L’ultrasonication pour améliorer la rupture cellulaire et l’extraction des algues

Les algues, macro- et microalgues, contiennent de nombreux composés précieux, qui sont utilisés comme aliments nutritionnels, additifs alimentaires ou comme carburant ou matière première pour carburants. Afin de libérer les substances cibles de la cellule d’algue, une technique de rupture cellulaire puissante et efficace est nécessaire. Les extracteurs à ultrasons sont très efficaces et fiables lorsqu’il s’agit d’extraire des composés bioactifs de végétaux, d’algues et de champignons. Disponibles à l’échelle du laboratoire, de la paillasse et de l’industrie, les extracteurs à ultrasons Hielscher sont établis dans la production d’extraits d’origine cellulaire dans les secteurs de l’alimentation, de la pharmacie et de la production de biocarburants.

Les algues, une ressource précieuse pour la nutrition et les carburants

Les cellules d’algues sont une source polyvalente de composés bioactifs et riches en énergie, tels que des protéines, des glucides, des lipides et d’autres substances bioactives ainsi que des alcanes. Cela fait des algues une source d’aliments et de composés nutritionnels ainsi que de carburants.
Les microalgues sont une source appréciée de lipides, qui sont utilisés pour la nutrition et comme matière première pour les biocarburants (p. ex. le biodiesel). Les souches du phytoplancton marin Dicrateria, telles que Dicrateria rotunda, sont connues comme des algues productrices d’essence, capables de synthétiser une série d’hydrocarbures saturés (n‐alcanes) de C₁₀H₂₂ à C₃₈H₇₈, qui sont classés en essence (C10–C15), gazoles (C16–C20) et fiouls (C21–C38).
En raison de leur valeur nutritionnelle, les algues sont utilisées comme « aliments fonctionnels » ou « nutraceutiques ». Parmi les micronutriments importants extraits des algues figurent les caroténoïdes astaxanthine, fucoxanthine et zéaxanthine ; le fucoïdane, le laminari et d’autres glucanes, parmi de nombreuses autres substances bioactives, sont utilisés comme compléments alimentaires et produits pharmaceutiques. Le carraghénane, l’alginate et d’autres hydrocolloïdes sont utilisés comme additifs alimentaires. Les lipides d’algues sont utilisés comme source végane d’oméga-3 et également comme carburant ou comme matière première pour la production de biodiesel.

Rupture cellulaire et extraction des algues par ultrasons de puissance

Les extracteurs à ultrasons, ou simplement ultrasonicateurs, sont utilisés pour extraire des composés précieux de petits échantillons en laboratoire ainsi que pour la production à grande échelle commerciale.
Les cellules d’algues sont protégées par des matrices pariétales complexes, composées de lipides, de cellulose, de protéines, de glycoprotéines et de polysaccharides. La base de la plupart des parois cellulaires des algues est constituée d’un réseau microfibrillaire au sein d’une matrice protéique de type gel ; cependant, certaines microalgues sont dotées d’une paroi rigide inorganique composée de frustules de silice opaline ou de carbonate de calcium. Afin d’obtenir des composés bioactifs à partir de la biomasse algale, une technique de rupture cellulaire efficace est nécessaire. Outre les facteurs technologiques d’extraction (c.-à-d. la méthode et l’équipement d’extraction), l’efficacité de la rupture cellulaire et de l’extraction des algues est également fortement influencée par divers facteurs liés aux algues, tels que la composition de la paroi cellulaire, la localisation de la biomolécule recherchée dans les cellules de microalgues et le stade de croissance des microalgues au moment de la récolte.

Comment fonctionnent la rupture cellulaire et l’extraction des algues par ultrasons ?

