FR2789399A1 - Preparing extracts from photosynthetic microorganisms, useful in nutritional, cosmetic and therapeutic compositions, comprises lysing cells grown on induction medium - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé de fabrication d'extraits de micro-organismesMethod for manufacturing extracts of microorganisms
photosynthétiques tels que notamment de spiruline. photosynthetics such as in particular spirulina.
La présente invention concerne les procédés de fabrication d'extraits de micro-organismes photosynthétiques (bactéries pourpres, cyanobactéries et micro-algues). De tels extraits peuvent notamment être utilisés à des fins alimentaires, cosmétiques et/ou thérapeutiques. En outre, ces extraits constituent une base pour la purification de principes actifs ou de The present invention relates to methods of manufacturing extracts of photosynthetic microorganisms (purple bacteria, cyanobacteria and microalgae). Such extracts can in particular be used for food, cosmetic and / or therapeutic purposes. In addition, these extracts constitute a basis for the purification of active ingredients or
métabolites d'intérêt économique. metabolites of economic interest.
A titre d'exemple de micro-organisme auquel le procédé selon l'invention peut être appliqué, on peut citer la spiruline (cyanobactérie filamenteuse comprenant deux espèces, Arthrospira platensis et Spirulina maxima) connue pour ses qualités nutritionnelles (richesse en protéines en acides gras essentiels, en polysaccharides sulfatés et en vitamines) et produisant des composés biologiquement actifs (anti-oxydants, anti- cancéreux, anti-viraux, immunostimulants, bifidogène). On comprendra toutefois que l'invention pourra bien sûr être appliquée à d'autres micro-organismes photosynthétiques. Actuellement, la spiruline est commercialisée sous forme de poudre sèche qui est la forme préférentielle de conservation des cyanobactéries et des micro- algues. Le séchage utilise un procédé thermique, soit séchage naturel By way of example of a microorganism to which the method according to the invention can be applied, mention may be made of spirulina (a filamentous cyanobacterium comprising two species, Arthrospira platensis and Spirulina maxima) known for its nutritional qualities (richness in proteins in fatty acids essential, in sulfated polysaccharides and vitamins) and producing biologically active compounds (antioxidants, anticancer, antiviral, immunostimulants, bifidogen). It will however be understood that the invention may of course be applied to other photosynthetic microorganisms. Currently, spirulina is sold in the form of dry powder which is the preferred form of preservation of cyanobacteria and microalgae. Drying uses a thermal process, i.e. natural drying
au soleil pendant un temps très long, soit séchage forcé à 60-70 C ou plus. in the sun for a very long time, either forced drying at 60-70 C or more.
Ce procédé s'il permet la conservation d'une qualité alimentaire de la spiruline, entraîne de nombreuses dégradations biochimiques et donc des différentes activités de la spiruline. De plus cette forme de conservation tend à renforcer la solidité de la paroi de ces microorganismes et donc à amoindrir la disponibilité des protéines et des molécules actives, la majorité This process if it allows the conservation of a food quality of spirulina, leads to many biochemical degradations and therefore different activities of spirulina. In addition, this form of conservation tends to reinforce the solidity of the wall of these microorganisms and therefore to reduce the availability of proteins and active molecules, the majority
des cellules restant intacte lors de leur adsorption ou lors de leur utilisation. cells remaining intact during their adsorption or during their use.
Le principal objectif de la présente invention est donc de proposer une poudre de micro-organisme permettant une totale disponibilité des The main objective of the present invention is therefore to provide a microorganism powder allowing total availability of
molécules actives, et du contenu cellulaire. active molecules, and cellular content.
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Notamment un objectif de la présente invention est de proposer un nouveau type d'extraits de micro-organisme et notamment de spiruline dont In particular, an objective of the present invention is to propose a new type of extract of microorganism and in particular of spirulina, of which
les qualités organoleptiques et/ou biochimiques ne sont pas dégradées. the organoleptic and / or biochemical qualities are not degraded.
Egalement un des objectifs de la présente invention est de décrire un tel procédé qui ne mette pas en oeuvre d'élévation de température et qui Also one of the objectives of the present invention is to describe such a process which does not implement a temperature rise and which
permette de conserver toutes les qualités biologiques intrinsèques des micro- allows to preserve all the intrinsic biological qualities of micro-
organismes et notamment de la Spiruline. organisms and in particular Spirulina.
Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de fabrication d'un extrait d'au moins un micro-organisme photosynthétique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: - culture dudit micro-organisme dans un milieu liquide de culture adapté aux besoins nutritionnels dudit micro-organisme, - induction physiologique consistant à placer ladite culture dans un milieu liquide d'induction particulier afin de faire produire audit micro- organismes une quantité accrue de métabolites; broyage à froid de ladite culture de façon à obtenir un broyat de celle-ci; - mélange dudit broyat dans un milieu de séparation et séparation de la partie insoluble de la partie soluble dudit broyat par filtration tangentielle à froid These various objectives, as well as others which will appear subsequently, are achieved thanks to the invention which relates to a process for the manufacture of an extract of at least one photosynthetic microorganism characterized in that it comprises the steps of : culture of said microorganism in a liquid culture medium adapted to the nutritional needs of said microorganism, physiological induction consisting in placing said culture in a specific liquid induction medium in order to cause said microorganism to produce an increased amount of metabolites; cold grinding of said culture so as to obtain a ground product thereof; mixing of said ground material in a separation medium and separation of the insoluble part from the soluble part of said ground material by cold tangential filtration
permettant l'obtention d'un extrait brut. allowing the obtaining of a crude extract.
L'invention propose donc un procédé pouvant être mis en oeuvre sans chauffage et sans traitement chimique. Toutes les qualités biologiques The invention therefore provides a process which can be carried out without heating and without chemical treatment. All biological qualities
intrinsèques du micro-organisme traité peuvent ainsi être conservées. of the treated microorganism can thus be preserved.
Selon une variante préférentielle de l'invention, ledit milieu de culture, ainsi que le cas échéant les milieux d'induction et d'extraction, présentent des teneurs contrôlés en métaux lourds. En effet, les micro-organismes photosynthétiques ont la particularité d'accumuler des métaux lourds dans leur paroi polysaccharidique. Certains de ces métaux, tels que le mercure, le According to a preferred variant of the invention, said culture medium, as well as where appropriate the induction and extraction media, have controlled contents of heavy metals. Indeed, photosynthetic microorganisms have the distinction of accumulating heavy metals in their polysaccharide wall. Some of these metals, such as mercury,
plomb ou le chrome, sont toxiques. De ce fait, les poudres de ces micro- lead or chromium are toxic. As a result, the powders of these micro-
organismes peuvent être impropres à la consommation humaine et aussi à l'usage thérapeutique que l'on peut en faire. L'utilisation d'un milieu de organisms can be unfit for human consumption and also for the therapeutic use that can be made of them. The use of a medium
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culture présentant des teneurs contrôlées en métaux lourds s'oppose aux culture with controlled heavy metal contents opposes
systèmes de cultures extensifs utilisés couramment dans le monde. extensive cropping systems commonly used around the world.
De même certains pesticides ont une action sur l'organisme humain et animal, sans en avoir sur la croissance des micro-algues, ils peuvent s'accumuler, voire se dégrader sous une forme plus toxique lorsque l'on réalise ces cultures dans un environnement naturel ou en milieu de culture non contrôlé. C'est pourquoi l'étape de culture est préférentiellement mise en oeuvre dans un photobioréacteur isolé de l'extérieur dont les paramètres Similarly, some pesticides have an action on the human and animal organism, without having any on the growth of micro-algae, they can accumulate or even degrade in a more toxic form when these cultures are carried out in an environment. natural or in an uncontrolled culture medium. This is why the culture step is preferably carried out in a photobioreactor isolated from the outside, the parameters of which
physico-chimiques sont contrôlés.physico-chemical are controlled.
