FR3134290A1 - Extraction non destructive de composés d’intérêt alimentaire issus d’algues vivantes - Google Patents
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Abstract
La présente demande de brevet concerne un procédé d’extraction de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnels, de préférence des protéines, vitamines, minéraux, ou sucres, à partir d’une culture de microalgues vivantes grâce à une perméation temporaire de la paroi cellulaire. L’invention concerne également l’utilisation des composés hydrosolubles d’intérêts nutritionnels dans des produits alimentaires.
Description
La présente demande de brevet concerne un procédé d’extraction de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnels, de préférence des protéines, vitamines, minéraux, ou sucres, à partir d’une culture de microalgues vivantes grâce à une perméation temporaire de la paroi cellulaire. L’invention concerne également l’utilisation des composés hydrosolubles d’intérêts nutritionnels dans des produits alimentaires.
En raison des faibles volumes de production des microalgues dans le monde et de leur coût élevé, leur utilisation reste encore très limitée notamment dans le domaine de l’alimentation humaine.
De nombreux industriels préfèrent ainsi valoriser les molécules à haute valeur ajoutée telle de la phycocyanine issue de la spiruline, ou bien l’astaxanthine extraite d’Haematococcus pluvialisdestinées à des applications pharmaceutiques.
Le secteur de l’alimentaire quant à lui est confronté à de nombreux obstacles dont l’organoleptique constitue le principal. En effet, malgré leurs propriétés nutritionnelles exceptionnelles, les microalgues restent très peu consommées telles quelles du fait de leurs caractéristiques organoleptiques quelque peu rebutantes pour le consommateur lambda.
Pour pallier ce problème, de nombreux acteurs recourent à des procédés d’extraction et de fractionnement de la biomasse afin d’éliminer les contraintes organoleptiques et de ne conserver que les éléments d’intérêt nutritionnel/santé.
Ainsi Soto-Sierra (2018) décrit différentes méthodes d’extraction physiques permettant d’extraire les protéines des algues pour des applications alimentaires comme les ultrasons, le broyage à billes, l’homogénéisation haute pression. Toutes ces techniques permettent l’obtention d’un extrait riche en protéines, séparé des parois cellulaires vertes, qui est ensuite purifié puis séché avant utilisation. Ces techniques peuvent être appliquées à diverses espèces de microalgues comme la spiruline, la chlorelle et bien d’autres. De manière similaire, Bleakley (2017) présente les techniques d’extraction appliquées aux algues pour en extraire les protéines destinées à des usages alimentaires pour l’homme. On peut ainsi citer la méthode biologique faisant intervenir l’hydrolyse enzymatique, le recourt à des procédés physiques ou bien les méthodes chimiques avec des traitements acides par exemple.
Cependant ces procédés sont longs, coûteux et nécessitent un approvisionnement continu en biomasse. D’après Vinayak (2015), les opérations post-récolte représenteraient 50 à 80% du coût global du procédé d’obtention de molécules à haute valeur ajoutée à partir de biomasse d’algue.
Afin de réduire le nombre d’opérations unitaires et de continuer à travailler avec la même biomasse renouvelée, certains acteurs se sont intéressés à des techniques d’extraction dites non-destructives. Ainsi, le brevet US2012095245 (A1) (2012) mentionne l’emploi combiné d’un traitement aux ultrasons et l’usage d’un solvant organique pour extraire les lipides deNannochloropsistout en maintenant la culture vivante après traitement. De manière similaire, Hejazi (2004) recourt à un système de réacteur à deux phases permettant le passage de dodécane à contre-courant de la culture deDunaliella salinapour l’extraction en continue du bêta-carotène. Durant la période d’extraction, le dodécane, qui est un solvant biocompatible avec les algues, est renouvelé pour une meilleure efficacité d’extraction. Une fois, les cellules traites, elles sont remises en culture. De la même façon, Samori (2019) emploie du cyclohexane pour l’extraction biocompatible de l’astaxanthine issue de cultures vivantes d’Haematococcus pluvialis.
Ces techniques biocompatibles présentent l’avantage de réduire le nombre d’opérations unitaires et de renouveler la culture d’algues contrairement à un procédé classique d’extraction. Néanmoins, ces méthodes nécessitent l’usage en grande quantité de solvants organiques peu écologiques et souvent interdits en alimentaire.
