Extraction ultrasonique d'anthocyanes

Les anthocyanes sont largement utilisées comme colorant naturel et comme additif nutritionnel dans les produits alimentaires. L'extraction par ultrasons est une technique simple et très efficace pour obtenir des anthocyanes de haute qualité. L'utilisation de sonicateurs à sonde favorise la libération d'anthocyanes de haute qualité à partir des plantes, ce qui se traduit par des rendements plus élevés et un processus rapide. En même temps, 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. Ils présentent un large spectre de couleurs, allant de l'orange au rouge, en passant par le violet et le bleu, en fonction de la structure moléculaire et de la valeur du pH. L'intérêt pour les anthocyanes ne repose pas uniquement sur leur effet colorant, mais également sur leurs propriétés bénéfiques pour la santé. En raison des préoccupations croissantes en matière d'environnement et de santé liées aux colorants synthétiques, les colorants naturels constituent une excellente alternative en tant que colorants respectueux de l'environnement pour l'industrie alimentaire et pharmaceutique.

Extraction d'anthocyanes améliorée par ultrasons

Comment extraire les anthocyanes par ultrasons ? – Études de cas

Extraction ultrasonique d'anthocyanes du riz violet Oryza Sativa L.

Le riz violet de la souche Oryza Sativa (également connu sous le nom de Violet Nori ou riz violet) est extraordinairement riche en composés phénoliques tels que le groupe favonoïde des anthocyanes. Turrini et al. (2018) ont utilisé l'extraction ultrasonique pour isoler les polyphénols tels que les anthocyanes et les antioxydants du caryopse (sous forme entière, brune et étuvée) et des feuilles du riz violet. L'extraction ultrasonique a été réalisée à l'aide d'un Hielscher UP200St (200W, 26kHz, à gauche) et de l'éthanol à 60 % comme solvant.
Afin de préserver l'intégrité des anthocyanes, les extraits ultrasoniques ont été stockés à -20°C, ce qui a permis de les conserver au moins jusqu'à trois mois.
La cyanidine-3 glucoside (également connue sous le nom de chrysanthème) était de loin la principale anthocyane détectée dans les cultivars "Violet Nori", "Artemide" et "Nerone" étudiés dans l'étude de Turrini et al, tandis que la péonidine-3-glucoside et la cyanidine-3-rutinoside (également antirrhinine) ont été trouvées en plus faibles quantités.
Les feuilles violettes d'Oryza Sativa sont une excellente source d'anthocyanes et de contenu phénolique total (TPC). Avec une quantité environ 2 à 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 d'environ 4 kg d'anthocyanes/t de feuilles fraîches est nettement supérieur à celui de 1 kg d'anthocyanes/t de riz, calculé sur la base des quantités moyennes d'anthocyanes détectées dans le riz "Violet Nori" (1300 µg/g de riz, sous forme de cyanidine-3-glucoside) pour un rendement d'environ 68 kg de riz à partir de 100 kg de paddy.

Extraction ultrasonique d'anthocyanes du chou rouge

Ravanfar et al. (2015) ont étudié l'efficacité de l'extraction ultrasonique des anthocyanes du chou rouge. Les expériences d'extraction par ultrasons ont été réalisées à l'aide d'un système ultrasonique UP100H (Hielscher Ultrasons, 30 kHz, 100 W). La sonotrode MS10 (diamètre de pointe de 10 mm) a été insérée au centre d'un bécher de verre à enveloppe à température contrôlée.

Des morceaux de chou rouge fraîchement coupés, d'une dimension de 5 mm (forme cubique) et d'une teneur en humidité de 92,11 ± 0,45 % ont été utilisés pour cette expérience. Un bécher en verre à enveloppe (volume : 200 ml) a été rempli de 100 ml d'eau distillée et de 2 g de morceaux de chou rouge. Le bécher a été recouvert d'une feuille d'aluminium pour éviter la perte de solvant (eau) par évaporation au cours du processus. Dans toutes les expériences, la température du bécher a été maintenue à l'aide d'un contrôleur thermostatique. Les échantillons ont finalement été collectés, filtrés et centrifugés à 4000 tours/minute et les surnageants ont été utilisés pour déterminer le rendement en anthocyanes. L'extraction au bain-marie a été réalisée comme expérience de contrôle.
Le rendement optimal en anthocyanes du chou rouge a été déterminé à la puissance de 100 W, à la durée de 30 min et à la 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 de la valeur du pH et de sa coloration intense, le colorant de chou rouge a été utilisé comme indicateur de pH dans les formulations pharmaceutiques ou comme antioxydant et colorant dans les systèmes alimentaires, respectivement.

