Extraction ultrasonique d'algues pour les suppléments nutritionnels

L'extraction par ultrasons est la méthode la plus efficace pour désintégrer les cellules d'algues efficacement et rapidement. La sonication peut libérer la totalité des composés bioactifs, ce qui rend la technique ultrasonique très efficace.

Comment extraire les protéines, les lipides et les phénols des algues par ultrasons ?

Les espèces d'algues et de microalgues sont riches en composés biologiquement actifs tels que les protéines, les lipides, les caroténoïdes, les pigments (par exemple, les phycocyanines, l'astaxanthine, etc.), les composés phénoliques et les polysaccharides (par exemple, les carraghénanes). Cela en fait une matière naturelle largement utilisée pour produire des extraits pour les aliments et les compléments alimentaires. Les espèces d'algues couramment utilisées pour les compléments alimentaires sont Arthrospira maxima (également connue sous le nom de spiruline), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis et Ulva spp. Les algues sont connues pour être une bonne source de protéines de haute qualité, de lipides, d'AGPI à longue chaîne (c.-à-d. oméga-3), de polysaccharides (par ex. alginate, carraghénane, β-glucanes), de vitamines et d'antioxydants.
La spiruline est un type d'algue couramment utilisé, qui est riche en composés bioactifs de grande valeur tels que les protéines (avec 50-70% de poids sec). La spiruline étant approuvée par la FDA (Food Drug Administration des États-Unis) comme GRAS (Generally Recognized As Safe), la spiruline et les extraits de spiruline peuvent être utilisés dans les aliments commercialisés ou comme compléments alimentaires.

Avantages de l'extraction d'algues par ultrasons

L'extraction par ultrasons surpasse les autres méthodes d'extraction sur de nombreux points, tels que le rendement élevé, la fiabilité, la sécurité, la simplicité et le respect de l'environnement.

Rendement total de l'extraction

Des appareils à ultrasons très performants ouvrent les cellules des algues et les désorganisent afin de libérer le matériel intracellulaire. L'extraction par ultrasons libère ainsi tout le spectre des composés bioactifs, tels que les phycobiliprotéines, les caroténoïdes, les lipides et les composés phénoliques.
Les phycobiliprotéines peuvent être classées en trois groupes principaux, à savoir les chloro-phycocyanines, les allophycocyanines et les phycoérythrines. La phycocyanine C est un pigment bleu naturel, largement utilisé dans les produits alimentaires et pharmaceutiques. L'extraction par ultrasons libère tout le spectre des protéines.

Efficacité d'extraction élevée

Duangsee et al. (2009) ont testé deux méthodes d'extraction différentes (extraction par solvant assistée par ultrasons et extraction par congélation et décongélation répétées) des composés bioactifs de la biomasse d'Arthospira et ont constaté que l'extraction par solvant ultrasonique avait une efficacité d'extraction plus élevée (22,1 %) que la congélation et la décongélation (15,6 %). La comparaison de la rupture cellulaire entre la sonication et la congélation et la décongélation répétées montre que la sonication est plus efficace. La cavitation ultrasonique perturbe les cellules d'algues rapidement et efficacement, ce qui entraîne une rupture cellulaire plus importante que pour les cellules de spiruline traitées par congélation et décongélation répétées.
La sonication a été plus efficace pour briser l'enveloppe cellulaire que la congélation et la décongélation répétées. Le rendement d'extraction de la phycocyanine a montré que la température de traitement influençait l'efficacité de l'extraction.

Processus d'extraction rapide

Les systèmes ultrasoniques à haute performance peuvent appliquer une puissance ultrasonique élevée via des amplitudes élevées dans la suspension d'algues. L'extraction par ultrasons est donc une méthode de traitement très rapide.

contrôle de la température

L'ultrasonication est une technique d'extraction non thermique et purement mécanique. La température d'extraction peut être contrôlée avec précision à l'aide d'un capteur de température enfichable, qui est relié à l'ultrasoniseur numérique Hielscher. Le logiciel des ultrasons numériques Hielscher permet de fixer des limites de température, de sorte que l'homogénéisateur à ultrasons s'arrête lorsque la limite de température est atteinte. Le contrôle précis de la température permet d'éviter la dégradation thermique des matériaux sensibles à la chaleur tels que les phycobiliprotéines, les vitamines, les polyphénols, les polysaccharides, les lipides et autres composés bioactifs.

Compatible avec divers solvants

L'extraction par ultrasons est compatible avec presque tous les solvants. L'extraction par ultrasons combinée à des solvants verts tels que l'eau ou l'éthanol produit des extraits propres. Ces extraits ultrasoniques peuvent être incorporés en toute sécurité dans les aliments, car les solvants d'extraction que sont l'éthanol et l'eau ont le statut GRAS (Generally Recognized As Safe).

Reproductibilité et normalisation des processus

Les appareils à ultrasons numériques de Hielscher sont équipés d'un logiciel intelligent et d'une variété élaborée de réglages pour les paramètres d'extraction idéaux. Le logiciel enregistre tous les paramètres du processus ultrasonique (amplitude, puissance nette, puissance totale, température, pression, heure, date) et inscrit les données de sonification dans un fichier CSV sur la carte SD intégrée. Cela vous permet de standardiser votre processus d'extraction et de surveiller de près la sonication et la qualité des résultats. Ces fonctions vous aident à répondre aux exigences de standardisation des processus ainsi qu'aux bonnes pratiques de fabrication (BPF), qui sont toutes deux très importantes lorsque les extraits sont produits pour des compléments, des aliments ou des produits pharmaceutiques.

