1.4.1 Techniques d’extractions conventionnelles
De nos jours, les techniques d’extraction, que ce soit pour l’industrie chimique, pharmaceutique ou même agroalimentaire, doivent répondre à plusieurs exigences, telles que la recherche de l’efficacité d’extraction du composé choisi, la sélectivité, la préservation de ce composé, ainsi que le choix de techniques dites « propres », pour la préservation de l’environnement. Les extractions conventionnelles sont par définition celles utilisées traditionnellement et depuis de nombreuses années dans l’industrie pour l’extraction de différents composés phytochimiques. Elles comprennent les extractions en batch, par soxhlet, l’extraction assistée par sonication et l’hydrodistillation. Cette dernière technique consiste en un entrainement à la vapeur et concerne plus particulièrement les huiles essentielles (Chémat, 2010; Yim et al., 2014). Le tableau 1.2 décrit les avantages et les inconvénients de chacune de ces techniques conventionnelles. Ces méthodes conventionnelles sont connues pour utiliser de grands volumes de solvants organiques, engendrant des problèmes environnementaux et aussi économiques, nécessitant beaucoup d’énergie pour leur évaporation. De plus, elles sont souvent basées sur des protocoles nécessitant beaucoup de main-d’œuvre et de suivis. Enfin, la génération de déchets issus de ces procédés est importante.
Le principe de l’extraction verte, mais aussi de la chimie verte dans son ensemble passe par des efforts dans la réduction de l’énergie utilisée pendant les procédés. La minimisation de la consommation d’énergie passe par l’optimisation de ces derniers, mais également par la récupération et la réutilisation de l’énergie libérée pendant le procédé,
par l’innovation et l’intensification des procédés. Pour finir, la réduction des différentes étapes lors d’un procédé permet de sauver du temps, d’économiser l’énergie et réduire les coûts de main d’œuvre (Chemat and Strube, 2015).
Tableau 1-1: Présentation des techniques d’extraction conventionnelles
1.4.2 Techniques d’extraction innovantes
Face aux inconvénients des techniques conventionnelles, de nouvelles méthodes d’extractions ont été développées afin d’améliorer l’efficacité de l’extraction de molécules alimentaires. Ces nouvelles méthodes d’extractions, détaillées ci-après, permettent d’automatiser des procédés dans les usines, de réduire l’utilisation de solvants organiques et d’augmenter la sélectivité de l’extraction.
L’extraction assistée par liquide pressurisé est basée sur l’utilisation de solvants à température élevée et soumise à des pressions suffisamment élevées pour maintenir leur état liquide. Ces conditions procurent certains avantages tels qu’un temps d’extraction et un volume de solvant réduits, une possibilité d’automatisation ainsi qu’une efficacité d’extraction accrue. En effet, le travail à une température plus élevée permet d’augmenter la solubilité des composés dans un liquide en diminuant la viscosité et la tension de surface du liquide utilisé, assurant ainsi un meilleur contact avec la matrice. De plus, une
Types d’extraction Avantages Inconvénients
Batch Contrôle de la température,
préservation des composés thermosensibles
Travail avec mélanges de solvants
Étapes de filtrations et évaporations nécessaires
Soxhlet Échantillon en contact avec solvant
pur, meilleur transfert de matières Pas d’étape de filtration après l’extraction
Durée importante d’extraction Grande quantité de solvants
Haute température pendant longues périodes (destruction molécules sensibles, économiques et environnementales)
Échauffements locaux possible
Étape de concentration et d’évaporation Pas facilement automatisable
Assistée par sonication Augmentation rendement d’extraction Accélération de la cinétique Diminution de la température d’extraction utilisée Étapes de filtration
Étapes d’évaporation et concentration
température plus haute va favoriser un meilleur transfert de matières à partir de la matrice végétale. Seulement deux facteurs varient au cours de ce type extraction : le temps et la température d’extraction. Pour les caroténoïdes et la chlorophylle, des températures supérieures à 100°C engendrent des dégradations significatives de ces deux composés. L’éthanol soumis à une pression de 100 bar et 50°C a permis d’obtenir de bons rendements d’extraction des caroténoïdes de germes de maïs (Jaime et al., 2010; Mattea et al., 2009).
L’extraction par de l’eau subcritique est également très utilisée pour l’extraction de phytomolécules. L’état subcritique d’un liquide est défini lorsque la température ou la pression atteint sa température critique, c’est-à-dire la température maximale en phase liquide. L’eau dans sa forme subcritique possède une constante diélectrique beaucoup plus faible qu’à son état normal, c’est-à-dire à température et pression normale (TPN). En effet, à ces températures, on retrouve une constante diélectrique (𝜀) de l’eau d’environ 80; elle s’abaisse à 25 lorsque la température atteint 250°C. Cette dernière valeur est similaire à celle de solvants organiques à TPN, tels que l’éthanol et le méthanol (Herrero et al., 2006). Rappelons que plus une constante diélectrique est basse, plus le solvant présente des caractéristiques apolaires, car moins il sera capable de séparer les charges, caractérisant les molécules polaires. Néanmoins, la plupart des caroténoïdes ont une polarité bien plus basse, rendant inefficace cette technique pour l’extraction de ces molécules, et la chlorophylle, bien que plus polaire que la lutéine est une molécule hautement thermosensible (Schoefs, 2005).