Les ultrasons intensifient considérablement l'extraction des anthocyanes du matériel végétal.
source : Ravanfar et al. 2015

 
D'autres études démontrent que l'extraction par ultrasons des anthocyanes des myrtilles, des mûres, des raisins, des cerises, des fraises et des patates douces violettes, entre autres, a été couronnée de succès.

Extracteurs ultrasoniques haute performance

Hielscher Ultrasonics est spécialisé dans la fabrication de processeurs à ultrasons de haute performance pour la production d'extraits botaniques de haute qualité.
La large gamme de sonificateurs Hielscher s'étend des petits et puissants ultrasons de laboratoire aux systèmes robustes de paillasse et entièrement industriels, qui délivrent des ultrasons de haute intensité pour l'extraction et l'isolation efficaces de substances bioactives (par exemple, les anthocyanes), gingembre, Pipérine, curcumine etc.)
Tous les ultrasons de 200W à 16,000W sont dotés d'un écran tactile coloré pour le contrôle numérique, d'une carte SD intégrée pour l'enregistrement automatique des données, d'une télécommande avec navigateur et de nombreuses autres fonctions conviviales. Les sonotrodes et les cellules d'écoulement (les parties en contact avec le milieu) peuvent être stérilisées à l'autoclave et sont faciles à nettoyer.
Les sonicateurs Hielscher sont très robustes et conçus pour fonctionner 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 à pleine charge, tout en nécessitant peu d'entretien et en étant faciles et sûrs à utiliser. Un écran couleur numérique permet un contrôle convivial de l'appareil.
Nos systèmes sont capables de délivrer de faibles à très fortes amplitudes. Pour l'extraction des cannabinoïdes et des terpènes, nous proposons des sonotrodes ultrasoniques spéciales (également connues sous le nom de sondes ou de cornes ultrasoniques) qui sont optimisées pour l'isolation sensible de substances actives de haute qualité. Tous nos systèmes peuvent être utilisés pour l'extraction et l'émulsification ultérieure des cannabinoïdes. La robustesse des sonicateurs Hielscher leur permet de fonctionner en continu (24 heures sur 24, 7 jours sur 7) dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.

Le contrôle précis des paramètres du processus ultrasonique garantit la reproductibilité et la normalisation du processus.
 

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

Littérature / 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.

Qu'il faut savoir

Comment fonctionne l'extraction assistée par ultrasons ?

L'application d'ondes ultrasonores intenses à un milieu liquide provoque la cavitation. Le phénomène de cavitation entraîne localement des températures, des pressions, des taux de chauffage/refroidissement extrêmes, des différentiels de pression et des forces de cisaillement élevées dans le milieu. Lorsque les bulles de cavitation implosent à la surface des solides (tels que les particules, les cellules végétales, les tissus, etc.), les micro-jets et les collisions interparticulaires génèrent des effets tels que le décollement de la surface, l'érosion et l'éclatement des particules. En outre, l'implosion des bulles de cavitation dans les milieux liquides crée des macro-turbulences et des micro-mélanges.
L'irradiation ultrasonique du matériel végétal fragmente la matrice des cellules végétales et améliore l'hydratation de celles-ci. Chemat et al. (2015) concluent que l'extraction ultrasonique des composés bioactifs des plantes est le résultat de différents mécanismes indépendants ou combinés, notamment la fragmentation, l'érosion, la capillarité, la détexturation et la sonoporation. Ces effets perturbent la paroi cellulaire, améliorent le transfert de masse en poussant le solvant dans la cellule et en aspirant le solvant chargé de phyto-composés, et assurent le mouvement du liquide par micro-mélange.

