Les ultrasons pour améliorer la désintégration et l'extraction des cellules d'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. Afin de libérer les substances cibles des cellules d'algues, une technique de désintégration 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 plantes, d'algues et de champignons. Disponibles à l'échelle du laboratoire, de la paillasse et de l'industrie, les extracteurs à ultrasons Hielscher sont utilisés dans la production d'extraits cellulaires pour l'alimentation, la pharmacie et 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 les protéines, les hydrates de carbone, les lipides et autres substances bioactives, ainsi que les alcanes. Les algues sont donc une source d'aliments et de composés nutritionnels, ainsi que de carburants.
Les microalgues sont une source précieuse de lipides, qui sont utilisés pour l'alimentation et comme matière première pour les biocarburants (par exemple, le biodiesel). Des souches du phytoplancton marin Dicrateria, telles que Dicrateria rotunda, sont connues comme étant des algues productrices d'essence, capables de synthétiser une série d'hydrocarbures saturés (n-alcanes) à partir de C10H22 à C38H78qui sont classés en essence (C10-C15), huiles diesel (C16-C20) et huiles combustibles (C21-C38).
En raison de leur valeur nutritionnelle, les algues sont utilisées comme "aliments fonctionnels" ou "nutraceutiques". Les micro-nutriments importants extraits des algues comprennent les caroténoïdes astaxanthine, fucoxanthine et zéaxantine, le fucoidan, le laminari et d'autres glucanes, parmi de nombreuses autres substances bioactives, qui sont utilisés comme compléments nutritionnels et produits pharmaceutiques. Le carraghénane, l'alginate et d'autres hydrocolloïdes sont utilisés comme additifs alimentaires. Les lipides d'algues sont utilisés comme source d'oméga-3 végétalienne et également comme carburant ou comme matière première pour la production de biodiesel.
Perturbation et extraction des cellules d'algues par ultrasons de puissance
Les extracteurs à ultrasons, ou simplement les ultrasons, sont utilisés pour extraire des composés précieux à partir de petits échantillons en laboratoire, ainsi que pour la production à grande échelle.
Les cellules des algues sont protégées par des matrices de parois cellulaires 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 à l'intérieur d'une matrice protéique semblable à un gel ; cependant, certaines microalgues sont équipées 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 efficace de désintégration cellulaire est nécessaire. Outre les facteurs technologiques d'extraction (c'est-à-dire la méthode et l'équipement d'extraction), l'efficacité de la désintégration et de l'extraction des cellules d'algues est également fortement influencée par divers facteurs dépendant des algues, tels que la composition de la paroi cellulaire, la localisation de la biomolécule souhaitée dans les cellules des microalgues et le stade de croissance des microalgues lors de la récolte.
Comment fonctionne la désintégration et l'extraction des cellules d'algues par ultrasons ?
Lorsque des ondes ultrasonores de haute intensité sont couplées à une sonde ultrasonique (également appelée cornet ultrasonique ou sonotrode) dans un liquide ou une boue, les ondes sonores se propagent dans le liquide et créent ainsi des cycles alternatifs de haute et de basse pression. Au cours de ces cycles haute pression / basse pression, de minuscules bulles de vide ou cavités se forment. Les bulles de cavitation apparaissent lorsque la pression locale chute pendant les cycles de basse pression suffisamment en dessous de la pression de vapeur saturée, une valeur donnée par la résistance à la traction du liquide à une certaine température. Les bulles se développent sur plusieurs cycles. Lorsque ces bulles de vide atteignent une taille telle qu'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 très énergivore qui génère des ondes de choc intenses, des turbulences et des micro-jets dans le fluide. En outre, de très hautes pressions et de très hautes températures sont créées localement. Ces conditions extrêmes peuvent facilement perturber les parois et les membranes cellulaires et libérer les composés intracellulaires de manière efficace 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 grâce aux ultrasons de puissance.
