Dans la plupart des cas, les schémas de fractionnement des hémicelluloses décrits dans la littérature font intervenir une extraction aqueuse. Ce type d’extraction est limité par la présence du réseau tridimensionnel de la lignine et par les liaisons ester et éther entre les hémicelluloses et la lignine. La plus grande partie des hémicelluloses de céréales n’est pas extractible à l’eau. D’une part, la répartition des substituants sur la chaîne xylanique agit sur leur comportement vis à vis de l’eau ; et d’autre part, l’eau seule ne suffit pas pour désorganiser l’enchevêtrement physique des molécules dans les parois cellulaires et rompre les liaisons ester avec les acides féruliques ou leurs dimères qui lient les chaînes entre elles (Izydoczyk et Biliaderis, 1995). D’où une solubilisation en milieu alcalin paraît nécessaire, même si la lignine peut restreindre le degré de solubilisation des hémicelluloses dans ce milieu alcalin. Dans certains cas, la délignification peut être utilisée pour obtenir des polysaccharides hémicellulosiques avec un bon rendement. D’autres prétraitements tels que la délipidation, la dépectinisation et la désamylation peuvent aussi améliorer la sélectivité de l’extraction alcaline.
Les paramètres physico-chimiques réactionnels tels que la température, la durée de réaction, les rapports liquide/solide et le pH varient selon les procédés décrits. En général, la température permet un apport important d’énergie, facilitant la rupture des liaisons intermoléculaires au sein de la paroi cellulaire et la solubilisation des molécules dans le milieu. Néanmoins, une température trop élevée peut altérer les structures de ces dernières. Le choix de la durée de réaction et des rapports liquide/solide doit, de même, favoriser l’extraction et la solubilisation des molécules intéressantes.
L’extraction par des solutions alcalines diluées telle que l’hydroxyde de sodium (NaOH) a beaucoup était étudiée, elle permet de détruire les parois cellulaires (Sun et al., 1996) et de rompre les liaisons existantes entre les hémicelluloses d’une part et les hémicelluloses et les autres constituants pariétaux (cellulose, lignines, protéines) d’autre part. L’agent alcalin induit une ionisation et une rupture des liaisons hydrogènes intra- et intermoléculaires, solvate les groupements hydroxyles par l’eau et saponifie les liaisons ester des acides uroniques et acétiques qui lient les chaînes hémicellulosiques entre elles ainsi qu’à la lignine (Lawther et al., 1995b). La solvatation permet le gonflement de la cellulose et le changement de conformation de différentes molécules. Cela déstabilise la paroi cellulaire végétale et augmente l’accessibilité aux différents composés. La solubilité des hémicelluloses dépend de la concentration en base et de leur composition en oses (Fang et al., 1999). Les hémicelluloses fortement substitués par des groupements arabinose sont plus facilement extractibles par les solutions alcalines diluées que les hémicelluloses les moins ramifiés (Bergmans et al., 1996). A pH élevé, les bases affectent la structure des hémicelluloses, elles permettent le clivage d’un certain nombre de liens covalents qui pontent les structures altérant l’organisation des parois. Ainsi, les esters uroniques et les groupements acétyles sont saponifiés et un certain nombre de liens phénylglycosidiques sont également rompus. Le degré de polymérisation des chaînes est diminué par l’intermédiaire de réactions de β-élimination qui dégradent les sucres réducteurs et d’hydrolyse des dimères d’acides féruliques qui couplent les chaînes cellulosiques entre elles. D’autres types de liens comme les liaisons peptidiques peuvent aussi être partiellement dégradés. Les polysaccharides hémicellulosiques solubilisés entraînent avec eux des résidus de lignines également solubles en milieu alcalin, de protéines, ainsi que des composés de type acides phénoliques (Lawther et al, 1995b). Plusieurs auteurs mettent en évidence par GPC (Gel Permeation Chromatography) une dégradation rapide de la masse molaire des hémicelluloses de la paille et du son de blé en milieu alcalin, même à la température ambiante (Lawther, 1995b ; Cui et al., 1999).
Les hémicelluloses, solubilisées par la solution alcaline, sont ensuite séparées du reste de la matière végétale par filtration ou centrifugation. La neutralisation de l’extrait alcalin par ajout d’acide (chlorhydrique ou acétique) jusqu’à un pH de 5 permet de précipiter et d’isoler les hémicelluloses A (Figure 20). L’ajout d’alcool (éthanol, méthanol ou isopropanol) à ce même extrait permet de récupérer les hémicelluloses B (Curling et al., 2007). Lorsque l’acidification
KOH plutôt que NaOH pour l’extraction, car l’acétate de potassium est plus soluble dans l’alcool que l’acétate de sodium, ce qui minimise le taux de minéraux co-précipités avec les hémicelluloses. La précipitation des hémicelluloses peut aussi être obtenue par l’ajout à la solution extractante de sulfate d’ammonium à 70-80% de la saturation (Greenshields, 1993 ; Izydorczyk et MacGregor, 2000).
Figure 20 : Protocole d’obtention d’une poudre hémicellulosique à partir d’un extrait alcalin
Le mécanisme de la précipitation des hémicelluloses en milieu alcoolique n’est pas bien connu, mais cette dernière pourrait trouver son origine dans l’alignement et l’agrégation, sous l’action de l’alcool, de parties de chaînes xylaniques non substituées (Izydorczyk et Biliaderis, 1995). L’étude de la précipitation fractionnée des hémicelluloses menée par plusieurs auteurs montre que les arabinoxylanes précipitent en deux étapes ; entre 0 et 20% d’éthanol (précipitation des hémicelluloses A), et entre 60 et 80% (précipitation des hémicelluloses B). Les arabinoxylanes précipitent d’autant plus rapidement dans une solution éthanolique qu’ils sont peu substitués (Brillouet et Mercier, 1982). La fraction des arabinoxylanes les plus substitués est encore soluble dans l’éthanol à 90%. Entre les deux zones de précipitation, la précipitation majoritaire des -glucanes est obtenue (Schooneveld-Bergmans, 1999). En plus de leur taux de substitution, la quantité de composés phénoliques associés aux polysaccharides influence leur solubilité (Dupont et Selvendran, 1987). Cependant, la
Extrait hémicellulosiquealcalin débourbé Réduction du volume par distillation
sous pression réduite Extrait concentré
Ajout d’1V d’éthanol 95% Ultrabroyage
Ajout d’acide acétique concentré jusqu’à pH = 5
Précipitation des hémicelluloses A
Gâteau de filtration 16 h à 4 C Ajout d’éthanol 95% (2V/V)
Précipitation des hémicelluloses B Filtration
Poudre hémicellulosique Séchage à l’air et broyage
requis et de la co-précipitation des minéraux. Plusieurs voies ont été proposées pour pallier cet inconvénient. Elles mettent en œuvre des étapes de purification de l’extrait par dialyse, ultrafiltration et traitement sur résines (Shiiba et al., 1993 ; Raynal, 1996 ; Bataillon et al., 1998), suivies d’une concentration et d’une précipitation par ajout d’alcool ou d’une atomisation ou d’une lyophilisation. Ces voies permettent d’améliorer la pureté des hémicelluloses isolées, mais ne préservent pas toujours leurs propriétés fonctionnelles (Raynal, 1996).