Lorsque des ondes ultrasonores de haute intensité sont couplées via une sonde à ultrasons (également appelée corne à ultrasons ou sonotrode) dans un liquide ou une suspension épaisse, les ondes sonores se propagent à travers le liquide et créent ainsi des cycles alternés de haute pression / basse pression. Au cours de ces cycles de haute pression / basse pression, de minuscules bulles de vide ou cavités apparaissent. Les bulles de cavitation apparaissent lorsque la pression locale descend, pendant les cycles de basse pression, suffisamment en dessous de la pression de vapeur saturante, une valeur donnée par la résistance à la traction du liquide à une température donnée. Celles-ci grossissent au fil de plusieurs cycles. Lorsque ces bulles de vide atteignent une taille à laquelle elles ne peuvent plus absorber d’énergie, la bulle implose violemment au cours d’un cycle de haute pression. L’implosion des bulles de cavitation est un processus violent et à haute densité énergétique qui génère d’intenses ondes de choc, des turbulences et des micro-jets dans le fluide. En outre, des pressions et des températures localement très élevées sont créées. Ces conditions extrêmes sont aisément capables de rompre les parois et les membranes cellulaires et de libérer les composés intracellulaires de manière efficace, efficiente et rapide. Les composés intracellulaires tels que les protéines, les polysaccharides, les lipides, les vitamines, les minéraux et les antioxydants peuvent ainsi être extraits efficacement à l’aide des ultrasons de puissance.

La cavitation ultrasonore pour la rupture cellulaire et l’extraction

Lorsqu’elle est exposée à une énergie ultrasonore intense, la paroi ou la membrane de tout type de cellule (y compris végétale, mammalienne, algale, fongique, bactérienne, etc.) est rompue et la cellule est déchirée en fragments plus petits par les forces mécaniques de la cavitation ultrasonore à haute densité énergétique. Lorsque la paroi cellulaire est rompue, les métabolites cellulaires tels que les protéines, les lipides, les acides nucléiques et la chlorophylle sont libérés de la matrice de la paroi cellulaire ainsi que de l’intérieur de la cellule et sont transférés dans le milieu de culture ou le solvant environnant.
Le mécanisme de cavitation ultrasonore / acoustique décrit ci-dessus rompt fortement les cellules algales entières ou les vacuoles gazeuses et liquides à l’intérieur des cellules. La cavitation ultrasonore, les vibrations, les turbulences et les micro-courants favorisent le transfert de masse entre l’intérieur de la cellule et le solvant environnant, de sorte que les biomolécules (c.-à-d. les métabolites) sont libérées efficacement et rapidement. Car la sonication est un traitement purement mécanique qui ne nécessite pas de produits chimiques agressifs, toxiques et/ou coûteux.
Les ultrasons de haute intensité et de basse fréquence créent des conditions extrêmes à haute densité énergétique, caractérisées par des pressions et des températures élevées ainsi que de fortes forces de cisaillement. Ces forces physiques favorisent la rupture des structures cellulaires afin de libérer les composés intracellulaires dans le milieu. C’est pourquoi les ultrasons de basse fréquence sont largement utilisés pour l’extraction de substances bioactives et de carburants à partir d’algues. Comparée aux méthodes d’extraction conventionnelles telles que l’extraction par solvant, le broyage à billes ou l’homogénéisation à haute pression, l’extraction par ultrasons se distingue en libérant la plupart des composés bioactifs (tels que les lipides, les protéines, les polysaccharides et les micronutriments) de la cellule sonoporée et rompue. En appliquant les bonnes conditions de procédé, l’extraction par ultrasons donne des rendements d’extraction supérieurs en une durée de procédé très courte. Par exemple, les extracteurs à ultrasons haute performance présentent d’excellentes performances d’extraction à partir d’algues lorsqu’ils sont utilisés avec un solvant approprié. En milieu acide ou alcalin, la paroi cellulaire algale devient poreuse et ridée, ce qui entraîne des rendements accrus à basse température (inférieure à 60°C) en un temps de sonication court (moins de 3 heures). La courte durée d’extraction à des températures modérées empêche la dégradation du fucoïdane, de sorte qu’un polysaccharide hautement bioactif est obtenu.
L’ultrasonication est également une méthode permettant de transformer le fucoïdane de haut poids moléculaire en fucoïdane de bas poids moléculaire, qui est nettement plus bioactif en raison de sa structure débranchée. Grâce à sa bioactivité et à sa bioaccessibilité élevées, le fucoïdane de bas poids moléculaire est un composé intéressant pour les produits pharmaceutiques et les systèmes d’administration de médicaments.

