Extraction d’algues par ultrasons pour les compléments alimentaires

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

Comment extraire les protéines, les lipides et les composés phénoliques 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). Elles constituent ainsi une matière naturelle largement utilisée pour produire des extraits destinés aux aliments et aux compléments alimentaires. Les espèces d’algues couramment utilisées pour les compléments alimentaires sont Arthrospira maxima et (également connue sous le nom de spiruline), Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis et Ulva spp. Les algues sont reconnues comme une bonne source de protéines de haute qualité, de lipides, d’acides gras polyinsaturés à longue chaîne (c’est-à-dire les oméga-3), de polysaccharides (par exemple, l’alginate, les carraghénanes, les β-glucanes), de vitamines et d’antioxydants.
La spiruline est un type d’algue couramment utilisé, riche en composés bioactifs de grande valeur tels que les protéines (avec 50–70% du poids sec). La spiruline étant approuvée par la FDA (Food Drug Administration des États-Unis) comme GRAS (généralement reconnue comme sûre), la spiruline et ses extraits 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, notamment le rendement élevé, la fiabilité, la sécurité, la simplicité et le respect de l’environnement.

Rendement d’extraction intégral

Les appareils à ultrasons haute performance ouvrent et désintègrent les cellules d’algues afin de libérer leur contenu intracellulaire. L’extraction par ultrasons libère ainsi l’ensemble des composés bioactifs, tels que les phycobiliprotéines, les caroténoïdes, les lipides et les composés phénoliques.
Les phycobiliprotéines peuvent être réparties en trois grands groupes, à savoir les chloro-phycocyanines, les allophycocyanines et les phycoérythrines. La C-phycocyanine est un pigment bleu naturel largement utilisé dans les produits alimentaires et pharmaceutiques. L’extraction par ultrasons libère l’ensemble des protéines.

Efficacité d’extraction élevée

Duangsee et al. (2009) ont testé deux méthodes différentes d’extraction de composés bioactifs à partir de biomasse d’Arthospira (l’extraction par solvant assistée par ultrasons et l’extraction par congélations et décongélations répétées) et ont constaté que l’extraction par solvant assistée par ultrasons offrait une efficacité d’extraction supérieure (22,1%) à celle obtenue par congélation et décongélation (15,6%). La comparaison de la rupture cellulaire entre la sonication et les congélations et décongélations répétées montre que la sonication est plus efficace. La cavitation ultrasonore désintègre rapidement et efficacement les cellules d’algues, ce qui entraîne une désintégration cellulaire plus importante que celle des cellules de spiruline traitées par congélations et décongélations répétées.
La sonication s’est avérée plus efficace pour rompre l’enveloppe cellulaire que les congélations et décongélations répétées. Le rendement d’extraction de la phycocyanine a montré que la température de traitement influençait l’efficacité d’extraction.

Procédé d’extraction rapide

Les systèmes à ultrasons haute performance peuvent transmettre une puissance ultrasonore élevée à la suspension d’algues grâce à des amplitudes élevées. L’extraction par ultrasons constitue ainsi une méthode de traitement très rapide.

Contrôle de la température

Le traitement par ultrasons est une technique d’extraction non thermique, purement mécanique. La température d’extraction peut être contrôlée avec précision à l’aide d’une sonde de température enfichable reliée à l’appareil à ultrasons numérique Hielscher. Le logiciel des appareils à ultrasons numériques Hielscher permet de définir des limites de température afin que l’homogénéisateur à ultrasons se mette en pause lorsque la limite de température est atteinte. Le contrôle précis de la température permet d’éviter la dégradation thermique des matières thermosensibles telles que les phycobiliprotéines, les vitamines, les polyphénols, les polysaccharides, les lipides et les autres composés bioactifs.

Compatible avec divers solvants

Le traitement par ultrasons est compatible avec presque tous les solvants. L’extraction par ultrasons associée à des solvants verts tels que l’eau ou l’éthanol produit des extraits propres. Ces extraits obtenus par ultrasons peuvent être incorporés sans danger dans les aliments, car les solvants d’extraction que sont l’éthanol et l’eau bénéficient du statut GRAS (généralement reconnus comme sûrs).

Reproductibilité et standardisation du procédé

Les appareils à ultrasons numériques Hielscher sont équipés d’un logiciel intelligent et d’un ensemble élaboré de réglages permettant d’obtenir les paramètres d’extraction idéaux. Le logiciel consigne tous les paramètres du procédé ultrasonore (par exemple, l’amplitude, la puissance nette, la puissance totale, la température, la pression, l’heure et la date) et enregistre les données de sonication dans un fichier CSV sur la carte SD intégrée. Cela vous permet de standardiser votre procédé d’extraction et de suivre de près la sonication et la qualité du produit obtenu. Ces fonctionnalités vous aident à satisfaire les exigences de standardisation du procédé ainsi que les bonnes pratiques de fabrication (GMP), deux aspects particulièrement importants lorsque les extraits sont produits pour des compléments alimentaires, 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 à partir d’Arthospira platensis. Le rendement maximal en phycocyanine (29,9 mg/g) et en composés phénoliques totaux (2,4 mg/g) a été obtenu avec une concentration d’éthanol de 40%, une température d’extraction de 34,9°C et l’appareil à ultrasons UP50H (50 watts, 30kHz), à une amplitude de 95% pendant une durée d’extraction de 104,7 sec.

