Extraction des anthocyanes par ultrasons

Les anthocyanes sont largement utilisées comme colorants naturels et additifs nutritionnels dans les produits alimentaires. L’extraction par ultrasons est une technique simple et très efficace permettant d’obtenir des anthocyanes de haute qualité. L’utilisation de sonicateurs à sonde favorise la libération d’anthocyanes de haute qualité à partir des plantes, permettant ainsi d’obtenir des rendements plus élevés et un procédé rapide. Parallèlement, la sonication est une technique douce, écologique et efficace pour la production industrielle d’anthocyanes de qualité alimentaire et pharmaceutique.

Anthocyanes – Comment extraire des anthocyanes de haute qualité à l’aide d’un sonicateur

Les anthocyanes sont largement utilisées comme colorants naturels dans l’industrie alimentaire. Elles présentent un large éventail de nuances, allant de l’orange au rouge, au violet et au bleu, selon leur structure moléculaire et la valeur du pH. L’intérêt pour les anthocyanes repose non seulement sur leur pouvoir colorant, mais aussi sur leurs propriétés bénéfiques pour la santé. Face aux préoccupations croissantes concernant les effets des colorants synthétiques sur l’environnement et la santé, les colorants naturels constituent une excellente alternative respectueuse de l’environnement pour les industries alimentaire et pharmaceutique.

Extraction des anthocyanes améliorée par ultrasons

Comment extraire les anthocyanes par ultrasons ? – Études de cas

Extraction par ultrasons des anthocyanes du riz violet Oryza Sativa L.

Le riz violet de la variété Oryza Sativa (également connu sous le nom de Violet Nori ou riz violet) est exceptionnellement riche en composés phénoliques, notamment les anthocyanes appartenant au groupe des flavonoïdes. Turrini et al. (2018) ont utilisé l’extraction par ultrasons pour isoler des composés polyphénoliques, tels que les anthocyanes, ainsi que des antioxydants à partir du caryopse (sous forme entière, brune et étuvée) et des feuilles de riz violet. L’extraction par ultrasons a été réalisée à l’aide d’un appareil Hielscher UP200St (200W, 26kHz, photo à gauche) et d’éthanol à 60% comme solvant.
Afin de préserver l’intégrité des anthocyanes, les extraits obtenus par ultrasons ont été conservés à −20°C, ce qui a permis de les conserver pendant au moins trois mois.
Le cyanidin-3 glucoside (également connu sous le nom de chrysanthémine) était de loin l’anthocyane majoritaire détectée dans les cultivars ‘Violet Nori’, ‘Artemide’ et ‘Nerone’ étudiés par Turrini et al., tandis que le peonidin-3-glucoside et le cyanidin-3-rutinoside (également appelé antirrhinine) étaient présents en plus faibles quantités.
Les feuilles violettes d’Oryza Sativa constituent une excellente source d’anthocyanes et présentent une teneur élevée en composés phénoliques totaux (TPC). Avec une teneur environ 2–3 fois supérieure à celle du riz et de la farine, les feuilles d’Oryza constituent une matière première peu coûteuse pour l’extraction des anthocyanes. Le rendement estimé à environ 4 kg d’anthocyanes/t de feuilles fraîches est nettement supérieur à celui de 1 kg d’anthocyanes/t de riz, calculé à partir des teneurs moyennes en anthocyanes détectées dans le riz ‘Violet Nori’ (1300 µg/g de riz, exprimées en cyanidin-3-glucoside), pour un rendement d’environ 68 kg de riz à partir de 100 kg de paddy.

Extraction par ultrasons des anthocyanes du chou rouge

Ravanfar et al. (2015) ont étudié l’efficacité de l’extraction par ultrasons des anthocyanes du chou rouge. Les expériences d’extraction par ultrasons ont été réalisées à l’aide du système à ultrasons UP100H (Hielscher Ultrasonics, 30 kHz, 100 W). La sonotrode MS10 (diamètre de l’extrémité : 10mm) a été insérée au centre d’un bécher en verre à double enveloppe dont la température était régulée.

Des morceaux de chou rouge fraîchement coupés, de forme cubique et de 5mm de côté, présentant une teneur en eau de 92,11 ± 0,45 %, ont été utilisés pour cette expérience. Un bécher en verre à double enveloppe (volume : 200ml) a été rempli de 100ml d’eau distillée et de 2g de morceaux de chou rouge. Le bécher a été recouvert de papier aluminium afin d’éviter les pertes de solvant (eau) par évaporation pendant le procédé. Dans toutes les expériences, la température dans le bécher a été maintenue à l’aide d’un régulateur thermostatique. Les échantillons ont finalement été prélevés, filtrés et centrifugés à 4000rpm, et les surnageants ont été utilisés pour déterminer le rendement en anthocyanes. Une extraction au bain-marie a été réalisée comme expérience témoin.
Le rendement optimal en anthocyanes du chou rouge a été obtenu à une puissance de 100 W, pendant 30 min et à une température de 15°C, ce qui a donné un rendement en anthocyanes d’environ 21 mg/L.
En raison de ses changements de couleur en fonction du pH et de son pouvoir colorant intense, le colorant du chou rouge a été utilisé comme indicateur de pH dans des formulations pharmaceutiques, ou comme antioxydant et colorant dans des systèmes alimentaires, respectivement.