La deuxième étape du procédé (étape d'induction physiologique) consiste à orienter le métabolisme des micro-organismes vers la fabrication de produits utiles aux buts choisis. Si le milieu de culture de la première étape est optimisé pour la production de biomasse, il ne l'est pas pour la production de molécules actives et/ou d'intérêt économique. La biomasse de la première étape est récupérée et placée dans un deuxième milieu contrôlé permettant la surexpression de molécules intéressantes par rapport à d'autres. Par exemple dans le cas de la spiruline, le simple fait de la mettre en présence de chlorure de sodium à 0,5 M suffit à provoquer une surexpression de phycocyanine. Le milieu d'induction physiologique est soumis aux mêmes conditions de contrôle que le milieu de culture. Cette induction physiologique a aussi pour objectif de favoriser la synthèse de protéines et de métabolites spécifiques du stress et qui ont la propriété de favoriser la conservation des extraits. L'induction physiologique pour les produits destinés aux fins alimentaires et cosmétiques sera préférentiellement menée " en eau de mer stérilisée par ultrafiltration. L'eau The second stage of the process (physiological induction stage) consists in directing the metabolism of microorganisms towards the production of products useful for the chosen purposes. If the culture medium of the first stage is optimized for the production of biomass, it is not for the production of active molecules and / or of economic interest. The biomass of the first stage is recovered and placed in a second controlled medium allowing the overexpression of molecules of interest compared to others. For example in the case of spirulina, the simple fact of putting it in the presence of sodium chloride at 0.5 M is sufficient to cause an overexpression of phycocyanin. The physiological induction medium is subjected to the same control conditions as the culture medium. This physiological induction also has the objective of promoting the synthesis of proteins and metabolites specific to stress and which have the property of promoting the conservation of the extracts. Physiological induction for products intended for food and cosmetic purposes will preferably be carried out "in seawater sterilized by ultrafiltration. Water
de mer autorise la surexpression de phycobiliprotéines et l'apport d'oligo- allows the overexpression of phycobiliproteins and the intake of oligo-
éléments. Cette eau de mer devra correspondre aux critères définis cidessus, c'est-à-dire, avoir une concentration en métaux lourds toxiques elements. This seawater must correspond to the criteria defined above, that is to say, have a concentration of toxic heavy metals
pondéralement inférieure à la concentration admissible sur le produit final. slightly lower than the admissible concentration on the final product.
Le milieu d'induction physiologique est adapté à la finalité du produit, on The physiological induction medium is adapted to the purpose of the product, we
pourra, par exemple enrichir la culture en nitrate, en sulfate voire en oligo- could, for example enrich the culture with nitrate, sulfate or even oligo-
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éléments pour induire l'expression de certaines voies métaboliques elements to induce the expression of certain metabolic pathways
particulières, et/ou accumuler des oligo-éléments. specific, and / or accumulate trace elements.
La troisième étape du procédé consiste en un broyage des cellules. Cette étape est préférentiellement menée sous pH contrôlé. Après culture et induction physiologique, les cellules sont séparées du milieu par des moyens mécaniques, lavées à l'eau stérile et suspendues dans un milieu aqueux à une concentration connue et broyées. Ce broyage est réalisé à froid (à 4 C pour The third step in the process consists of grinding the cells. This step is preferably carried out under controlled pH. After culture and physiological induction, the cells are separated from the medium by mechanical means, washed with sterile water and suspended in an aqueous medium at a known concentration and ground. This grinding is carried out cold (at 4 C for
la spiruline) par des moyens mécaniques. L'eau stérile est le solvant préféré. spirulina) by mechanical means. Sterile water is the preferred solvent.
Dans ce cas, la biomasse est reprise dans 2 à 3 fois son volume d'eau stérile. In this case, the biomass is taken up in 2 to 3 times its volume of sterile water.
L'objectif consiste à casser les parois de façon à libérer sous forme soluble le contenu cellulaire et ses produits actifs telles les protéines, les vitamines hydrosolubles, les phycobiliprotéines, les glucides et les polysaccharides libres. Cette lyse de la cellule permet de disposer de ces nutriments sous une forme immédiatement assimilable par l'organisme, à la différence des cellules entières qui peuvent être mal digérées. Pour éviter la précipitation de The objective is to break down the walls so as to release the cellular content and its active products such as proteins, water-soluble vitamins, phycobiliproteins, carbohydrates and free polysaccharides in soluble form. This lysis of the cell makes it possible to have these nutrients in a form immediately assimilable by the body, unlike whole cells which can be poorly digested. To avoid the rush of
certaines protéines, le pH est contrôlé à cette étape. certain proteins, the pH is controlled at this stage.
La quatrième étape consiste à séparer la partie soluble de la partie insoluble. Cette étape permet d'obtenir un lysat clair débarrassé des cellules non cassées, des fragments de membranes et aussi des acides nucléiques de très haut poids moléculaire. Cette séparation se fait par une filtration tangentielle, préférentiellement par microfiltration tangentielle. Le filtrat The fourth step consists in separating the soluble part from the insoluble part. This step makes it possible to obtain a clear lysate free of unbroken cells, fragments of membranes and also nucleic acids of very high molecular weight. This separation is done by tangential filtration, preferably by tangential microfiltration. The filtrate
obtenu est l'extrait brut. Celui-ci peut alors être valorisé de plusieurs façons. obtained is the raw extract. This can then be valued in several ways.
