Étude sur la technologie ultrasonique dans l'extraction d'ingrédients actifs végétaux

Poussées par l’objectif industriel de parvenir à une extraction verte, de nouvelles technologies d’extraction telles que l’extraction par micro-ondes, l’extraction par fluide supercritique et l’extraction par ultrasons ont vu le jour. Ces nouvelles technologies ont grandement favorisé le développement commercial des cultures de rente. Ces dernières années, la technologie d’extraction par ultrasons s’est développée rapidement dans le domaine de l’industrie alimentaire. Cette technologie peut non seulement améliorer la qualité des produits, mais également réduire les coûts de production et améliorer l'efficacité et la sécurité de la production. Les ondes ultrasoniques peuvent empêcher efficacement la destruction des substances sensibles à la chaleur dans des environnements à haute température lors du processus d'augmentation des taux de transfert de masse. Il stimule en permanence les glandes intracellulaires par des effets de cavitation, des effets mécaniques, etc., favorisant ainsi la libération rapide des principes actifs. Cette technologie peut réduire l’utilisation de solvants organiques, améliorer la pureté des composés bioactifs et réduire le temps de traitement et les coûts d’exploitation. Par conséquent, la technologie d’extraction assistée par ultrasons répond aux besoins humains en matière de production verte, de développement durable et de protection de l’environnement. L’application des ultrasons dans l’extraction de principes actifs végétaux attire de plus en plus l’attention en raison de ses avantages uniques. Les chercheurs tentent également constamment de combiner la technologie ultrasonique avec divers autres équipements d’extraction afin d’obtenir de meilleures performances d’extraction. En plus de la méthode d'extraction par ultrasons-solvant la plus courante, il existe également l'extraction par ultrasons-Soxhlet, l'extraction par ultrasons-homogène, l'extraction par distillation d'eau par ultrasons, l'extraction par ultrasons-micro-ondes et l'extraction par ultrasons-supercritique du dioxyde de carbone.

1 Principe de l'extraction par ultrasons

L'échographie est définie comme une onde sonore d'une fréquence supérieure à 20 kHz, qui dépasse la limite de détection auditive humaine. Les ultrasons sont une onde mécanique à haute densité énergétique. Sa source de production d’énergie sonore est généralement un objet vibrant, qui peut faire vibrer le milieu environnant puis transférer de l’énergie à d’autres particules adjacentes. Lorsque les ultrasons traversent le milieu, ils provoquent le déplacement longitudinal des particules. Ces effets moléculaires denses provoquent des dommages à la paroi cellulaire et accélèrent le taux de transfert de masse des substances efficaces dans le milieu, atteignant ainsi l'objectif d'améliorer le taux d'extraction. L'extraction par ultrasons ne repose pas sur un mécanisme d'action unique, mais fonctionne en continu ou simultanément grâce à plusieurs mécanismes physiques tels que la fragmentation mécanique, l'effet thermique et l'effet de cavitation. Dans l'homogénat de mélange solide-liquide, les microfaisceaux et micro-turbulences générés par la cavitation acoustique dans le milieu liquide vont provoquer de fortes perturbations mécaniques, intensifiant ainsi la collision entre particules, pouvant facilement conduire à la décomposition et à la rupture locale de certains matériaux fragiles. D'autre part, en raison de la réduction de la taille des particules, le taux de transfert de masse des particules solides et la surface de contact entre les phases solide et liquide sont augmentés, ce qui favorise l'accélération de la dissolution du contenu dans la matrice de l'échantillon.

L'effet de cavitation est un phénomène physique unique et complexe provoqué par la propagation et la vibration des ultrasons dans un liquide. Il fait généralement référence au processus de formation, d’expansion et de rupture des bulles de cavitation dans un liquide. En termes simples, lorsque des ultrasons de haute intensité sont appliqués, l'attraction entre les molécules du milieu peut dépasser la valeur critique, générant ainsi une contrainte de cisaillement élevée dans le liquide et formant ensuite des bulles de cavitation. 1 Une bulle de cavitation se forme près de la surface de la matrice. Après avoir subi des cycles continus de compression-raréfaction, la bulle de cavitation se rompra pendant le cycle de compression et générera de l'énergie thermique à court terme, formant ainsi un fluide microjet à grande vitesse sur la surface de la matrice et générant de fortes ondes de choc. Ce processus peut porter la température locale environnante à environ 5 000 K et la pression instantanée peut atteindre 50 à 1 000 atm. L'environnement à haute pression et à haute température formé détruira la paroi cellulaire de la matrice végétale, libérant ainsi des substances intracellulaires dans la solution. À partir des images au microscope électronique à balayage des feuilles de basilic prises par CHEMAT et d'autres avant et après l'extraction de l'huile, on peut l'observer plus clairement : avant l'extraction, les glandes des feuilles sont lisses et pleines ; après extraction, ils commencent à rétrécir, mais la structure de la glande reste intacte ; et après extraction assistée par ultrasons, les glandes sont complètement brisées et tout leur contenu est libéré.