Les ultrasons intensifient considérablement l’extraction des anthocyanes à partir de matières végétales.
source : Ravanfar et al. 2015

 
D’autres études démontrent la réussite de l’extraction par ultrasons des anthocyanes à partir, entre autres, de myrtilles, de mûres, de raisins, de cerises, de fraises et de patates douces violettes.

Extracteurs à ultrasons haute performance

Hielscher Ultrasonics est spécialisée dans la fabrication de processeurs à ultrasons haute performance pour la production d’extraits végétaux de haute qualité.
La vaste gamme de sonicateurs Hielscher s’étend des petits appareils à ultrasons de laboratoire puissants aux systèmes de paillasse robustes et aux systèmes entièrement industriels, qui délivrent des ultrasons de haute intensité pour l’extraction et l’isolement efficaces de substances bioactives (par exemple, les anthocyanes, gingérol, pipérine, curcumine etc.).
Tous les appareils à ultrasons de 200W à 16 000W disposent d’un écran tactile couleur pour la commande numérique, d’une carte SD intégrée pour l’enregistrement automatique des données, d’une commande à distance via navigateur et de nombreuses autres fonctionnalités facilitant leur utilisation. Les sonotrodes et les cellules à circulation (les pièces en contact avec le milieu) peuvent être autoclavées et sont faciles à nettoyer.
Les sonicateurs Hielscher sont très robustes et conçus pour fonctionner 24/7 à pleine charge, tout en nécessitant peu d’entretien et en offrant une utilisation simple et sûre. Un écran numérique couleur permet de commander facilement l’appareil à ultrasons.
Nos systèmes peuvent délivrer des amplitudes allant de faibles à très élevées. Pour l’extraction des cannabinoïdes et des terpènes, nous proposons des sonotrodes ultrasonores spéciales (également appelées sondes ou pavillons ultrasonores), optimisées pour l’isolement délicat de substances actives de haute qualité. Tous nos systèmes peuvent être utilisés pour l’extraction des cannabinoïdes et leur émulsification ultérieure. La robustesse des sonicateurs Hielscher permet un fonctionnement continu (24/7) à forte charge et dans des environnements exigeants.

Le contrôle précis des paramètres du procédé à ultrasons garantit la reproductibilité et la standardisation du procédé.
 

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

Bibliographie / Références

• Chemat, Farid; Rombaut, Natacha; Sicaire, Anne-Gaëlle; Meullemiestre, Alice; Fabiano-Tixier, Anne-Sylvie; Abert-Vian, Maryline (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry 34 (2017) 540–560.
• Ravanfar, Raheleh; Tamadon, Ali Mohammad, Niakousari, Mehrdad (2015): Optimization of ultrasound assisted extraction of anthocyanins from red cabbage using Taguchi design method. J Food Sci Technol. 2015 Dec; 52(12): 8140–8147.
• Turrini, Federica; Boggia, Raffaella; Leardi, Riccardo; Borriello, Matilde; Zunin, Paola (2018): Optimization of the Ultrasonic-Assisted Extraction of Phenolic Compounds from Oryza Sativa L. ‘Violet Nori’ and Determination of the Antioxidant Properties of its Caryopses and Leaves. Molecules 2018, 23, 844.

Informations utiles

Comment fonctionne l’extraction assistée par ultrasons ?

L’application d’ondes ultrasonores intenses à un milieu liquide provoque une cavitation. Le phénomène de cavitation engendre localement des températures, des pressions, des vitesses de chauffage/refroidissement et des différences de pression extrêmes, ainsi que des forces de cisaillement élevées dans le milieu. Lorsque les bulles de cavitation implosent à la surface de solides (tels que des particules, des cellules végétales, des tissus, etc.), les microjets et les collisions entre particules produisent des effets tels que le décapage de surface, l’érosion et la fragmentation des particules. De plus, l’implosion des bulles de cavitation dans les milieux liquides crée des macroturbulences et un micromélange.
L’irradiation ultrasonore des matières végétales fragmente la matrice des cellules végétales et améliore leur hydratation. Chemat et al (2015) concluent que l’extraction par ultrasons des composés bioactifs des matières végétales résulte de différents mécanismes indépendants ou combinés, notamment la fragmentation, l’érosion, la capillarité, la déstructuration et la sonoporation. Ces effets désorganisent la paroi cellulaire, améliorent le transfert de matière en faisant pénétrer le solvant dans la cellule et en aspirant vers l’extérieur le solvant chargé de composés végétaux, et assurent le mouvement du liquide par micromélange.

