Extraction d’astaxanthine par ultrasons pour des rendements plus élevés
- L’astaxanthine est un antioxydant très puissant utilisé dans les produits pharmaceutiques et les compléments nutritionnels.
- Pour produire de l’astaxanthine de haute qualité à partir de sources naturelles telles que les algues, une technique d’extraction à hautes performances est nécessaire.
- L’extraction par ultrasons est un traitement mécanique qui permet d’obtenir des rendements élevés en astaxanthine en un temps d’extraction très court.
Sonicateurs à hautes performances pour des extraits d’astaxanthine de haute qualité
L’extraction par ultrasons est une technique d’extraction à hautes performances qui utilise des ondes ultrasonores intenses pour extraire l’astaxanthine de sources naturelles telles que les microalgues, le krill ou les crustacés. L’astaxanthine est un pigment caroténoïde naturellement présent, connu pour ses puissantes propriétés antioxydantes et ses divers bienfaits pour la santé. Elle est couramment utilisée comme complément alimentaire et colorant alimentaire. Découvrez comment la sonication contribue à améliorer votre procédé d’extraction d’astaxanthine !
MultiSonoReactor pour améliorer l’extraction d’astaxanthine à l’aide d’ultrasons de forte puissance
Extraction d’astaxanthine à partir de microalgues par ultrasons
L’astaxanthine destinée aux compléments alimentaires, consommés par les humains et les animaux pour leurs bienfaits pour la santé, est obtenue à partir de produits de la mer ou extraite de l’algue H. pluvialis. Haematococcus pluvialis est une microalgue verte qui produit des teneurs élevées en astaxanthine lorsqu’elle est soumise à des conditions de stress, par exemple une salinité élevée, une carence en azote, une température élevée et une exposition à la lumière. Avec jusqu’à 9,2mg/g d’astaxanthine par cellule d’algue (= jusqu’à 3,8% du poids sec de H. pluvialis), Haematococcus pluvialis accumule une teneur très élevée en astaxanthine naturelle et constitue donc l’organisme privilégié pour la production d’astaxanthine.
Pour libérer l’astaxanthine des microalgues vertes, les cellules des algues doivent être désagrégées. L’utilisation des ultrasons est bien établie pour la désagrégation et la lyse cellulaires ainsi que pour l’isolement de composés bioactifs tels que les lipides, les antioxydants, les polyphénols et les pigments naturels. Les ultrasons à hautes performances génèrent des forces purement mécaniques qui rompent les parois cellulaires par des forces de cisaillement et provoquent la libération de substances bioactives telles que l’astaxanthine.
Extraction d’astaxanthine à partir de levures par ultrasons
Phaffia rhodozyma est une levure riche en astaxanthine. Cependant, l’épaisse paroi cellulaire de P. rhodozyma, principalement composée de glucane et responsable de la rigidité cellulaire, rend la désagrégation cellulaire et l’isolement de l’astaxanthine difficiles. Des chercheurs (Gogate et al. 2015) ont constaté que l’extraction par ultrasons combinée à l’acide lactique intensifie la désagrégation cellulaire et rend l’extraction de l’astaxanthine de P. rhodozyma plus écologique et plus respectueuse de l’environnement. Ils ont utilisé l’acide lactique comme milieu de désagrégation et l’éthanol comme solvant d’extraction. Le rendement maximal en astaxanthine (90%) a été obtenu avec l’approche d’extraction assistée par ultrasons reposant sur l’utilisation d’acide lactique à 3 M et un temps de désagrégation de 15 min. De puissants extracteurs à ultrasons tels que le UIP4000hd (4kW, voir l’image à gauche), associés à un réacteur à circulation pouvant être pressurisé, permettent de générer une cavitation très intense. Les forces de cisaillement dues à la cavitation rompent les parois cellulaires des levures et favorisent le transfert de matière entre l’intérieur des cellules et le solvant.
- Rendement supérieur
- Extraction rapide – en quelques minutes
- Extraits de haute qualité – traitement doux et non thermique
- Solvants écologiques (p. ex. eau/éthanol)
- Économique
- Utilisation simple et sûre
- Faibles coûts d’investissement et d’exploitation
- Fonctionnement 24/7 en conditions intensives
- Méthode écologique et respectueuse de l’environnement
Extraction d’astaxanthine par ultrasons – en mode discontinu ou à circulation continue
L’astaxanthine est un composé lipophile qui peut être dissous dans des solvants (p. ex. 48,0% d’éthanol dans l’acétate d’éthyle) et des huiles (p. ex. huile de soja).
Mode discontinu : Les procédés d’extraction par ultrasons peuvent être réalisés simplement en mode discontinu ou sous forme de traitement en ligne, dans lequel le milieu traverse en continu un réacteur à ultrasons à circulation.