Cavitation ultrasonique pour la désintégration et l'extraction des cellules
Lorsqu'elle est exposée à une énergie ultrasonique intense, la paroi ou la membrane de tout type de cellule (botanique, mammifère, algale, fongique, bactérienne, etc.) est rompue et la cellule est déchirée en fragments plus petits par les forces mécaniques de la cavitation ultrasonique à haute densité d'énergie. 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 ultrasonique/acoustique décrit ci-dessus perturbe gravement les cellules d'algues entières ou les vacuoles de gaz et de liquide à l'intérieur des cellules. La cavitation ultrasonique, les vibrations, les turbulences et les micro-écoulements favorisent le transfert de masse entre l'intérieur de la cellule et le solvant environnant, de sorte que les biomolécules (c'est-à-dire les métabolites) sont efficacement et rapidement libérées. 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 de densité énergétique extrême, avec des pressions, des températures et des forces de cisaillement élevées. Ces forces physiques favorisent la rupture des structures cellulaires afin de libérer les composés intracellulaires dans le milieu. C'est pourquoi les ultrasons à 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 de billes ou l'homogénéisation à haute pression, l'extraction par ultrasons excelle en libérant la plupart des composés bioactifs (tels que les lipides, les protéines, les polysaccharides et les micronutriments) de la cellule sonoporée et désorganisée. En appliquant les bonnes conditions de traitement, l'extraction par ultrasons permet d'obtenir des rendements d'extraction supérieurs dans un délai très court. Par exemple, les extracteurs ultrasoniques à haute performance montrent d'excellentes performances d'extraction des algues, lorsqu'ils sont utilisés avec un solvant approprié. Dans un milieu acide ou alcalin, la paroi cellulaire de l'algue devient poreuse et plissée, ce qui permet d'augmenter les rendements à basse température (moins de 60°C) dans un temps de sonication court (moins de 3 heures). La courte durée d'extraction à des températures douces empêche la dégradation du fucoïdane, ce qui permet d'obtenir un polysaccharide hautement bioactif.
L'ultrasonication est également une méthode permettant de transformer le fucoidan de poids moléculaire élevé en fucoidan de poids moléculaire faible, qui est nettement plus bioactif en raison de sa structure débranchée. Grâce à sa bioactivité et à sa bioaccessibilité élevées, le fucoidan à faible poids moléculaire est un composé intéressant pour les produits pharmaceutiques et les systèmes d'administration de médicaments.
Études de cas : Extraction ultrasonique 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 exemples de résultats d'extraction par ultrasons de diverses espèces d'algues.
Extraction des protéines de la spiruline par mano-thermo-sonification
Le groupe de recherche du professeur Chemat (Université d'Avignon) a étudié les effets de la mano-thermo-sonication (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 d'ultrasons combinée à des pressions et des températures élevées afin d'intensifier le processus d'extraction par ultrasons.
"Selon les résultats expérimentaux, le 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 DW) que le procédé conventionnel sans ultrasons (8,63 ± 1,15 g/100 g DW). Avec 28,42 g de protéines par 100 g de biomasse sèche de spiruline 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 impacté les filaments de spiruline par différents mécanismes tels que la fragmentation, la sonoporation, la détexturation. Ces différents phénomènes facilitent l'extraction, la libération et la solubilisation des composés bioactifs de la spiruline." [Vernès et al, 2019]
Extraction ultrasonique de Fucoidan et de Glucan à partir de Laminaria digitata
Le groupe de recherche TEAGASC du Dr. Tiwari a étudié l'extraction de polysaccharides, à savoir le fucoidan, la laminarine et les glucanes totaux, à partir de la macroalgue Laminaria digitata en utilisant le procédé Ultrasonateur UIP500hdT. Les paramètres d'extraction assistée par ultrasons (UAE) étudiés ont montré une influence significative sur les teneurs en fucose, FRAP et DPPH. Des niveaux de 1060,75 mg/100 g ds, 968,57 mg/100 g ds, 8,70 μM trolox/mg fde et 11,02% ont été obtenus pour le fucose, les glucanes totaux, la FRAP et la DPPH respectivement dans des conditions optimisées de température (76◦C), de temps (10 min) et d'amplitude ultrasonique (100%) en utilisant 0,1 M HCl comme solvant. Les conditions d'UAE décrites ont ensuite été appliquées avec succès à d'autres macroalgues brunes d'intérêt économique (L. hyperborea et A. nodosum) pour obtenir des extraits riches en polysaccharides. Cette étude démontre l'applicabilité de l'EAU pour améliorer l'extraction de polysaccharides bioactifs à partir de diverses espèces de macroalgues.
Extraction phytochimique ultrasonique à partir de F. vesiculosus et P. canaliculata
L'équipe de recherche de García-Vaquero a comparé plusieurs nouvelles techniques d'extraction, notamment l'extraction par ultrasons à haute performance, l'extraction par ultrasons et micro-ondes, l'extraction assistée par hydrothermie et l'extraction assistée par haute pression, afin d'évaluer l'efficacité de l'extraction des espèces de microalgues brunes Fucus vesiculosus et Pelvetia canaliculata. Pour l'ultrasonication, ils ont utilisé le Extracteur à ultrasons Hielscher UIP500hdT. L'analyse des rendements d'extraction a révélé que l'extraction par ultrasons permettait d'obtenir les rendements les plus élevés pour la plupart des composés phytochimiques des deux F. vesiculosus. Cela signifie que les rendements les plus élevés des composés extraits de F. vesiculosus à l'aide de la méthode d'extraction par ultrasons ont été atteints. extracteur à ultrasons UIP500hdT Il s'agit de la teneur phénolique totale (445,0 ± 4,6 mg d'équivalents d'acide gallique/g), de la teneur en phlorotannins totaux (362,9 ± 3,7 mg d'équivalents de phloroglucinol/g), de la teneur en flavonoïdes totaux (286,3 ± 7,8 mg d'équivalents de quercétine/g) et de la teneur en tannins totaux (189,1 ± 4,4 mg d'équivalents de 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 être une stratégie prometteuse pour l'extraction du TPC, du TPhC, du TFC et du TTC, tout en réduisant la co-extraction des glucides indésirables 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]
- Efficacité d'extraction élevée
- Rendements d'extraction supérieurs
- processus rapide
- Basses températures
- Adapté à l'extraction de composés thermolabiles
- Compatible avec tous les solvants
- Faible consommation d'énergie
- Technique d'extraction verte
- Fonctionnement simple et sûr
- Faibles coûts d'investissement et d'exploitation
- Fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 dans des conditions difficiles
Extracteurs ultrasoniques haute performance pour la destruction des algues
L'équipement ultrasonique de pointe de Hielscher permet un contrôle total des paramètres du processus tels que l'amplitude, la température, la pression et l'apport d'énergie.