Études de cas : extraction par ultrasons de composés d’algues

L’efficacité de l’extraction par ultrasons et l’optimisation des paramètres d’extraction par ultrasons ont été largement étudiées. Vous trouverez ci-dessous des résultats exemplaires d’extraction par ultrasonication à partir de diverses espèces d’algues.

Extraction de protéines de spiruline par mano-thermo-sonication

Le groupe de recherche du Prof. Chemat (Université d’Avignon) a étudié les effets de la manothermosonication (MTS) sur l’extraction de protéines (telles que la phycocyanine) à partir de cyanobactéries Arthrospira platensis sèches (également connues sous le nom de spiruline). La mano-thermo-sonication (MTS) est l’application des ultrasons combinée à des pressions et des températures élevées afin d’intensifier le procédé d’extraction par ultrasons.
« Selon les résultats expérimentaux, la MTS a favorisé le transfert de masse (diffusivité effective élevée, De) et a permis d’obtenir 229% de protéines en plus (28,42 ± 1,15 g/100 g MS) par rapport au procédé conventionnel sans ultrasons (8,63 ± 1,15 g/100 g MS). Avec 28,42 g de protéines pour 100 g de biomasse de spiruline sèche dans l’extrait, un taux de récupération des protéines de 50% a été atteint en 6 minutes effectives avec un procédé MTS continu. Les observations microscopiques ont montré que la cavitation acoustique a affecté les filaments de spiruline par différents mécanismes tels que la fragmentation, la sonoporation et la détexturation. Ces différents phénomènes facilitent l’extraction, la libération et la solubilisation des composés bioactifs de la spiruline. » [Vernès et al., 2019]

Images de microscopie optique de filaments entiers de spiruline soumis au traitement MTS au fil du temps. Barre d’échelle (image A) = 50 μm pour toutes les images.
image et étude : ©Vernès et al. 2019

Extraction par ultrasons de fucoïdane et de glucanes à partir de Laminaria digitata

Le groupe de recherche TEAGASC du Dr Tiwari a étudié l’extraction de polysaccharides, c.-à-d. le fucoïdane, la laminarine et les glucanes totaux, à partir de la macroalgue Laminaria digitata à l’aide de l’ultrasonicateur UIP500hdT. Les paramètres d’extraction assistée par ultrasons (UAE) étudiés ont montré une influence significative sur les teneurs en fucose, FRAP et DPPH. Des teneurs de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde et 11,02% ont été obtenues respectivement pour le fucose, les glucanes totaux, le FRAP et le DPPH, dans des conditions optimisées de température (76◦C), de durée (10 min) et d’amplitude ultrasonore (100%), avec du HCl 0,1 M comme solvant. Les conditions d’UAE décrites ont ensuite été appliquées avec succès à d’autres macroalgues brunes économiquement importantes (L. hyperborea et A. nodosum) afin d’obtenir des extraits riches en polysaccharides. Cette étude démontre l’applicabilité de l’UAE pour améliorer l’extraction de polysaccharides bioactifs à partir de diverses espèces de macroalgues.

Extraction par ultrasons de composés phytochimiques à partir de F. vesiculosus et de P. canaliculata