Le Demandeur a résolu ce problème technique en mettant au point une technique permettant l’extraction de composés d’intérêt nutritionnels à partir d’une culture d’algues vivantes sans recours à des solvants organiques. Une perméation temporaire de la paroi induite par des champs électriques pulsés permet ainsi la sortie des composés d’intérêt de la cellule et leur solubilisation dans le milieu d’extraction. Les cellules de microalgue ayant été traitées par champs électriques pulsés sont ensuite remises en culture pour une future utilisation permettant ainsi de réduire considérablement le coût du procédé global ainsi que le nombre d’opérations unitaires. En effet, avec cette technique, il n’est pas nécessaire de récolter ni de sécher la biomasse avant extraction.
Ainsi, selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé d’extraction de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnels, de préférence des protéines, vitamines, minéraux, ou sucres, à partir d’une culture de microalgues vivantes.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ledit procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel, de préférence des protéines, vitamines, minéraux, ou sucres, à partir d’une culture de microalgues vivantes, comprend les étapes de :
- Mise en culture des souches de microalgues jusqu’à obtenir une quantité de biomasse desdites microalgues de concentration comprise entre 1. 106et 1.108cellules/mL ;
- Séparation des microalgues obtenues à l’étape a. de leur milieu de culture ;
- Mélange des microalgues obtenues à l’étape b. dans de l’eau à un ratio compris entre 5% et 20% de microalgues en poids du mélange à une conductivité comprise entre 20 et 200 µS/cm ;
- Application au mélange obtenu à l’étape c. de champs électriques pulsés bipolaires ;
- Dilution du mélange obtenu à l’étape d. entre 2 et 5 fois dans de l’eau ou un tampon durant entre 1 h et 12 h ;
- Centrifugation du mélange obtenu à l’étape e. ;
- Récupération du surnageant de centrifugation comprenant lesdits composés d’intérêt nutritionnel ;
- Obtention de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel.
Le procédé selon l’invention présente l’avantage d’être « vert » et compatible avec des applications alimentaires. En effet, la culture d’algue est soumise à un traitement aux champs électriques pulsés rendant la paroi perméable de manière réversible (« perméation »). Ce phénomène permet ainsi la sortie des composés d’intérêt nutritionnel de la cellule et leur solubilisation dans le milieu d’extraction. Une fois le traitement terminé, l’algue retrouve sa paroi intègre. Elle est ensuite séparée du milieu d’extraction puis remise en culture jusqu’à la prochaine extraction.
Selon un mode de réalisation, les étapes b. et/ou f. sont réalisées par centrifugation à entre 1500 et 4000 g durant 5 à 20 minutes et à une température comprise entre 4 et 25°C.
A l’étape c., la conductivité comprise entre 20 et 200 µS/cm est fonction de l’espèce d’algue considérée.
Selon un mode de réalisation, l’étape d. est réalisée par application de 1 à 20 impulsions avec une durée d’impulsion de 1 à 2 ms, un voltage compris entre 0,5 et 6 kV/cm, une température comprise entre 4 et 25°C, et un débit de circulation des cellules algales dans la chambre d’impulsion de 10 à 100 mL/min.
De manière préférée, à l’étape d., les impulsions sont espacées par un délai d’entre 10 ms et 2 secondes.
Selon un mode de réalisation, le procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon l’invention comprend en outre une étape i. de concentration des composés d’intérêt nutritionnel obtenus à l’étape h. par des filtrations membranaires de 3 à 1000 kDa ou par l’usage de colonnes d’affinité.
De manière préférée, ladite colonne d’affinité est une colonne à échange d’ion.
De manière préférée, l’étape i. est réalisée par utilisation d’une filtration membranaire entre 10 et 500 kDa.
A l’étape g., les algues electroextraites comprises dans le culot, toujours vivantes, peuvent ensuite être remises en culture jusqu’à la prochaine extraction.
En effet, à la fin de ce procédé, les microalgues dont les composés ont été electroextraits, sont toujours vivantes et peuvent être ensuite remises en culture jusqu’à la prochaine extraction. Une même souche de microalgues peut donc subir plusieurs fois ce procédé d’extractions de composés.
Les composés obtenus à l’étape h. sont en solution aqueuse liquide.
Selon un mode de réalisation, il est possible d’obtenir une solution concentrée ou sous forme de poudre de ladite solution obtenue à l’étape h., par exemple par séchage.
Par « étape de séchage » est entendu une étape visant à éliminer entièrement ou en partie l’eau de la solution.
Selon un mode de réalisation, le procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon l’invention comprend en outre une étape j. de séchage des composés d’intérêt nutritionnel obtenus à l’étape h. ou i., par lyophilisation, atomisation ou séchage, de préférence par atomisation ou lyophilisation.