Vernès et al. (2019) ont utilisé un appareil à ultrasons UIP1000hdT (1000W, 20kHz) pour extraire des protéines de la spiruline. L’appareil à ultrasons était équipé d’une sonotrode BS2d34 et d’un réacteur ultrasonore à circulation (voir l’image ci-dessous pour la configuration exacte de l’installation d’extraction par ultrasons avec cellule à circulation et pompe Seepex).

UIP1000hdT – installation de manothermosonication (MTS) et notre extraction de protéines de spiruline à l’échelle du laboratoire
source : Vernes et al. 2019

Les résultats de recherche montrent que les conditions d’extraction par ultrasons optimisées pour le rendement en protéines impliquent une température et une pression légèrement élevées (procédé appelé manothermosonication, MTS). La MTS favorise le transfert de matière et permet d’obtenir 229% de protéines supplémentaires (28,42 ± 1,15 g/100 g de poids sec) par rapport au procédé conventionnel sans ultrasons (8,63 ± 1,15 g/100 g de poids sec).
Avec 28,42 g de protéines obtenues dans l’extrait pour 100 g de biomasse sèche de spiruline, un taux de récupération des protéines de 50% a été atteint en seulement 6 minutes dans un procédé de sonication continu. L’imagerie microscopique révèle que la cavitation acoustique agit sur les filaments de spiruline par différents mécanismes tels que la fragmentation, la sonoporation et la déstructuration. Ces différents effets facilitent et rendent plus efficaces l’extraction, la libération et la solubilisation des composés bioactifs de la spiruline, ce qui permet d’obtenir un rendement élevé en protéines de haute qualité.
Concernant la qualité des protéines extraites par ultrasons, les acides aminés n’ont pas été dégradés par le traitement ultrasonore, mais ils sont présents en plus grande quantité dans le cas de la sonication que dans celui de l’extraction conventionnelle.
Lorsque l’on compare la manothermosonication à l’extraction par ultrasons sans augmentation de la pression ni de la température, la différence de rendement et d’efficacité d’extraction est minime. Les ultrasons seuls sont donc 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 et respectueuse de l’environnement, adaptée à l’extraction de protéines de spiruline à l’échelle du laboratoire et facilement transposable aux échelles pilote et industrielle. (cf. Vernès et al. 2019)

Extracteurs à ultrasons haute performance

Tous les résultats d’extraction obtenus à petite échelle peuvent être transposés de manière linéaire à des capacités de production plus importantes. La vaste gamme de produits Hielscher Ultrasonics, des systèmes d’extraction de laboratoire aux systèmes industriels, comprend l’appareil à ultrasons le mieux adapté à la capacité de traitement que vous envisagez. Notre personnel disposant d’une longue expérience vous accompagnera des essais de faisabilité et de l’optimisation du procédé jusqu’à l’installation de votre système à ultrasons à l’échelle de production finale.

Hielscher Ultrasonics – Équipements d’extraction sophistiqués

La gamme de produits Hielscher Ultrasonics couvre l’ensemble des extracteurs à ultrasons haute performance, de la petite à la grande échelle. Des accessoires supplémentaires permettent d’assembler facilement la configuration d’appareil à ultrasons la mieux adaptée à votre procédé. La configuration ultrasonore optimale dépend de la capacité envisagée, du volume, de la matière première, du traitement par lots ou en ligne et du calendrier. La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants. La transposition linéaire des procédés d’extraction par ultrasons permet d’augmenter la production de manière simple et fiable. En savoir plus sur la transposition linéaire des procédés d’extraction par ultrasons à plus grande échelle !

Choisissez parmi divers accessoires tels que :

• des sonotrodes de tailles, de diamètres et de formes variés
• des sonotrodes pour des amplitudes élevées de 200µm et plus
• des réacteurs à cellule à circulation de volumes et de géométries variés
• de nombreux amplificateurs mécaniques pour augmenter ou diminuer les gains
• des installations de sonication complètes telles que la SonoStation, comprenant un extracteur à ultrasons, une cuve, un agitateur et une pompe
• des sondes de température enfichables
• des capteurs de pression enfichables

Notre personnel qualifié, disposant d’une longue expérience, vous conseillera et vous recommandera le système à ultrasons le mieux adapté aux exigences de votre procédé d’extraction !

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