L’extraction par ultrasons repose sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques

L’irradiation ultrasonore des matières végétales fragmente la matrice des cellules végétales et améliore leur hydratation. Chemat et al. (2015) concluent que l’extraction par ultrasons des composés bioactifs des matières végétales résulte de différents mécanismes indépendants ou combinés, notamment la fragmentation, l’érosion, la capillarité, la déstructuration et la sonoporation. Ces effets désorganisent la paroi cellulaire, améliorent le transfert de matière en faisant pénétrer le solvant dans la cellule et en aspirant vers l’extérieur le solvant chargé de composés végétaux, et assurent le mouvement du liquide par micromélange.
L’extraction par ultrasons permet un isolement très rapide des composés – elle surpasse les méthodes d’extraction conventionnelles grâce à une durée de traitement plus courte, un rendement plus élevé et des températures plus basses. En tant que traitement mécanique doux, l’extraction assistée par ultrasons évite la dégradation thermique des composants bioactifs et offre de meilleurs résultats que d’autres techniques, telles que l’extraction conventionnelle par solvant, l’hydrodistillation ou l’extraction Soxhlet, connues pour détruire les molécules thermosensibles. Grâce à ces avantages, l’extraction par ultrasons est la technique privilégiée pour libérer les composés bioactifs thermosensibles des matières végétales.

Extraction par ultrasons à partir de cellules végétales : la coupe transversale microscopique (TS) montre les mécanismes d’action lors de l’extraction par ultrasons à partir des cellules (grossissement 2000x) [source : Vilkhu et al. 2011]

Anthocyane – Un pigment végétal précieux

Les anthocyanes sont des pigments végétaux vacuolaires qui peuvent apparaître rouges, violets, bleus ou noirs. La couleur des pigments anthocyaniques hydrosolubles dépend de leur pH. Les anthocyanes se trouvent dans la vacuole cellulaire, principalement dans les fleurs et les fruits, mais aussi dans les feuilles, les tiges et les racines, où elles sont surtout présentes dans les couches cellulaires externes, telles que l’épiderme et les cellules périphériques du mésophylle.
Les glycosides de cyanidine, de delphinidine, de malvidine, de pélargonidine, de péonidine et de pétunidine sont les plus fréquents dans la nature.
Parmi les exemples marquants de plantes riches en anthocyanes figurent les espèces du genre Vaccinium, telles que les bleuets, les canneberges et les myrtilles ; les baies du genre Rubus, notamment les framboises noires, les framboises rouges et les mûres ; le cassis, la cerise, l’aubergine, le riz noir, l’ube, la patate douce d’Okinawa, le raisin Concord, le raisin muscadine, le chou rouge et les pétales de violette. Les pêches et les pommes à chair rouge contiennent des anthocyanes. Les anthocyanes sont moins abondantes dans la banane, l’asperge, le pois, le fenouil, la poire et la pomme de terre, et peuvent être totalement absentes de certains cultivars de groseilles à maquereau vertes.

Structure des principales anthocyanes

Les anthocyanes constituent une excellente alternative aux colorants synthétiques dans les produits alimentaires. Elles sont autorisées comme colorants alimentaires dans l’Union européenne, en Australie et en Nouvelle-Zélande, sous le code de colorant E163. Les anthocyanes sont présentes dans les fruits et les légumes et peuvent être décrites comme un type de pigments végétaux hydrosolubles. Chimiquement, les anthocyanes sont des glycosides d’anthocyanidines fondés sur la structure du 2-phenylbenzophyrylium (flavylium). Plus de 200 composés phytochimiques distincts appartiennent à la catégorie des anthocyanes. Les anthocyanes étant un pigment colorant majeur des fruits et des baies sauvages, il existe de nombreuses sources dont elles peuvent être extraites. La peau du raisin constitue une source importante d’anthocyanes. Les pigments anthocyaniques de la peau du raisin sont principalement constitués de diglucosides, de monoglucosides, de monoglucosides acylés et de diglucosides acylés de péonidine, de malvidine, de cyanidine, de pétunidine et de delphinidine. La teneur en anthocyanes du raisin varie de 30–750mg/100g.
Les principales anthocyanes sont la cyanidine, la delphinidine, la pélargonidine, la péonidine, la malvidine et la pétunidine.
Par exemple, les anthocyanes peonidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside, peonidin-3-(6″-caffeoyl-6‴-feruloyl sophoroside)-5-glucoside et cyanidin-3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophoroside-5-glucoside sont présentes dans les patates douces violettes.

Anthocyanes – Bienfaits pour la santé

Outre leur grande aptitude à servir de colorants alimentaires naturels, les anthocyanes sont très appréciées pour leurs effets antioxydants. Elles présentent ainsi de nombreux effets positifs sur la santé. Des recherches ont montré que les anthocyanes peuvent inhiber les lésions de l’ADN dans les cellules cancéreuses, inhiber les enzymes digestives, induire la production d’insuline dans des cellules pancréatiques isolées, réduire les réponses inflammatoires, protéger contre le déclin des fonctions cérébrales lié à l’âge, améliorer l’étanchéité des vaisseaux sanguins capillaires et empêcher l’agrégation des thrombocytes.