De manière préférée selon l’invention, l’étape j. est réalisée par
- Lyophilisation à une température comprise entre -20 et -80°C et une pression de 5 à 500 µbar ; ou
- Atomisation dans un flux d’air chaud à une température comprise entre 80°C et 300°C, de préférence entre 90°C à 220°C. : ou
- Séchage à une température comprise entre 40 et 80°C, ou séchage sous pression.
Par procédés de filtration membranaires sont entendus de préférence la filtration tangentielle ou la filtration frontale.
Par « champs électriques pulsés bipolaires » est entendu un traitement non-thermique sélectif de très courte durée, généralement de quelques microsecondes à quelques millisecondes. Il s’agit d’un champ électrique d’intensité E dont la valeur oscille entre positif et négatif causant des changements de répartition de charge dans la cellule soumise au champ électrique. L’application d’un champ électrique pulsé engendre ainsi l’accumulation de charges sur les surfaces membranaires, et l’augmentation du potentiel transmembranaire de la membrane cellulaire. L’attraction entre les charges de signes opposés accumulées de part et d’autre de la membrane cellulaire provoque une compression de cette dernière, une force élastique tend à s’opposer à cette électrocompression. Lorsque les champs électriques pulsés appliqués dépassent une valeur critique Ecr, la force électrocompressive devient supérieure à la force élastique, on assiste alors à l’apparition de pores au niveau de la membrane cellulaire. L’électroporation est généralement réversible, mais au-delà d’une intensité de champs électriques pulsés élevée, ainsi que pour de longues durées de traitement, on assiste à une intensification de la perméabilisation et une destruction irréversible de la membrane cellulaire. Les paramètres sont variables d’une cellule à l’autre en fonction de sa composition et donc de sa rigidité.
Par « composés d’intérêts nutritionnels » sont entendus des composés de nature hydrosolubles tels que des protéines, vitamines, minéraux, sucres…qui varient en fonction de l’organisme traité.
De manière préférée, les vitamines sont choisies parmi les vitamines A, E, B1, B2, B6, B12, etc.
De manière préférée, les minéraux sont choisis parmi : Na, Ca, K, Mg, P, Fe, Zn, etc.
De manière préférée, les sucres sont choisis parmi : glucose, rhamnose, fucose, ribose, xylose, arabinose, mannose, galactose, etc.
Par « extraction biocompatible » est entendu : extraction non-destructive des cellules permettant de les conserver vivantes après traitement. Ainsi, les microalgues restent vivantes et permettent d’extraire plusieurs fois les composés hydrosolubles visés.
Par « homogénéisation » est entendu selon l’invention le fait d’harmoniser entre eux les différents éléments d’un mélange.
Par « filtration » est entendu un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d’un milieu poreux dont la taille est définie en fonction des éléments à séparer.
Par « filtration membranaire » est entendu ce procédé de séparation physique se déroulant en phase liquide. Cette filtration permet de purifier, fractionner ou concentrer les composés d’intérê dans un solvant au travers d’une membrane.
Par « filtration frontale » est entendu selon l’invention le passage d’un fluide à épurer perpendiculairement à la surface du filtre.
Par « centrifugation » est entendu au sens de l’invention cette technique permettant par l’action de la force centrifuge, de séparer les phases d'un mélange. Ce mélange est entrainé dans un mouvement de rotation très rapide, et les particules les plus lourdes sont alors poussées vers les parois du récipient sous l'action de la force centrifuge, alors que les particules plus légères et les liquides restent en surface (surnageant).
Par « mise en culture des souches de microalgues » est entendu selon l’invention que les microalgues sont mises dans un milieu permettant leur développement et leur multiplication.
Par « séparation des microalgues de leur milieu de culture » est entendu l’action d’isoler totalement ou en partie les microalgues de leur milieu de culture.
Par « conductivité » est entendu selon l’invention la capacité du milieu de laisser passer un courant électrique. La conductivité rend compte de la charge organique du mélange.
Par « dilution du mélange » est entendu l’addition d’un liquide à une solution pour en diminuer la concentration.
Par « récupération du surnageant de centrifugation » est entendu selon l’invention la récupération des liquides restant en surface (surnageant) après la centrifugation.
Par « concentration des composés d’intérêt nutritionnel obtenus » est entendu le retrait de la solution des autres éléments ne constituant par les composés d’intérêt nutritionnel, afin d’obtenir une composition plus concentrée en composé d’intérêt.
Par « colonne d’affinité » ou « chromatographie d’affinité » est une technique de chromatographie qui permet de séparer un composé en utilisant des interactions biologiques entre un ligand spécifique et son substrat.