Protocole d'extraction de la phycocyanine par ultrasons

Mazumder et al. (2017) ont étudié les paramètres de traitement optimaux pour l'extraction par ultrasons de la phycocyanine et des composés phénoliques d'Arthospira platensis. Le rendement maximal de la phycocyanine (29,9 mg/g) et des composés phénoliques totaux (2,4 mg/g) a été obtenu à une concentration de 40% d'éthanol, à une température d'extraction de 34,9°C en utilisant l'ultrasonateur UP50H (50 watts, 30kHz) à une amplitude de 95% pour une durée d'extraction de 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) ont utilisé un ultrasonateur UIP1000hdT (1000W, 20kHz) pour extraire les protéines de la spiruline. L'ultrasonateur était équipé d'une sonotrode BS2d34 et d'un réacteur à flux ultrasonique (voir l'image ci-dessous pour la configuration exacte de l'extraction ultrasonique avec la cellule de flux et la pompe Seepex).

UIP1000hdT – Configuration de la manothermosonication (MTS) et de l'extraction des protéines de la spiruline à l'échelle du laboratoire.
source : Vernes et al. 2019

Les résultats de la recherche montrent que les conditions d'extraction par ultrasons optimisées pour le rendement en protéines impliquent une température et une pression légèrement élevées (ce que l'on appelle la manothermosonication MTS). La MTS favorise le transfert de masse et permet d'obtenir 229% de protéines en plus (28,42 ± 1,15 g/100 g de poids sec) que le procédé conventionnel sans ultrasons (8,63 ± 1,15 g/100 g de poids sec).
Avec 28,42 g de protéines obtenues pour 100 g de biomasse sèche de spiruline dans l'extrait, un taux de récupération des protéines de 50 % a été atteint en seulement 6 minutes dans un processus de sonication continue. L'imagerie microscopique révèle que la cavitation acoustique affecte les filaments de spiruline par différents mécanismes tels que la fragmentation, la sonoporation et la détexturation. Ces différents effets facilitent l'extraction, la libération et la solubilisation des composés bioactifs de la spiruline et les rendent plus efficaces, ce qui permet d'obtenir un rendement protéique élevé et de grande qualité.
En ce qui concerne la qualité des protéines extraites par ultrasons, les acides aminés n'ont pas été dégradés par le traitement aux ultrasons, mais ils sont présents en plus grande quantité dans le cas de la sonication par rapport à l'extraction conventionnelle.
Lorsque l'on compare la manothermosonication et l'extraction par ultrasons sans pression ni température élevées, la différence de rendement et d'efficacité de l'extraction n'est que minime. Par conséquent, les ultrasons seuls sont considérés comme la technique la plus économique et la plus simple pour produire un extrait de haute qualité riche en protéines de spiruline. L'extraction par ultrasons est une technique d'extraction verte, respectueuse de l'environnement, adaptée à l'extraction des protéines de la spiruline à l'échelle du laboratoire, qui peut facilement être mise à l'échelle pilote et industrielle. (cf. Vernès et al. 2019)

Extracteurs ultrasoniques à haute performance

Tous les résultats d'extraction obtenus à petite échelle peuvent être linéairement étendus à des capacités de production plus importantes. La large gamme de produits de Hielscher Ultrasonics, des systèmes d'extraction de laboratoire aux systèmes d'extraction industriels, comprend l'ultrasoniseur le mieux adapté à la capacité de traitement envisagée. Notre personnel expérimenté vous assistera depuis les tests de faisabilité et l'optimisation du processus jusqu'à l'installation de votre système à ultrasons au niveau de la production finale.

Hielscher Ultrasonics – Équipement d'extraction sophistiqué

La gamme de produits Hielscher Ultrasonics couvre l'ensemble des extracteurs à ultrasons de haute performance, de la petite à la grande échelle. Des accessoires supplémentaires permettent d'assembler facilement la configuration d'appareils à ultrasons la plus adaptée à votre processus. La configuration ultrasonique optimale dépend de la capacité envisagée, du volume, de la matière première, du processus par lots ou en ligne et du calendrier. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants. En savoir plus sur la mise à l'échelle linéaire des procédés d'extraction par ultrasons !

Choisissez parmi divers accessoires tels que :

• sonotrodes de différentes tailles, diamètres et formes
• sonotrodes pour des amplitudes élevées de 200µm et plus
• réacteurs de cellules d'écoulement de différents volumes et géométries
• de nombreuses cornes de renforcement pour augmenter ou diminuer les gains
• des installations de sonification complètes telles que la SonoStation, qui comprend un extracteur à ultrasons, une cuve, un agitateur et une pompe
• capteurs de température enfichables
• capteurs de pression enfichables

Notre personnel bien formé et expérimenté vous conseillera et vous recommandera le système à ultrasons le mieux adapté à vos besoins en matière de processus d'extraction.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :