Après les étapes de prétraitement du son (désamidonation) et de la paille de blé (broyage), l’étape essentielle du fractionnement consiste en la solubilisation des hémicelluloses pariétaux dans le but de leur isolement.
III.1. Choix des paramètres physico-chimiques de l’opération
Plusieurs paramètres physico-chimiques, tels que la température, la durée de réaction, le rapport liquide/solide et le pH de la solution, sont mis en jeu lors de la solubilisation de ces polysaccharides afin d’obtenir de bon rendements d’extraction tout en conservant les propriétés intéressantes des poudres hémicellulosiques isolées (Raynal, 1996 ; Maréchal, 2001).
En effet, la solubilisation des hémicelluloses est essentiellement effectuée par action d’un composé alcalin, l’hydroxyde de sodium (NaOH). La solubilisation et l’isolement des ces biomolécules sont ainsi facilités, compte tenu de l’hydrolyse des différents types de liaisons qui les relient entre elles, aux autres molécules et à la paroi cellulaire. L’hydroxyde de sodium est une base forte largement utilisé en industrie chimique. Elle ne génère pas d’effluents toxiques et peut être neutralisée aisément par un acide faible comme l’acide acétique.
Les travaux antérieurs ont montré que la concentration de cet agent alcalin est un facteur prépondérant, une teneur en NaOH de 4% (NaOH/son de 2) permet d’extraire les hémicelluloses du son avec des rendements proches de 35% pour un temps de contact de 60 minutes, une température de 50°C et un rapport liquide/solide de 50. Le rendement étant exprimé comme le rapport entre la masse sèche de la poudre hémicellulosique isolée et la masse sèche du son désamidoné. L’augmentation de la concentration en hydroxyde de sodium permet d’améliorer le rendement d’extraction tout en préservant les propriétés rhéologiques des molécules extraites, mais à conditions de limiter la température et le temps de contact. L’augmentation de temps de contact, même si elle permet d’améliorer le rendement d’extraction, peut nuire à la qualité viscosifiante de la poudre hémicellulosique obtenue. La limitation de la température à des valeurs comprises entre 25°C et 50°C permet, de préserver la qualité de cette dernière.
La viscosité élevée des extraits alcalins impose un rapport liquide/solide assez élevé, entre 50 et 75, afin de permettre une bonne agitation du mélange et ultérieurement une bonne séparation des phases.
Compte tenu de tous ces résultats, les conditions opératoires des extractions des hémicelluloses du son et des hémicelluloses de la paille en réacteur agité ont été définies. Il a été décidé d’opérer avec un rapport liquide/solide de 50, une température de réaction de 40 C et une durée de réaction de 90 minutes, ces paramètres étaient constants pour tous les essais. La concentration de l’hydroxyde de sodium était le seul paramètre variable afin de pouvoir comparer par la suite son influence sur les rendements d’extraction des hémicelluloses du son et des hémicelluloses de la paille et ainsi que son impact sur le reste des opérations du procédé global de fractionnement. Les rapports NaOH/son et NaOH/paille étudiés étaient les suivants : 0,5 ; 1 ; 2 et 4.
Quant à l’extraction des hémicelluloses du mélange paille/son, les paramètres opératoires ont été conservés, sauf la concentration en NaOH. En effet, une seule concentration a été testée selon les rapports suivants : NaOH/matière sèche de 1 et NaOH/son de 2.
La raison de ce choix est basée sur les travaux antérieurs effectués par (Maréchal, 2001). En effet, les hémicelluloses, issues de l’extraction combinée du mélange paille/son, semblent provenir principalement du son, par conséquence les rendements des extractions en seront dépendants. Cette hypothèse avait été émise lors de l’étude des rapports Xylose/Arabinose : Les hémicelluloses extraites à partir du mélange paille/son, comme celles du son, se caractérisaient par rapport Xylose/Arabinose de 2 environ. Ce rapport est égal à environ 7 pour les hémicelluloses de la paille.