Pour un usage à court terme, cet extrait brut sera filtré par filtration frontale For short-term use, this raw extract will be filtered by frontal filtration
ou ultra-filtration tangentielle à 0,2 micromètres et conditionné stérilement. or tangential ultra-filtration at 0.2 micrometers and sterile conditioned.
Pour un usage à long terme un conservateur autorisé pourra être ajouté. Le For long-term use an authorized preservative may be added. The
rétentat et/ou l'extrait pourront être lyophilisés. retentate and / or the extract may be lyophilized.
On notera que toutes les étapes de fractionnement ont lieu à froid, ce qui permet la conservation de toutes les molécules thermosensibles (vitamines, protéines, etc...). Cet extrait brut, permet aussi le mélange avec d'autres produits ou extraits naturels, pour une utilisation de complément alimentaire, par exemple on peut lui adjoindre les produits de la ruche (miel, gelée It will be noted that all the fractionation stages take place cold, which allows the conservation of all the heat-sensitive molecules (vitamins, proteins, etc.). This raw extract also allows mixing with other natural products or extracts, for use as a food supplement, for example we can add to it bee products (honey, jelly
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royale, propolis) auquel cas on pourra se passer de conservateurs. La valorisation du filtrat peut faire intervenir des procédés de purification afin d'isoler une fraction particulièrement intéressante. Par exemple on peut utiliser la nano-filtration ou l'osmose inverse pour isoler les oligosaccharides, les protéines anti-oxydantes, les vitamines, les peptides, les hormones ou les facteurs de croissance. On peut poursuivre la purification par la chromatographie liquide. Le rétentat contenant les membranes, peut être valorisé par des étapes de purifications complémentaires. Cette fraction comprend des molécules liposolubles comme des vitamines, des lipoprotéines, des polysaccharides (anti-viraux, anti-inflammatoires, immunostimulants), des acides gras essentiels rares comme l'acide gamma-linoléique (obligatoire pour le développement de l'animal mais non synthétisé par lui), les carotènes (anti-oxydants) et des hormones (précurseurs des prostaglandines et des stéroïdes). Outre leur richesse nutritive, ces molécules constituent la base de formulations diététiques. De plus ces molécules ont des activités thérapeutiques importantes, applications pour lesquelles il est nécessaire d'obtenir des royal, propolis) in which case we can do without preservatives. The upgrading of the filtrate can involve purification processes in order to isolate a particularly advantageous fraction. For example, nanofiltration or reverse osmosis can be used to isolate oligosaccharides, antioxidant proteins, vitamins, peptides, hormones or growth factors. The purification can be continued by liquid chromatography. The retentate containing the membranes can be upgraded by additional purification steps. This fraction includes liposoluble molecules such as vitamins, lipoproteins, polysaccharides (anti-virals, anti-inflammatories, immunostimulants), rare essential fatty acids such as gamma-linoleic acid (compulsory for the development of the animal but not synthesized by him), carotenes (antioxidants) and hormones (precursors of prostaglandins and steroids). In addition to their nutritional richness, these molecules constitute the basis of dietary formulations. In addition, these molecules have important therapeutic activities, applications for which it is necessary to obtain
molécules pures pour en permettre le dosage. pure molecules to allow the dosage.
Le procédé selon l'invention, ainsi que les différents avantages qu'il The method according to the invention, as well as the various advantages it
présente seront plus facilement compris grâce à la description non limitative present will be more easily understood thanks to the nonlimiting description
qui va suivre d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre de celui-ci se which will follow from a nonlimiting example of implementation thereof
rapportant à la fabrication d'un extrait liquide de Spiruline. relating to the manufacture of a liquid extract of Spirulina.
Les cellules de spiruline sont cultivées dans un photobioréacteur constitué par une colonne cylindrique transparente laissant passer les rayons lumineux nécessaires à la photosynthèse. Le milieu de culture utilisé a été le milieu de Zarouk dont la composition est donnée ci-après: NaHCO3: 16,8 g/l K2 HPO4: 0,5 g/l Na NO3: 2,5 g/ MgSO4,7 H20: 0,2 g/l K2SO4: 1 g/1 Spirulina cells are cultivated in a photobioreactor constituted by a transparent cylindrical column letting pass the light rays necessary for photosynthesis. The culture medium used was Zarouk's medium, the composition of which is given below: NaHCO3: 16.8 g / l K2 HPO4: 0.5 g / l Na NO3: 2.5 g / MgSO4.7 H2O: 0.2 g / l K2SO4: 1 g / 1
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NaCI: 1 g/l.NaCI: 1 g / l.