Le traitement en mode discontinu est une procédure simple dans laquelle l’extraction est effectuée lot par lot. Hielscher Ultrasonics propose des processeurs à ultrasons pour des lots de petite à grande taille, soit de 1L à 120L.
Pour traiter des lots de 5 à 10L, nous recommandons le UP400ST avec la sonotrode S24d22L2D (voir l’image à gauche).
Pour traiter des lots d’environ 120L, nous recommandons le sonicateur UIP2000hdT avec la sonotrode RS4d40L4.
Mode à circulation : Pour des volumes plus importants et une extraction commerciale à grande échelle, un flux continu de liquide traverse un réacteur à ultrasons, dans lequel la suspension de matière végétale dans le solvant est soumise à une sonication intense.
Pour un débit d’environ 8L/min., nous recommandons le UIP4000hdT avec la sonotrode RS4d40L3 et la cellule à circulation FC130L4-3G0 pouvant être pressurisée
UIP2000hdT (2kW) pour l’extraction en mode discontinu à grande échelle
Appareils à ultrasons à hautes performances pour l’extraction
Hielscher Ultrasonics est spécialisé dans la fabrication de sonicateurs à hautes performances pour la production d’extraits de haute qualité à partir de plantes, de levures et de cellules. La vaste gamme de produits de Hielscher Ultrasonics 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 composants bioactifs tels que l’astaxanthine, la quercétine, la caféine, la curcumine, les terpènes, etc. Tous les sonicateurs numériques de 200W à 16 000W disposent d’un menu intuitif avec des réglages programmables, d’un écran tactile couleur pour une utilisation confortable, d’une carte SD intégrée pour l’enregistrement automatique des données, d’une commande à distance par navigateur et de nombreuses autres fonctionnalités pratiques. Les sonotrodes et les cellules à circulation (les pièces en contact avec le milieu) peuvent être autoclavées et sont faciles à nettoyer. Tous nos appareils à ultrasons sont conçus pour fonctionner 24/7, nécessitent peu d’entretien et sont simples et sûrs à utiliser.
Un écran numérique couleur permet de commander facilement les équipements à ultrasons. Nos systèmes peuvent fournir des amplitudes allant de faibles à très élevées. Pour l’extraction de composés chimiques tels que l’astaxanthine, nous proposons des sonotrodes ultrasonores spéciales (également appelées sondes ou cornets ultrasonores), optimisées pour l’isolement délicat de substances actives de haute qualité. Hielscher propose des sonotrodes spéciales pour les amplitudes élevées, associées à des cellules à circulation pouvant être pressurisées, capables de générer des forces de cisaillement extrêmes dues à la cavitation, qui désagrègent même les cellules de levure très résistantes. La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en conditions intensives et dans des environnements exigeants.
Le contrôle précis des paramètres du procédé ultrasonore garantit la reproductibilité et la standardisation des procédés. Les systèmes automatisés d’extraction par ultrasons Hielscher à l’échelle industrielle sont conçus pour produire de grandes quantités d’extraits de qualité supérieure tout en réduisant les besoins en main-d’œuvre, les coûts et la consommation d’énergie.
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Bibliographie/Références
- B. Brands and M. Kleinke (2022): Astaxanthin production in Xanthophyllomyces dendrorhous grown in medium containing watery extracts from vegetable residue streams. IOP Conference Series: Earth Environ. Sci. 1034, 2022.
- Chougle, J.A.; Singha, R.S.; Baik, O.-D.(2014): Recovery of Astaxanthin from Paracoccus NBRC 101723 using Ultrasound-Assisted Three Phase Partitioning (UA-TPP). Separation Science and Technology, 49, 2014.
- Gogate et al. (2015): Ultrasound-assisted Intensification of Extraction of Astaxanthin from Phaffia rhodozyma. Indian Chemical Engineer 2015, 57:3-4, 240-255.
- Zou et al. (2013): Response Surface Methodology for Ultrasound-Assisted Extraction of Astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Marine Drugs 2013, 11, 1644-1655.
- Farid Chemat, Natacha Rombaut, Anne-Gaëlle Sicaire, Alice Meullemiestre, Anne-Sylvie Fabiano-Tixier, Maryline Abert-Vian (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 34, 2017. 540-560.
Informations utiles
Sono-extraction
L’extraction par ultrasons, ou sono-extraction, repose sur le principe de la cavitation acoustique.
Lorsque des ondes ultrasonores intenses sont appliquées à des systèmes liquides, une cavitation acoustique se produit : il s’agit du phénomène de formation, de croissance et d’effondrement final de bulles de vide (voir l’image ci-dessous). Pendant la propagation des ondes ultrasonores, les bulles de vide oscillent et grossissent jusqu’à atteindre un point où elles ne peuvent plus absorber d’énergie. Au maximum de leur croissance, elles s’effondrent violemment, ce qui provoque localement des effets thermiques, mécaniques et chimiques. Les effets mécaniques comprennent des pressions élevées pouvant atteindre 1000atm, des turbulences et des forces de cisaillement intenses. Ces forces rompent les parois cellulaires et favorisent le transfert de matière entre l’intérieur des cellules et le solvant, libérant les composés bioactifs dans le liquide environnant (c’est-à-dire le solvant).