Par « colonne à échange d’ion » est entendu selon l’invention ce procédé de séparation basé sur des processus d'échange d'ions se produisant entre les analytes dans la phase mobile et la résine fixée sur la colonne. Cette technique permet de séparer les anions et les cations inorganiques et organiques. La séparation des anions est réalisée avec une colonne d’échange anionique et la séparation des cations est réalisée avec une colonne d’échange cationique.
Par « microalgue » on entend désigner selon la présente invention les microalgues eucaryotes, qui sont caractérisée par un noyau, comprenant par exemple les chlorophytes, les rhodophytes, les haptophytes, les bacillariophytes, les eustigmatophytes, les euglenophytes, les thraustochytriaceae ou encore les dinophytes, lesdits microalgues eucaryotes étant communément dénommées « microalgues », et les microalgues procaryotes, qui ne possèdent pas de noyau, comprenant les cyanophytes, ci-après dénommées spécifiquement « cyanobactéries ».
De manière préférée selon l’invention, les microalgues eucaryotes sont choisies parmi les chlorophytes, de préférence parmi Chlorella, Auxenochlorella, Dunaliella, Tetraselmis, Haematococcus, Scenedesmus; les eustigmatophytes, de préférence Nannochloropsis; les euglénophytes, de préférenc, Euglena; les rhodophytes, de préférence Porphyridium; les bacillariophyceae, de préférence Phaeodactylum et Odontella, et les thraustochytriaceae, de préférence Schizochytrium.
De manière préférée, les cyanobactéries sont choisies parmi la spiruline (Arthrospira platensis ou Spirulina maxima) et l’AFA (Aphanizomenon Floes-aquae).
De manière encore plus préférée, ladite microalgue est choisie parmi la Chlorelle, Chlorella sp., Chlorella vulgaris, Chlorella protothecoides, Chlorella sorokiniana, Chlorella pyrenoidosa, Euglena sp., Euglena gracilis, Schizochytrium sp.
Par exemple, les composés hydrosolubles d’intérêts nutritionnels obtenu par le procédé de l’invention appliqué à la Chlorelle comprennent une concentration en protéine d’environ 1 mg/mL.
Par « tampon » est entendu selon l’invention à l’étape e. une solution tamponnée de pH compris entre 6 et 12, variable en fonction des composés ciblés. De manière préféré, ledit tampon à l’étape e. est un tampon phosphate.
Par « lyophilisation » est entendu le procédé consistant à congeler l'aliment puis à le déshydrater pour en extraire l'eau. Un cycle de lyophilisation comprend trois phases majeures : la congélation, la dessication primaire et la dessication secondaire.
Par « séchage sous pression » est entendu que le séchage est réalisé en appliquant une pression au liquide, par exemple en le faisant passer par un orifice ou un conduit étroit.
Par « séchage par atomisation » est entendu le fait de déshydrater un mélange liquide sous forme de poudre dans un flux d’air chaud.
Par « filtration tangentielle » est entendu ce procédé de filtration destiné à séparer les particules d'un liquide par leur taille. Dans ce type de filtration, le flux du liquide est parallèle au filtre, et c’est la pression du fluide qui permet à celui-ci de traverser le filtre. Ceci a pour conséquence que les particules assez petites passent au travers du filtre alors que celles qui sont de taille trop importante continuent leur route via le flux.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne les composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnels obtenus par le procédé selon l’invention.
De manière préférée, lesdits composés hydrosolubles d’intérêts nutritionnels comprennent des protéines, vitamines, minéraux, ou sucres.
Lesdites protéines, vitamines, minéraux ou sucres varient en fonction de la microalgue utilisée dans le procédé.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne l’utilisation des composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnels obtenus par le procédé dans des produits alimentaires.
De manière préférée, lesdits composés hydrosolubles sont introduits dans une quantité comprise entre 2% et 10% de la composition desdits produits alimentaires.
De préférence, lesdits produits alimentaires sont choisis parmi les substituts de poisson, des boissons, des produits de la gamme boulangerie/pâtisserie…
Dans la description et dans les exemples suivants, sauf indication contraire, les pourcentages sont des pourcentages en poids et les plages de valeurs libellées sous la forme « entre ... et ... » incluent les bornes inférieure et supérieure précisées. Les exemples ci-après sont présentés à titre illustratif et non limitatif du domaine de l'invention.
Exemple 1 :
Application du procédé d’extraction de composés d’intérêt nutritionnel selon l’invention à partir de Chlorelle.
Electroextraction des protéines cytoplasmiques deChlorellepour des applications alimentaires :
Avant de débuter le procédé, les souches de chlorelles sont mises en culture afin d’optimiser la production de biomasse jusqu’à atteindre une concentration de 107cellules/mL.
