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Extraction assistée par micro-ondes Les différentes techniques d’extraction par

Extraction assistée par micro-ondes Les différentes techniques d’extraction par micro-ondes Extraction par solvant assistée par micro-ondes (MASE) Cette technique a d’abord été utilisée pour l’extraction de produits alimentaires (agrumes, plantes aromatiques, céréales ...). De nombreuses classes de composés tels que les arômes, les antioxydants, les colorants, les bio-phénols et autres métabolites secondaires et primaires ont été extraits de manière efficace, en termes de rapidité et de reproductibilité sur une large gamme de matrices. La technique a été brevetée en 1990 par l’équipe canadienne de Paré et coll. et porte sur « l’extraction de produits naturels assistée par micro-ondes »[1-2-3-4]. Ils proposaient d’irradier le matériel végétal en présence d’un solvant transparent aux micro-ondes tel que l’hexane. Ainsi les micro-ondes atteindraient directement les systèmes glandulaires et vasculaires du végétal. Dans tous les essais réalisés, le rendement et la composition des extraits obtenus par micro-ondes sont comparables avec ceux obtenus avec des méthodes classiques telles que le Soxhlet, mais on note une réduction du temps d’extraction. La distillation par micro-ondes (MAD) L’extraction sans solvant assistée par micro-ondes (Solvent Free Microwave Extraction ou SFME) a été conçue pour des applications en laboratoire pour l’extraction d’huiles essentielles de plantes aromatiques[5]. Cette technologie est une combinaison de chauffage micro-ondes et d’une distillation à la pression atmosphérique (Figure 1). Basée sur un principe relativement simple, cette méthode consiste à placer le matériel végétal dans un réacteur micro-ondes, sans ajout de solvant organique ou d’eau. Le chauffage de l’eau contenue dans la plante, permet la rupture des glandes renfermant l’huile essentielle. Cette étape libère l’huile essentielle qui est ensuite entrainée par la vapeur d’eau produite par le végétal. Un système de refroidissement à l’extérieur du four micro-ondes permet la condensation du distillat, composé d’eau et d’huile essentielle, par la suite facilement séparable par simple décantation. D’un point de vu qualitatif et quantitatif, le procédé SFME semble être plus compétitif et économique que les méthodes classiques telles que l’hydro-distillation ou l’entrainement à la vapeur[6-7]. Par exemple, si on compare l’extraction d’un kilogramme d’huile essentielle d’orange obtenue à partir de co-produits, par micro-ondes on consomme 50 L d’eau, 90 kW de consommation électrique et on rejette 70 kg de CO2 contre 400 L d’eau, 340 kW de consommation électrique et 340 kg de CO2 par hydrodistillation. L’extraction par micro-ondes combinant l’hydrodiffusion et la gravité (MHG) La technique (MHG) est une nouvelle technique, brevetée en 2008 qui combine le chauffage micro-ondes avec la gravité[8]. Elle a été conçue pour l’extraction de substances naturelles de matrices variées à l’échelle du laboratoire mais transposable à l’échelle industrielle (Figure 2). Cette technique d’extraction « verte » a pour origine un alambic renversé, utilisant le chauffage micro-ondes en combinant la gravité à pression atmosphérique ou sous pression réduite. Selon ce procédé, la matière végétale fraîche est placée directement dans un réacteur micro-ondes sans ajout de solvant organique ni d’eau. Le chauffage de l’eau de constitution de la matrice provoque un éclatement des cellules de la plante et conduit au relargage des métabolites secondaires. De cette manière, l’action des micro-ondes permet de libérer l’eau intrinsèque du végétal et les métabolites secondaires qui sont transférés de l’intérieur vers l’extérieur de la matière végétale par hydrodiffusion. Ce mélange est ensuite condensé et recueilli à l’aide d’un système de réception utilisant le principe du vase Florentin. L’huile essentielle et l’eau de constitution sont ensuite séparées par simple différence de densité. Il est important de noter que cette méthode verte permet d’extraire les huiles essentielles sans distillation et sans évaporation, qui sont les deux processus les plus consommateurs d’énergie, mais en même temps, elle permet d’obtenir des extraits similaires à la plante aromatique fraîche. Phase aqueuse Réfrigérant Huile essentielle Température Matériel Végétal Four Micro-ondes Figure 1. Solvent Free Microwave Extraction ou SFME. Photo reproduite avec la permission de www.milestonesrl.com Photo reproduite avec la permission de www.milestonesrl.com Réfrigérant Matériel végétal Four Micro-ondes Huile essentielle Phase aqueuse Grille support Température Figure 2. Micro-ondes combinant hydrodiffusion et gravité (MHG). Applications de l’extraction micro-ondes dans les produits naturels Les antioxydants Récemment, l’extraction assistée par micro-ondes (MAE) a été utilisée comme une méthode d’extraction à l’échelle du laboratoire ; elle exige moins de solvant et permet d’obtenir de meilleur rendement par rapport aux méthodes classiques d’extraction[9], comme expliqué dans le tableau 1. Hemwimon et al.