La cavitation acoustique, générée par des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence, crée des forces de cisaillement intenses ainsi que des différences locales importantes de pression et de température, qui fournissent l’action nécessaire à la désagrégation cellulaire, au mélange intense et au transfert de matière. Ces forces de cisaillement ultrasonores sont utilisées avec succès pour l’extraction du cannabis.
L’extraction par ultrasons de composés issus de végétaux et de tissus cellulaires a fait l’objet de nombreuses recherches. L’application d’ondes ultrasonores de très haute intensité favorise considérablement les procédés d’extraction. Outre l’intensification du procédé – qui se traduit par des rendements plus élevés et un temps d’extraction plus court – la dégradation thermique et la perte de constituants sensibles à la température sont évitées, car la sonication est un traitement non thermique. De plus, l’extraction par ultrasons présente de faibles coûts d’investissement et d’exploitation, réduit l’utilisation de solvants et/ou permet d’utiliser des solvants plus écologiques, ce qui en fait une technique d’extraction économique et respectueuse de l’environnement. Plus performante que les méthodes d’extraction conventionnelles, l’extraction assistée par ultrasons (UAE) a été adoptée par l’industrie alimentaire pour produire des composés bioactifs avec des avantages économiques.
De puissantes ondes ultrasonores désagrègent la matrice cellulaire des structures biologiques et libèrent les composés bioactifs. Le transfert de matière entre la matière végétale et le solvant est intensifié. Grâce à ces mécanismes, l’extraction par ultrasons est très efficace pour l’extraction du cannabis.
Astaxanthine
L’astaxanthine se distingue par une couleur rouge foncé. C’est un pigment liposoluble présent dans les algues (p. ex. Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, Chlorococcum), les levures (p. ex. Phaffia rhodozyma), le saumon, la truite, le krill, les crevettes et les écrevisses. L’astaxanthine est considérée comme un super-antioxydant, car son pouvoir antioxydant est dix à vingt fois supérieur à celui de nombreux autres caroténoïdes, tels que le bêta-carotène, la lutéine et la zéaxanthine, et cent fois supérieur à celui de l’alpha-tocophérol (vitamine E).
L’astaxanthine (3,3′-dihydroxy-β, β′-carotene-4,4′-dione) est un céto-caroténoïde et appartient à une classe plus vaste de composés chimiques appelés terpènes (en tant que tétraterpénoïde), qui sont constitués de précurseurs à cinq atomes de carbone, le diphosphate d’isopentényle et le diphosphate de diméthylallyle. L’astaxanthine est classée parmi les composés caroténoïdes contenant des composants oxygénés, à savoir des groupes hydroxyle (-OH) ou cétone (C=O), comme la zéaxanthine et la canthaxanthine. L’astaxanthine est un métabolite de la zéaxanthine et/ou de la canthaxanthine, contenant à la fois des groupes fonctionnels hydroxyle et cétone. Comme de nombreux caroténoïdes, l’astaxanthine est un pigment liposoluble et se distingue par sa couleur rouge. Les caroténoïdes, dont l’astaxanthine, sont bien connus pour leur capacité antioxydante.
L’astaxanthine est un pigment rouge qui provient naturellement de la microalgue des eaux de pluie Haematococcus pluvialis et de la levure appelée Xanthophyllomyces dendrorhous (également connue sous le nom de Phaffia rhodozyma). L’algue subit un stress lié à une ou plusieurs conditions, allant du manque de nutriments à une salinité accrue et à un ensoleillement excessif, pour produire de l’astaxanthine. Les espèces qui consomment ces microalgues d’eau douce soumises au stress, telles que le saumon, la truite rouge, la dorade rouge, le flamant rose et les crustacés (p. ex. crevette, krill, crabe, homard, écrevisse), présentent dans leur apparence une pigmentation aux nuances rouge-orangé.
Sous forme de complément, l’astaxanthine est administrée pour ses effets favorables à la santé et thérapeutiques. L’astaxanthine est un nutraceutique bien établi, administré pour améliorer la santé de la peau (p. ex. réduire les rides, les dommages causés par les coups de soleil, etc.).
Par ailleurs, l’astaxanthine suscite un intérêt croissant pour son utilisation dans le traitement de la maladie d’Alzheimer, de la maladie de Parkinson, des maladies cardiovasculaires, de l’hypercholestérolémie, des maladies du foie, de la dégénérescence maculaire liée à l’âge et dans la prévention du cancer.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons à hautes performances, de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.