Pour l'extraction par ultrasons, les paramètres tels que la taille des particules de matière première, le type de solvant, le rapport solide-solvant et le temps d'extraction peuvent être modifiés 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 telle que les algues est évitée.
Dans l'ensemble, les avantages tels que le rendement élevé, le temps d'extraction court, la température d'extraction basse et les faibles quantités de solvant font de la sonication la méthode d'extraction la plus performante.
Extraction par ultrasons : Établie en laboratoire et dans l'industrie
L'extraction par ultrasons est largement utilisée pour l'extraction de tout type de composé bioactif à partir de plantes, d'algues, de bactéries et de cellules de mammifères. L'extraction par ultrasons s'est imposée comme une technique simple, rentable et très efficace qui surpasse les autres techniques d'extraction traditionnelles par des rendements d'extraction plus élevés et une durée de traitement plus courte.
Avec des systèmes ultrasoniques de laboratoire, de paillasse et entièrement industriels facilement disponibles, l'extraction par ultrasons est aujourd'hui une technologie bien établie et fiable. Les extracteurs à ultrasons Hielscher sont installés dans le monde entier dans des installations industrielles qui produisent des composés bioactifs de qualité alimentaire et pharmaceutique.
Normalisation des processus avec Hielscher Ultrasonics
Les extraits d'algues, qui sont utilisés dans l'alimentation, les produits pharmaceutiques ou les cosmétiques, doivent être produits conformément aux bonnes pratiques de fabrication (BPF) et à des spécifications de traitement normalisées. Les systèmes d'extraction numériques de Hielscher Ultrasonics sont dotés d'un logiciel intelligent qui facilite le réglage et le contrôle précis du processus de sonication. L'enregistrement automatique des données permet de consigner sur la carte SD intégrée tous les paramètres du processus ultrasonique tels que l'énergie ultrasonique (énergie totale et nette), l'amplitude, la température, la pression (lorsque des capteurs de température et de pression sont montés) avec la date et l'heure. Cela vous permet de réviser chaque lot traité par ultrasons. En même temps, la reproductibilité et la haute qualité du produit sont assurées.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
---|---|---|
1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Littérature / Références
- García-Vaquero, Marco; Rajauria, Gaurav; Brijesh Kumar, Tiwari; Sweeney, Torres; O’Doherty, John (2018): Extraction and Yield Optimisation of Fucose, Glucans and Associated Antioxidant Activities from Laminaria digitata by Applying Response Surface Methodology to High Intensity Ultrasound-Assisted Extraction. Marine Drugs 16(8), 2018.
- Merlyn Sujatha Rajakumar and Karuppan Muthukumar (2018): Influence of pre-soaking conditions on ultrasonic extraction of Spirulina platensis proteins and its recovery using aqueous biphasic system. Separation Science and Technology 2018.
- Smriti Kana Pyne, Paramita Bhattacharjee, Prem Prakash Srivastav (2020): Process optimization of ultrasonication-assisted extraction to obtain antioxidant-rich extract from Spirulina platensis. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 8(4), 2020.
- Zhou, Jianjun; Min Wang, Francisco J. Barba, Zhenzhou Zhu, Nabil Grimi (2023):
A combined ultrasound + membrane ultrafiltration (USN-UF) process for enhancing saccharides separation from Spirulina (Arthrospira platensis). Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 85, 2023. - Harada, N., Hirose, Y., Chihong, S. et al. (2021): A novel characteristic of a phytoplankton as a potential source of straight‐chain alkanes. Scientific Reports Vol. 11, 2021.
- Halim, Ronald; Hill, David; Hanssen, Eric; Webley, Paul; Blackburn, Susan; Grossman, Arthur; Posten, Clemens; Martin, Gregory (2019): Towards sustainable microalgal biomass processing: Anaerobic induction of autolytic cell-wall self-ingestion in lipid-rich Nannochloropsis slurries. Green Chemistry 21, 2019.