2 Application de la technologie combinée ultrasonique à l’extraction de substances actives végétales

Méthode d'extraction par solvant combinée par ultrasons

La méthode d'extraction par solvant par ultrasons utilise généralement des solvants organiques comme supports de transmission d'énergie, c'est-à-dire que des solvants de polarité différente sont sélectionnés en fonction des propriétés du composé cible à extraire, le solvant est entièrement mélangé à la matrice d'échantillon, puis une intervention ultrasonique est appliquée. Cette méthode ne nécessite pas la participation d'autres équipements. Le mélange solide-liquide est directement placé dans un appareil à ultrasons pour extraction. L'onde ultrasonore transfère l'énergie uniformément à la matrice d'échantillon à travers le milieu liquide, atteignant ainsi l'objectif d'améliorer le taux d'extraction. Il s’agit de la méthode d’extraction par ultrasons la plus traditionnelle, la plus simple et la plus économique.

Il existe deux types d’équipements d’extraction par ultrasons, à savoir les équipements à bain d’eau à ultrasons et les équipements à sonde ultrasonique. Les deux systèmes sont basés sur des transducteurs comme sources ultrasonores. Les bains-marie à ultrasons fonctionnent généralement à une fréquence d'environ 40 kHz et sont équipés de dispositifs de contrôle de la température. L'équipement est relativement bon marché et peut traiter un grand nombre d'échantillons en même temps. Cependant, l’eau contenue dans le bain à ultrasons et la verrerie utilisée affaibliront considérablement l’énergie ultrasonore transmise. Les systèmes à ultrasons de type sonde constituent généralement le premier choix pour les applications d’extraction. Étant donné que l'énergie ultrasonique est transmise à travers une petite surface (la pointe de la sonde immergée sous la surface du liquide), l'énergie ultrasonique générée est directement transmise dans le milieu d'extraction, de sorte que la perte d'énergie ultrasonique est faible. L'intensité des ondes ultrasonores transmises par le système de sonde au milieu liquide entraînera une augmentation rapide de la température du mélange solide-liquide, il est donc nécessaire d'utiliser de la verrerie condensée à double couche pour l'extraction.

De nombreux chercheurs nationaux ont utilisé cette méthode simple et économique pour extraire diverses substances actives d'échantillons de plantes et ont obtenu de bons résultats. Liu Yanyan a utilisé l'extraction assistée par ultrasons des polysaccharides de Huoshan Dendrobium. Sous les paramètres d'extraction optimaux, le rendement en polysaccharides peut atteindre 19, 96 mg/g ; Niu Sikun a utilisé l'extraction assistée par ultrasons des coumarines de l'oreille dorée, et le taux d'extraction des coumarines totales dans le mycélium de l'oreille dorée a atteint un maximum de 0,85 %. Par rapport à l'extraction par solvant, l'extraction par solvant par ultrasons peut améliorer considérablement l'efficacité d'extraction du produit cible, réduire la consommation de solvants organiques et ne détruit pas facilement l'activité de l'extrait. Néanmoins, cette méthode consomme encore une certaine quantité de solvants organiques, ce qui entraînera un certain degré de pollution environnementale, et les résidus organiques présents dans l'extrait obtenu affecteront grandement la qualité du produit. Par conséquent, ces dernières années, certains chercheurs ont commencé à essayer d’utiliser des solvants à faible eutectique pour remplacer les solvants d’extraction conventionnels, combinés à des méthodes assistées par ultrasons pour extraire divers ingrédients actifs des plantes, et ont obtenu de bons résultats. Les solvants à faible eutectique sont un nouveau type de liquide ionique respectueux de l'environnement, un mélange eutectique formé par la combinaison d'accepteurs de liaisons hydrogène et de donneurs de liaisons hydrogène, avec un point de fusion inférieur à celui d'un seul composant. Les solvants faiblement eutectiques sont non toxiques, peu coûteux, simples à préparer et ont une bonne biodégradabilité. Ce sont des solvants idéaux pour extraire les principes actifs végétaux. Wang et coll. utilisé un solvant eutectique faiblement assisté par ultrasons pour extraire les glycosides d'échinacée et l'oleuropéine des petites feuilles de gousse. Lorsque le chlorure de choline/glycérol (rapport molaire 1:2) était utilisé comme solvant eutectique faible, le rapport solide-liquide était de 20 g/mL, la température était de 68 ℃, la teneur en eau était de 20 % et l'onde ultrasonore était de 200 W pendant 45 min, les taux d'extraction des glycosides d'échinacée et de l'oleuropéine étaient respectivement de 80,04 % et 86,21 %, ce qui était nettement meilleurs que les résultats d’extraction des réactifs organiques traditionnels. Ni Yujiao et coll. utilisé un solvant eutectique faiblement assisté par ultrasons pour obtenir des substances phénoliques à partir de la farine de graines d'argousier. Les résultats ont montré que pour le même temps d'extraction, le rendement en polyphénols de cette méthode était 1,6 fois supérieur à celui de l'extraction par reflux chaud.