L’équipe de recherche de García-Vaquero a comparé diverses nouvelles techniques d’extraction, dont l’extraction par ultrasons haute performance, l’extraction par ultrasons-micro-ondes, l’extraction par micro-ondes, l’extraction assistée hydrothermique et l’extraction assistée par haute pression, afin d’évaluer l’efficacité d’extraction à partir des espèces de microalgues brunes Fucus vesiculosus et Pelvetia canaliculata. Pour l’ultrasonication, ils ont utilisé l’extracteur à ultrasons Hielscher UIP500hdT. L’analyse des rendements d’extraction a révélé que l’extraction par ultrasons a permis d’obtenir les rendements les plus élevés de la plupart des composés phytochimiques à la fois à partir de F. vesiculosus. Ainsi, les rendements les plus élevés des composés extraits de F. vesiculosus à l’aide de l’extracteur à ultrasons UIP500hdT ont été : teneur en phénols totaux (445,0 ± 4,6 mg équivalents acide gallique/g), teneur en phlorotannins totaux (362,9 ± 3,7 mg équivalents phloroglucinol/g), teneur en flavonoïdes totaux (286,3 ± 7,8 mg équivalents quercétine/g) et teneur en tanins totaux (189,1 ± 4,4 mg équivalents catéchine/g).
Dans leur étude, l’équipe a conclu que l’utilisation de l’extraction assistée par ultrasons « combinée à une solution éthanolique à 50% comme solvant d’extraction pourrait constituer une stratégie prometteuse ciblant l’extraction des TPC, TPhC, TFC et TTC, tout en réduisant la co-extraction de glucides indésirables à partir de F. vesiculosus et de P. canaliculata, avec des applications prometteuses pour l’utilisation de ces composés comme produits pharmaceutiques, nutraceutiques et cosméceutiques. » [García-Vaquero et al., 2021]

Mise à l’échelle de la mano-thermo-sonication à l’Université d’Avignon à l’aide d’ultrasonicateurs Hielscher : de l’équipement de laboratoire UIP1000hdT (A) à l’équipement à l’échelle pilote UIP4000hdT (B, C & D). L’image D représente schématiquement une coupe transversale de la cellule à circulation à ultrasons FC100K.
image et étude : ©Vernès et al. 2019

Extracteurs à ultrasons haute performance pour la rupture cellulaire des algues

Les équipements à ultrasons de pointe de Hielscher permettent un contrôle total des paramètres de procédé tels que l’amplitude, la température, la pression et l’apport d’énergie.
Pour l’extraction par ultrasons, des paramètres tels que la granulométrie de la matière première, le type de solvant, le rapport solide/solvant et la durée d’extraction peuvent être variés et optimisés pour obtenir les meilleurs résultats.
L’extraction par ultrasons étant une méthode d’extraction non thermique, la dégradation thermique des ingrédients bioactifs présents dans la matière première, comme les algues, est évitée.
Dans l’ensemble, des avantages tels qu’un rendement élevé, une courte durée d’extraction, une basse température d’extraction et de faibles quantités de solvant font de la sonication la méthode d’extraction supérieure.

L’extraction par ultrasons : établie en laboratoire et dans l’industrie

L’extraction par ultrasons est largement appliquée pour l’extraction de tout type de composé bioactif à partir de végétaux, d’algues, de bactéries et de cellules de mammifères. L’extraction par ultrasons s’est imposée comme une technique simple, économique et très efficace, qui surpasse les autres techniques d’extraction traditionnelles par des rendements d’extraction plus élevés et des durées de traitement plus courtes.
Avec des systèmes à ultrasons de laboratoire, de paillasse et entièrement industriels facilement disponibles, l’extraction par ultrasons est aujourd’hui une technologie bien établie et éprouvée. Les extracteurs à ultrasons Hielscher sont installés dans le monde entier dans des installations de traitement industrielles qui produisent des composés bioactifs de qualité alimentaire et pharmaceutique.

Standardisation des procédés avec Hielscher Ultrasonics

Les extraits d’algues, utilisés dans l’alimentation, les produits pharmaceutiques ou les cosmétiques, doivent être produits conformément aux Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF) et selon des spécifications de traitement standardisées. Les systèmes d’extraction numériques de Hielscher Ultrasonics sont dotés d’un logiciel intelligent qui permet de régler et de contrôler facilement et précisément le procédé de sonication. L’enregistrement automatique des données inscrit tous les paramètres du procédé ultrasonore, tels que l’énergie ultrasonore (énergie totale et nette), l’amplitude, la température et la pression (lorsque des capteurs de température et de pression sont montés), avec horodatage de la date et de l’heure, sur la carte SD intégrée. Cela vous permet de réexaminer chaque lot traité par ultrasons. Dans le même temps, la reproductibilité et une qualité de produit constamment élevée sont garanties.

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