Les cellules sont prélevées en fin de phase exponentielle (1,5 à 2,5 unités de densité optique à 750 nm)par filtration sur un tamis de 120 microns et remises en culture dans le milieu d'induction physiologique, qui dans ce cas est de l'eau de mer stérilisée par filtration à 0,2 micron. Une addition de carbonate est nécessaire pour corriger le pH ainsi qu'une source azotée favorisant la synthèse des pigments. Cette étape dure 12 heures. Une variante du procédé consiste en un ajustement en oligoéléments de l'eau de mer par addition de certains d'entre eux. Dans ce cadre, le zinc, le cuivre et le manganèse ont été dosés avant et après ajustement. Les résultats sont donnés ci-après Avant: - Zn: 30 mg/Kg - Cu: 10 mg/Kg - Mn:30 mg/Kg Après: - Zn: 810 mg/Kg - Cu: 1540 mg/Kg - Mn: 1540 mg/Kg Les cellules de spirulines sont ensuite récoltées par tamisage à 120 microns The cells are removed at the end of the exponential phase (1.5 to 2.5 units of optical density at 750 nm) by filtration on a 120 micron sieve and re-cultured in the physiological induction medium, which in this case is sea water sterilized by 0.2 micron filtration. An addition of carbonate is necessary to correct the pH as well as a nitrogen source favoring the synthesis of pigments. This stage lasts 12 hours. A variant of the process consists in adjusting the trace elements of seawater by adding some of them. In this context, zinc, copper and manganese were measured before and after adjustment. The results are given below Before: - Zn: 30 mg / Kg - Cu: 10 mg / Kg - Mn: 30 mg / Kg After: - Zn: 810 mg / Kg - Cu: 1540 mg / Kg - Mn: 1540 mg / Kg The spirulina cells are then harvested by sieving at 120 microns
lavées trois fois à l'eau déminéralisée et congelées à -40 C en absence d'air. washed three times with demineralized water and frozen at -40 C in the absence of air.
La pâte congelée est ensuite concassée et mise en solution dans deux fois son volume d'eau stérile à 4 C et homogénéisée. La solution est ensuite soumise au broyage mécanique ou à la sonication jusqu'à éclatement complet des cellules. Cette opération est effectuée à la température de +2 C afin d'éviter la dénaturation du matériel biologique. Un contrôle du pH est nécessaire pour éviter la précipitation de certaines protéines, notamment la phycocyanine. Le broyat est ensuite clarifié par microfiltration tangentielle à 0,5 micron. le filtrat est stérilisé par filtration frontale ou par ultrafiltration à 0,2 micron. Cette fraction est conditionnée stérilement en ampoules ou flacons avec ou sans conservateurs pour l'utilisation finale. Le rétentat est The frozen dough is then crushed and dissolved in twice its volume of sterile water at 4 ° C. and homogenized. The solution is then subjected to mechanical grinding or sonication until the cells have completely burst. This operation is carried out at a temperature of +2 C in order to avoid denaturation of the biological material. A pH control is necessary to avoid the precipitation of certain proteins, in particular phycocyanin. The ground material is then clarified by tangential microfiltration at 0.5 micron. the filtrate is sterilized by frontal filtration or by 0.2 micron ultrafiltration. This fraction is sterile packaged in ampoules or vials with or without preservatives for end use. The retentate is
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lyophillisé et conditionné en sachets ou en gélules pour l'utilisation ultérieure. Ce mode de réalisation n'a pas pour objet de réduire la portée de l'invention. Il pourra donc y être apporté de nombreuses modifications sans sortir de son cadre. En particulier, on noter que ce procédé pourra être transposé à d'autres micro-algues, notamment d'autres cyanobactéries ainsi lyophilized and packaged in sachets or capsules for later use. This embodiment is not intended to reduce the scope of the invention. Many modifications can therefore be made without departing from its scope. In particular, it should be noted that this process could be transposed to other micro-algae, in particular other cyanobacteria as well
qu'à toute autre micro-organisme adéquat. than any other suitable microorganism.
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