L’extraction assistée par micro-onde est une technique simple, basée sur la destruction des cellules végétales permettant par conséquent la libération de leurs contenus. L’appareil va émettre des ondes de hautes fréquences et donc soumettre le matériel à extraire à un champ électromagnétique. L’eau contenue dans la matière de départ va être chauffée par ce champ, provoquant une lyse des cellules végétales. L’avantage de cette méthode est qu’elle requiert moins d’énergie que les méthodes conventionnelles qui ont recours à un broyage cellulaire et que requiert moins de solvant pour l’extraction. L’inconvénient majeur de cette technique est la chaleur émise au cours du procédé qui peut-être incompatible avec les caractéristiques de thermolabililité des molécules (Gong and Bassi, 2016; Herrero and Ibáñez, 2015; Herrero et al., 2010, 2013)
1.4.3 Méthodes de purification
Des méthodes de purification innovantes et récentes peuvent être utilisées pour la séparation de la lutéine et de la chlorophylle, par exemple une chromatographie à contre- courant à haute vitesse (HSCCC), l’utilisation de colonne de chromatographie en phase inverse, la précipitation par fluide supercritique avec utilisation d’un antisolvant (Gong and Bassi, 2016). Cependant, même si ces méthodes permettent d’obtenir des puretés en lutéine et en chlorophylle plus importantes, les coûts qui y sont associés sont élevés en comparaison avec une méthode de purification et d’extraction simple obtenue par saponification. Ce type de procédé est largement utilisé pour la purification des caroténoïdes à partir de microalgues, de légumes verts et de fleur de souci, ainsi que pour dans la production d’extraits concentrés en chlorophylline. Cette méthode fait d’ailleurs l’objet de nombreux brevets (Liu and FAN, 2010; Ole, 1955; QIU et al., 2017). De fait, il est parfois préférable d’obtenir une pureté un peu moins élevée pour garantir des coûts de production bénéfiques pour l’industrie.
La saponification est une procédure analytique standard, utilisée pour éliminer la chlorophylle des légumes verts afin d'éviter le problème d'interférence entre la chlorophylle et les caroténoïdes lors de la détection chromatographique (Rodriguez, 2001 ; Rodríguez-Bernaldo de Quirós et Costa, 2006). Elle consiste à hydrolyser en milieu basique un ester en ion carboxylate et un alcool. Cette réaction implique une base forte qui est souvent de l’hydroxyde de sodium ou de potassium (NaOH ou KOH). La saponification est également utilisée à l'échelle industrielle dans des procédés d'extraction et de purification de caroténoïdes. Elle permet l’amélioration du rendement d'extraction de la lutéine de la fleur de souci en éliminant les lipides saponifiables et en augmentant la rupture des cellules végétales. La saponification est également utilisée pour la production de lutéine à partir de microalgues. Dans ce cas, un traitement alcalin dans un premier milieu aqueux (4% de solution aqueuse de KOH, 40 °C) est très utile pour retenir les acides gras et la chlorophylle dans la première fraction aqueuse. En effet, la concentration de KOH ou NaOH utilisée varie généralement de 2,5% à 40% dans la littérature, avec une température maintenue en dessous de 60°C (Gong and Bassi, 2016). Les caroténoïdes sont ensuite extraits avec un solvant organique (Fernández-Sevilla, Acién Fernández, et Molina Grima, 2010). Néanmoins, ce procédé, efficace pour la séparation des caroténoïdes et de la chlorophylle, provoque des dégradations importantes de la lutéine et des caroténoïdes en général (Granado, Olmedilla, & Blanco, 2001). Ainsi,
les paramètres de saponification doivent être optimisés afin de rechercher le bon compromis entre l’extraction d’un maximum de chlorophylle et le maintien de l’intégrité de la lutéine. Plus le temps de saponification est élevé, plus il y a rupture des cellules et la libération de leur contenu. La lutéine et la chlorophylle, localisées dans les chloroplastes, deviennent plus accessibles lors de l’exposition à l’hydroxyde de sodium. Les auteurs utilisent généralement la saponification pendant une longue période de temps, jusqu'à 10 heures (Rodriguez, 2001 ; (Gong and Bassi, 2016).
La température est un paramètre important lors de la saponification. En effet, le procédé de saponification est exothermique et, par conséquent, l'augmentation de la température accélère la réaction de saponification. D'autre part, la lutéine n’est pas stable à haute température, en fait une température modérée pendant le procédé semble permettre une meilleure récupération de cette molécule (Han et al., 2013). L'utilisation d'hydroxyde de sodium provoque une perte importante de lutéine. Cette tendance a été largement décrite dans la littérature, où, dans la plupart des expériences de saponification, on observe une dégradation des caroténoïdes. Les caroténoïdes les plus sensibles aux traitements alcalins sont les xanthophylles, en particulier les epoxycarotenoides (Granado et al, 2001; F. Khatchig et al, 1992). Ces dégradations sont causées par l’apparition de phénomène d’isomérisation des caroténoïdes (Granado et al., 2001). La perte de lutéine pourrait être réduite en utilisant une atmosphère d'azote ou en ajoutant un antioxydant pendant la réaction (Kimura, Rodriguez-Amaya, et Godoy, 1990). Certains auteurs ont utilisé la saponification après l’extraction sur le résidu, afin de réduire le temps de saponification et de la perte de caroténoïdes. La chlorophylle est alors séparée de la lutéine de façon simple et peu coûteuse par ce procédé. En effet, la chlorophylle est hydrolysée et convertie en sels, devenant ainsi soluble dans l’eau et extractible lors de la première extraction aqueuse. Les caroténoïdes, avec les autres lipides insaponifiables, constitués par les cires, les phospholipides, les stérols et la chaîne phytol de la chlorophylle sont extraits par la suite lors de l’addition d’un solvant organique.