulométrie MP « Facteurs » matière première - E: Matière sèche MP 2) Choix des modalités ou niveaux de chacun des facteurs dont l’influence sur le procédé pourrait être étudiée: - ex: 3 valeurs de T°C … - ex: 3 valeurs de rapport MP/Solvant - ex: 3 valeurs de concentration de solvant  Dans un tel procédé d’extrac]on comportant: - 5 facteurs ou paramètres de réglage - qui doivent être testés à 3 niveaux différents Si l’on devait tester toutes les combinaisons possibles, cela nécessiterait de réaliser ( nombre de niveau) nombre de facteur = 35 = 243 combinaisons qui représentent l’ensemble du domaine expérimental Démarche irréaliste car économiquement non rentable Mise en place d’une approche par plan d’expérience  L’intérêt de l’approche par plans d’expérience q Sélectionner et ordonner des essais à réaliser, pour identifier à moindre coût, les effets de facteurs réglés à différents niveaux (ou modalités) sur des réponses quantifiant les performances du procédé d’extraction q Le nombre de facteurs et le nombre de niveaux associés à ces facteurs permet de générer un domaine expérimental qu’il va falloir explorer uniformément q Le plan d’expériences adapte le nombre d’essais sans toutefois augmenter l’incertitude sur l’estimation et la comparaisons des effets des facteurs q Nombre et nature des essais à réaliser dépend du nombre de facteurs et de leurs niveaux. Représentation graphique du domaine expérimental: 81 combinaisons possibles: Si 4 facteurs (A, B, C, D) avec 3 niveaux (1, 2 et 3) Nombre combinaisons = 34  Les combinaisons testées: o A1,B1,C1,D1 o A1,B2,C1,D1