Le but de cette extraction du mélange sera donc, principalement l’étude de l’impact des structures et des propriétés des hémicelluloses extraites sur la suite des étapes du procédé.
III.2. Extraction des hémicelluloses du son et des hémicelluloses de la paille
III.2.1. Rendements des extractions
Les rendements de solubilisation de la fraction hémicellulosique contenue dans le son et la paille de blé sont calculés après séparation de l’extrait alcalin du reste de la matière végétale par filtration sous vide. Ces rendements dépendent largement de la concentration en agent alcalin (NaOH) apporté lors de l’étape d’extraction (Figure 47). Ils sont exprimés en pourcentage de matière organique (MO) extraite par rapport à la matière organique initialement présente dans la matière végétale.
telles que les protéines et les lignines, qui sont aussi solubles en milieu alcalin. En effet, l’extraction des hémicelluloses du son et de la paille de blé par l’hydroxyde de sodium permet de détruire les parois cellulaires de la matière végétale et de rompre les liaisons existantes entre les constituants pariétaux (cellulose, lignines, protéines...) et les hémicelluloses. La rupture de ces liaisons permettra par la suite de solubiliser et libérer ces dernières ainsi que toutes autres molécules solubles.
0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 R d ts (M O s o lu b ili sé e s) (% )
NaOH / Matière végétale
Son désamidoné Paille
Figure 47 : Rendements en matière organique (MO) solubilisée à partir du son et de la paille de blé après l’étape d’extraction alcaline
Les rendements en matière organique extraite augmente avec l’augmentation de la concentration en NaOH jusqu’à un rapport NaOH/Matière végétale de 2 (Figure 47). Au-delà de ces valeurs, les rendements diminuent très légèrement dans le cas de la paille de blé. En revanche, la diminution est nettement plus importante dans le cas du son désamidoné. Cette diminution est probablement due à l’augmentation de la quantité d’hémicelluloses solubilisées qui restent emprisonnées dans la matrice végétale du fait de leur capacité à former des gels de grandes viscosités (Lawther et al., 1995b). Lors de la séparation Liquide/Solide, ces biomolécules sont récupérées avec le reste de la matière végétale qui constitue le raffinat
(Figure 48). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 % M O da ns l e s ra ff ina ts
NaOH / Matière végétale
La nette différence entre le son désamidoné et la paille est expliquée par la nature différente de leurs hémicelluloses respectives. En effet, les hémicelluloses du son sont formées de chaînes très branchées qui les rendent plus visqueuses et plus gélifiantes et donc plus difficile à dissocier de la matrice végétale sans apport d’action mécanique.
III.2.2. Composition des extraits alcalins
La composition des extraits alcalins issus des extractions à différentes conditions est assez hétérogène du fait de la composition variée de la matière végétale brute et de l’influence de la concentration en NaOH sur les rendements de l’extraction et la solubilisation de différentes molécules.
En effet, après extraction alcaline à l’hydroxyde de sodium, l’analyse des extraits alcalins du son désamidoné et de la paille montre une forte augmentation de la quantité de matière sèche avec l’augmentation du rapport NaOH/Matière végétale (Tableau 13). Cette matière sèche est majoritairement composée de matière minérale, qui elle aussi augmente avec l’augmentation de la concentration en NaOH. Cela est visiblement dû à l’apport en charge minérale indispensable aux extractions et à la variation des concentrations en NaOH lors de ces extractions.