[10] ont fait une étude comparative entre une extraction d’antioxydants assistée par micro-ondes (MAE), une extraction classique (macération et Soxhlet) et une extraction assistée par ultrasons (UAE) sur la racine de Morinda citrifolia. L’efficacité de l’extraction MAE (720W, 15min, 60° C, 10 ml EtOH: H2O (80:20) a été plus efficace que la macération (3 jours, 25° C, 10 ml EtOH) et que l’UAE (15.7W, 60min, 60° C, 10 ml EtOH). Par contre, les résultats sont comparables avec le Soxhlet (4h, point d’ébullition, 200ml EtOH). Des résultats similaires ont également été observés à partir de foin par Grigonis[11]. Tableau 1 Matrice Analyte Technique Conditions opératoires Réf Raisins Composes phénoliques MAE P. atm : 500 W, 20 min, 20 ml CH3OH. [12] Thé vert (feuilles) Polyphenols MAE P. atm : 700 W ,10 min, 100 ml EtOH. [13] Racines de noni Anthraquinones MAE P. atm : 720 W ,15 min, 10 ml d’eau. [14] Argousiers polyphénols MAE P. atm : 400 W, 20 min. [15] Racines séchées de la famille Rhodiola polyphénols MAE P. atm : 400 W , 5 ml CH3OH [16] Les colorants Les techniques utilisant l’énergie micro-ondes s’avèrent intéressantes pour surmonter la limitation des colorants naturels disponibles comme décrit dans le tableau 2. Le lycopène a été utilisé comme colorant alimentaire pendant de nombreuses années mais les mé thodes conventionnelles d’extraction accélèrent la décomposition du lycopène par oxydation. Lianfu et Zelong [17] ont décrit l’extraction du lycopène de la tomate avec des techniques d’extraction combinant les ultrasons et les micro-ondes (Ultrasound and Microwave Assisted Extraction ou UMAE) et ont comparé les résultats avec ceux obtenus par extraction assistée par ultrasons (UAE). Les résultats obtenus avec UAE sont de 89,4% en lycopène contre 97.4% avec UMAE. L’extraction combinant ultrasons et micro-ondes donne de meilleurs rendements sur des temps plus courts tout en consommant moins de solvant. De même, un rendement plus élevé en antho cyanes dans les framboises rouges a également été observé par Sun [18] dans des conditions optimales d’extraction assistée micro- ondes. Cette technique s’est avérée plus rapide, plus efficace, et permet d’extraire les différents types d’anthocyanes sans destruction de la structure chimique. Tableau 2 Matrice Analyte Technique Conditions opératoires Réf Peaux de raisins Anthocyanes MASE P. atm : 500 W, 5 min, 40% de CH3OH/ H2O. [19] Framboises Anthocyanes MASE P. atm : 366 W, 12 min, 95% EtOH. [30] Carthame Carthame jaune MASE P. atm : 60 W, 4 min, 60% CH3OH. [20] Rhizomes de curcuma Curcumine MASE P. atm : 140 W, 4 min. [21] Paprika Caroténoîdes MASE P. atm : 50 W, 2 min. [22] Les huiles essentielles et les arômes Plusieurs méthodes d’extraction ont été mises au point telles que l’hydrodistillation, l’entraînement à la vapeur, l’hydro-diffusion et la dis tillation-extraction simultanée. Cependant les composés volatiles sont connus comme étant thermo-sensibles et vulnérables aux réactions chimiques. La perte de certains constituants, la dégradation de certains composés insaturés par effet thermique ou par hydrolyse, ainsi que la présence de résidus de solvants organiques plus ou moins toxiques peuvent être engendrés par ces techniques d’extraction. Ces incon vénients ont attiré l’attention de plusieurs laboratoires de recherche et ont permis la mise au point de nouvelles techniques d’extraction comme celle assistée par micro-ondes des huiles essentielles et des arômes, beaucoup plus écologiques. D’un point de vue qualitatif et quantitatif des extraits, ces techniques d’extraction par micro-ondes se révèlent très avantageuses et permettent l’obtention de produits à forte valeur ajoutée. Les exemples sont décrits dans le tableau 3. Lucchesi et al.[23] ont extrait des huiles essentielles par SFME de trois herbes aromatiques: le basilic, la menthe et le thym. Avec cette technique, ils ont isolé et concentré les composés volatiles en une seule étape, sans ajout de solvant ou d’eau. Les huiles essentielles extraites sont plus riches en composés oxygénés : l’eugénol (43,2%) dans le basilic, la carvone (64,9%) dans la menthe et le thymol (51%) dans le thym comparé à la méthode conventionnelle. En fait, l’abondance des composés oxygénés dans l’huile essentielle est liée au chauffage rapide des substances polaires avec les micro-ondes et à la faible quantité d’eau dans le milieu, ce qui empêche la dégradation des composés par réactions thermiques et hydrolytiques. Cette technique offre plusieurs avantages comme un temps d’extraction plus courts, une réduction de la quantité de solvant, une très bonne reproductibilité avec de bons rendements. L’huile essentielle de peaux d’orange obtenue par SFME est incolore, elle a une odeur d’agrumes fraîche, légère et douce par rapport à l’huile obtenue avec les méthodes traditionnelles de couleur jaune pâle et d’odeur piquante[24]. Tableau 3 Matrice Analyte Technique Conditions opératoires Réf. Fleurs de lavande) Huile essentielle SFME P. atm : 500 W, 10 min, 200 ml d’eau. [25] Origan Huile essentielle SFME P. atm : 850 uploads/Finance/ micro-ondes.pdf