L'extraction par ultrasons est basée sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques.

L'irradiation ultrasonique du matériel végétal fragmente la matrice des cellules végétales et améliore l'hydratation de celles-ci. Chemat et al. (2015) concluent que l'extraction ultrasonique des composés bioactifs des plantes est le résultat de différents mécanismes indépendants ou combinés, notamment la fragmentation, l'érosion, la capillarité, la détexturation et la sonoporation. Ces effets perturbent la paroi cellulaire, améliorent le transfert de masse en poussant le solvant dans la cellule et en aspirant le solvant chargé de phyto-composés, et assurent le mouvement du liquide par micro-mélange.
L'extraction par ultrasons permet d'isoler très rapidement les composés, surpassant les méthodes d'extraction conventionnelles par 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 excelle par rapport à d'autres techniques telles que l'extraction par solvant conventionnel, l'hydrodistillation ou l'extraction Soxhlet, qui sont connues pour détruire les molécules sensibles à la chaleur. En raison de ces avantages, l'extraction par ultrasons est la technique privilégiée pour libérer les composés bioactifs thermosensibles des plantes médicinales.

Extraction ultrasonique de cellules végétales : la coupe transversale microscopique (TS) montre le mécanisme d'action lors de l'extraction ultrasonique de cellules (grossissement 2000x) [ressource : Vilkhu et al. 2011].

anthocyane – Un pigment végétal précieux

Les anthocyanes sont des pigments végétaux vacuolaires qui peuvent être rouges, violets, bleus ou noirs. L'expression de la couleur des pigments anthocyaniques solubles dans l'eau 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 on les trouve principalement dans les couches cellulaires externes telles que l'épiderme et les cellules mésophylles périphériques.
Les glycosides de cyanidine, delphinidine, malvidine, pélargonidine, péonidine et pétunidine sont les plus fréquents dans la nature.
Parmi les plantes riches en anthocyanes, on peut citer les espèces de vaccinium, comme la myrtille, l'airelle et la myrtille ; les baies de Rubus, comme la framboise noire, la framboise rouge et la mûre ; le cassis, la cerise, l'aubergine, le riz noir, l'ube, la patate douce d'Okinawa, le raisin Concord, le raisin muscadin, 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 les bananes, les asperges, les pois, le fenouil, les poires et les pommes de terre, et peuvent être totalement absentes dans certains cultivars de groseilles vertes.

Structure des principaux anthocyanes

Les anthocyanes sont une excellente alternative pour remplacer les colorants synthétiques dans les produits alimentaires. L'utilisation des anthocyanes comme colorants alimentaires est autorisée dans l'Union européenne, en Australie et en Nouvelle-Zélande, sous le code de colorant E163. Les anthocyanes se trouvent dans les fruits et les légumes et peuvent être décrites comme un type de pigments végétaux solubles dans l'eau. Chimiquement, les anthocyanes sont des glycosides d'anthocyanidines basés sur la structure 2-phénylbenzophyrylium (flavylium). Il existe plus de 200 substances phytochimiques distinctes qui entrent dans la catégorie des anthocyanes. En tant que principal pigment coloré des fruits et baies sauvages, les anthocyanes peuvent être extraites de nombreuses sources. La peau des raisins est une source importante d'anthocyanes. Les pigments anthocyaniques de la peau de raisin se composent principalement de di-glucosides, de mono-glucosides, de monoglucosides acylés ainsi que de di-glucosides acylés de péonidine, de malvidine, de cyanidine, de pétunidine et de delphinidine. La teneur en anthocyanes des raisins varie de 30 à 750 mg/100 g.
Les anthocyanes les plus importantes 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 se trouvent dans les patates douces pourpres.

Anthocyanes – Avantages pour la santé

Outre leur grande capacité à servir de colorant alimentaire naturel, les anthocyanes sont très appréciées pour leurs effets antioxydants. Les anthocyanes ont donc 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 réactions inflammatoires, protéger contre le déclin des fonctions cérébrales lié à l'âge, améliorer l'étanchéité des vaisseaux sanguins capillaires et prévenir l'agrégation des thrombocytes.