Compositions des extraits alcalins du son
désamidoné (kg/m3) Compositions des extraits alcalins de la paille (kg/m3)
NaOH / Matière végétale Matière Sèche Matière Minérale Matière Organique Matière Sèche Matière Minérale Matière Organique 0,5 16,0 8,6 7,3 22,0 17,7 4,2 1 34,8 23,8 10,9 45,1 37,0 8,0 2 56,7 47,1 9,5 72,5 61,6 10,8 4 98,5 94,5 3,9 91,3 80,5 10,8
Tableau 13 : Compositions des extraits alcalins à l’issu de l’extraction des hémicelluloses du son et de la paille de blé
En revanche, la quantité en matière organique ne varie pas de la même façon, elle est en fait dépendante de la quantité de molécules extraites et isolées dans les extraits après séparation Liquide/Solide. Dans le cas de la paille de blé, l’extraction de matière organique augmente avec l’augmentation de la concentration en NaOH. Au contraire, dans le cas du son de blé et à forte concentration en hydroxyde de sodium (NaOH/son = 4), la quantité de matière organique extraite est faible. Cela est expliqué, comme mentionné précédemment, par le fait qu’une grande partie de cette matière extraite reste emprisonnée dans la matrice végétale lors de la séparation Liquide/Solide et donc ne sera pas isolée avec l’extrait.
La matière organique est principalement constituée d’hémicelluloses, mais aussi de différentes biomolécules co-extraites et solubles en milieu alcalin, et de molécules issues de la dégradation de certains biopolymères extraits (Figure 49).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,5 1 2 4 C o n ce n tr at io n (K g/ m 3) NaOH/Son
Hémicelluloses Sucres libres Protéines
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,5 1 2 4 C o n ce n tr at io n (K g/ m 3) NaOH/Paille
Hémicelluloses Sucres libres Protéines Lignine
Figure 49 : Compositions de la matière organique (MO) des extraits alcalins du son désamidoné et de la paille de blé
La concentration de cette matière organique en hémicelluloses montre des taux d’extraction élevés de celles-ci dans le cas du son. En revanche, les taux d’extraction dans le cas de la paille sont relativement faibles. En effet, les quantités de ces polysaccharides extraits et leurs solubilités, dépendent des conditions de l’extraction, 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). Cela permet d’expliquer les différences et les écarts observés entre les quantités d’hémicelluloses extraites à partir du son désamidoné et de la paille pour une même concentration en NaOH : les hémicelluloses du son sont très branchées
La solubilisation des hémicelluloses augmente avec la concentration du NaOH pour les deux matières végétales, même si leur extraction et isolement de la matrice végétale dans le cas du son devient inefficace pour le rapport NaOH/son le plus élevé.
A pH élevé, l’agent alcalin rompt les liaisons intermoléculaires mais aussi les liaisons intramoléculaires, ce qui peut affecter la structure des hémicelluloses, et permettre le clivage d’un certain nombre de liens covalents qui pontent leurs structures. Cette dégradation peut se produire même à température ambiante, elle libère des sucres libres ou de petites chaînes d’oligosaccharides dans le milieu (Lawther et al, 1995b ; Cui et al., 1999). La teneur en sucres libres augmente avec les rapports NaOH/Matière végétale du fait de l’augmentation de l’alcalinité du milieu et de la dégradation plus marquée des chaînes hémicellulosiques. Ces chaînes plutôt linéaires et moins branchées dans le cas de la paille sont plus sensibles à l’action de l’hydroxyde de sodium que celles des chaînes du son.
La teneur en protéines solubilisées est peu sensible à la durée de la réaction et au rapport liquide/solide (Raynal, 1996). Même si en milieu alcalin la solubilisation des protéines est plus rapide que celle des hémicelluloses, seule une petite quantité de protéines est présente dans les extraits. Ceci peut être expliqué, dans le cas de la paille, par la teneur initiale faible dans la matière brute. Dans le cas du son, la désamidonation a probablement éliminée la plus grande partie des protéines initialement présentes dans la matière brute, de plus la méthode de dosage utilisée (Kjeldahl) ne permet pas de différencier entre protéines natives et hydrolysats. La teneur en lignine n’a pas été évaluée dans le cas des extraits du son de blé. En effet, la quantité de lignine initialement présente dans le son désamidoné (8,9% par rapport au total de la matière organique du son) est plus petite que celle initialement présente dans la paille (15,3% par rapport au total de la matière organique de la paille) du fait de sa nature fibreuse. La co-extraction de la lignine à partir de la paille est bien notée à forte concentration en NaOH. Cela est dû à sa solubilité assez élevée en milieu alcalin (Montane et al., 1998).