Le procédé d’obtention des protéines cytoplasmiques de chlorelle comprend ensuite les étapes suivantes :
a. Séparation des algues fraîches de leur milieu de culture par centrifugation à 2500 g durant 5 minutes, à une température de 20°C,
b. Dilution des algues dans l’eau à 10% à une conductivité de 200 µS/cm,
e. Traitement de la solution algale à l’aide de champs électriques pulsés bipolaires selon le protocole détaillé dans le Tableau 1 ci-dessous,
f. Dilution du mélange 5 fois dans un tampon phosphate durant 1h,
g. Centrifugation du mélange à 2500 g durant 5 minutes, à une température de 20°C,
h. Les algues électroextraites, toujours vivantes, sont ensuite remises en culture jusqu’à la prochaine extraction.
| Paramètre d’électroextraction des protéines de Chlorelle | |
| Paramètre | Valeurs |
| Nombre d’impulsions bipolaires | 15 |
| Durée d’impulsion | 2 ms |
| Délais entre les impulsions | 30 ms |
| Voltage | 3 kV/cm |
| Débit | 50 mL/min |
| Température | 20°C |
Après centrifugation, le surnageant contenant les protéines cytoplasmiques de chlorelle est récolté. La concentration en protéines cytoplasmiques de l’extrait est d’environ 1 mg/mL. Il est ensuite concentré puis séché pour être intégré dans une formulation alimentaire.
Claims (10)
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel, de préférence des protéines, vitamines, minéraux, ou sucres, à partir d’une culture de microalgues vivantes comprenant les étapes de :
- Mise en culture des souches de microalgues jusqu’à obtenir une quantité de biomasse desdites microalgues de concentration comprise entre 1. 106et 1.108cellules/mL ;
- Séparation des microalgues obtenues à l’étape a. de leur milieu de culture ;
- Mélange des microalgues obtenues à l’étape b. dans de l’eau à un ratio compris entre 5% et 20% de microalgues en poids du mélange à une conductivité comprise entre 20 et 200 µS/cm ;
- Application au mélange obtenu à l’étape c. de champs électriques pulsés bipolaires ;
- Dilution du mélange obtenu à l’étape d. entre 2 et 5 fois dans de l’eau ou un tampon durant entre 1 h et 12 h ;
- Centrifugation du mélange obtenu à l’étape e. ;
- Récupération du surnageant de centrifugation comprenant lesdits composés d’intérêt nutritionnel ;
- Obtention de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel.
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon la revendication précédente, où les étapes b. et/ou f. sont réalisées par centrifugation à entre 1500 et 4000 g durant 5 à 20 minutes et à une température comprise entre 4 et 25°C.
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’étape d. est réalisée par application de 1 à 20 impulsions avec une durée d’impulsion de 1 à 2 ms, un voltage compris entre 0,5 et 6 kV/cm, une température comprise entre 4 et 25°C, et un débit de circulation des cellules algales dans la chambre d’impulsion de 10 à 100 mL/min.
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape i. de concentration des composés d’intérêt nutritionnel obtenus à l’étape h. par des filtrations membranaires de 3 à 1000 kDa ou par l’usage de colonnes d’affinité.
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon la revendication précédente, où ladite colonne d’affinité est une colonne à échange d’ion.
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon la revendication 4, où l’étape i. est réalisée par utilisation d’une filtration membranaire entre 10 et 500 kDa.
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape j. de séchage des composés d’intérêt nutritionnel obtenus à l’étape h. ou i., par lyophilisation, atomisation ou séchage, de préférence par atomisation ou lyophilisation.
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon la revendication précédente, où l’étape j. est réalisée par
- Lyophilisation à une température comprise entre -20 et -80°C et une pression de 5 à 500 µbar ; ou
- Atomisation dans un flux d’air chaud à une température comprise entre 80°C et 300°C, de préférence entre 90°C à 220°C : ou
- Séchage à une température comprise entre 40 et 80°C, ou séchage sous pression.
- Procédé d’extraction biocompatible de composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel à partir d’une culture de microalgues vivantes selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites microalgues sont choisies parmi :Arthrospira platensis , Arthrospira maxima, Aphanizomenon Floes-aquae , la Chlorelle, Chlorella sp ., Chlorella vulgaris, Chlorella protothecoides , Chlorella sorokiniana , Chlorella pyrenoidosa , Euglena sp ., Euglena gracilis, Schizochytrium sp.
- Utilisation des composés hydrosolubles d’intérêt nutritionnel obtenus par le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans des produits alimentaires.
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