- Garcia-Vaquero, Marco; Rajeev Ravindran; Orla Walsh; John O’Doherty; Amit K. Jaiswal; Brijesh K. Tiwari; Gaurav Rajauria (2021): Evaluation of Ultrasound, Microwave, Ultrasound–Microwave, Hydrothermal and High Pressure Assisted Extraction Technologies for the Recovery of Phytochemicals and Antioxidants from Brown Macroalgae. Marine Drugs 19 (6), 2021.
- Vernès, Léa; Vian, Maryline; Maâtaoui, Mohamed; Tao, Yang; Bornard, Isabelle; Chemat, Farid (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry 54, 2019.
Qu'il faut savoir
Algues : Macroalgues, microalgues, phytoplancton, cyanobactéries, algues marines
Le terme "algues" est un terme informel utilisé pour désigner un groupe vaste et diversifié d'organismes eucaryotes photosynthétiques. Les algues sont principalement considérées comme des protistes, mais elles sont aussi parfois classées comme un type de plante (botanique) ou comme des choromistes. En fonction de leur structure cellulaire, elles peuvent être différenciées en macroalgues et microalgues, également connues sous le nom de phytoplancton. Les macroalgues sont des organismes pluricellulaires, souvent appelés algues. La classe des macroalgues comprend diverses espèces d'algues marines macroscopiques et multicellulaires. Le terme phytoplancton est principalement utilisé pour désigner les algues marines microscopiques unicellulaires (microalgues), mais il peut également englober les cyanobactéries. Le phytoplancton est une vaste classe d'organismes divers comprenant des bactéries photosynthétiques ainsi que des microalgues et des coccolithophores cuirassés.
Les algues peuvent être unicellulaires ou pluricellulaires, avec des structures filamenteuses (semblables à des cordes) ou végétales, et sont donc souvent difficiles à classer.
Les espèces de macroalgues (algues marines) les plus cultivées sont Eucheuma spp, Kappaphycus alvarezii, Gracilaria spp, Saccharina japonica, Undaria pinnatifida, Pyropia spp et Sargassum fusiforme. Eucheuma et K. alvarezii sont cultivés pour leur carraghénane, un gélifiant hydrocolloïdal ; Gracilaria est cultivé pour la production d'agar, tandis que les autres espèces sont récoltées pour l'alimentation et la nutrition.
Le varech est un autre type d'algue. Les laminaires sont de grandes algues brunes qui appartiennent à l'ordre des Laminariales. Le varech est riche en alginate, un hydrate de carbone utilisé pour épaissir des produits tels que la crème glacée, la gelée, la vinaigrette et le dentifrice, ainsi que comme ingrédient dans certains aliments pour chiens et dans des produits manufacturés. La poudre d'alginate est également fréquemment utilisée en dentisterie générale et en orthodontie. Les polysaccharides du varech, tels que le fucoidan, sont utilisés dans les soins de la peau comme ingrédients gélifiants.
Le fucoidan est un hétéropolysaccharide sulfaté soluble dans l'eau, présent dans de nombreuses espèces d'algues brunes. Le fucoidan produit commercialement est principalement extrait des espèces d'algues Fucus vesiculosus, Cladosiphon okamuranus, Laminaria japonica et Undaria pinnatifida.
Genres et espèces d'algues les plus importants
- chlorelle est un genre d'environ treize espèces d'algues vertes unicellulaires (microalgues) appartenant à la division Chlorophyta. Les cellules de Chlorella ont une forme sphérique, mesurent environ 2 à 10 μm de diamètre et n'ont pas de flagelles. Leurs chloroplastes contiennent les pigments photosynthétiques verts chlorophylle-a et -b. L'une des espèces de Chlorella les plus utilisées est Chlorella vulgaris, qui est populairement utilisée comme complément alimentaire ou comme additif alimentaire riche en protéines.
- spiruline (cyanobactérie Arthrospira platensis) est une algue bleu-vert filamenteuse et multicellulaire.
- nannochloropsis oculata est une espèce du genre Nannochloropsis. Il s'agit d'une petite algue verte unicellulaire, que l'on trouve aussi bien dans les eaux marines que dans les eaux douces. L'algue Nannochloropsis se caractérise par des cellules sphériques ou légèrement ovoïdes d'un diamètre de 2 à 5 μm.
- Dicrateria est un genre d'haptophytes comprenant les trois espèces Dicrateria gilva, Dicrateria inornata, Dicrateria rotunda et Dicrateria vlkianum. La Dicrateria rotunda (D. rotunda) peut synthétiser des hydrocarbures équivalents au pétrole (hydrocarbures saturés dont le nombre de carbones varie de 10 à 38).