Extract Paprika

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Procédés d’extraction et de purification des produits d’origine naturelle Dr Bernard MOMPON - VANNES France 9 mars 2006 - Québec, Canada

Matière première

La problématique

Extraction Purification et Galénique

Produit purifié

ch Te ue

Choix = compromis entre impératifs

n iq

Ré gle me nta tio n

Extraits

Économie

1

Le marché

Fonctionnalités Fonctionnalités

Chimie Chimiefine fine

Additifs, Réactifs, Synthons Aliments avec allégations Aliments enrichis Aliments pour régime Diététique Aliments non traditionnels Aliments Aliments

AgroAgroalimentaire alimentaire

Nutrition clinique

Additifs nutritionnels Compléments alimentaires Aliments santé Novel foods Aromathérapie Aromatique Aromacologie Alicament Nutraceutique Thés Herboristerie Phytothérapie Ingrédients fonctionnels

Médicaments Médicaments

Pharmacie Pharmacie

Pré-biotique et pro-biotique Aliments beauté Cosméceutique Cosmétique orale

Dermocosmétique

Cosmétique Cosmétique

Les produits

Beauté Beauté

… identiques pour toutes les filières… donc des technologies identiques, mais des réglementations différentes…

Santé Santé

Beauté Beauté Extraits Actifs purs Huiles essentielles

Réactifs Réactifs

Ingrédients Probiotics fonctionnels …….

Aliment Aliment

4

2

Un environnement contraignant

La réglementation

Notion de Allégations Certifications Bio lot Rayonnement et Ecocert, Demeter radioactivité Mycotoxines Pharmacopée Aflatoxines Allergènes Titre mini-maxi

Métaux lourds

Fongicides

Ethers de Glycols

Pesticides

Nitrates

Etiquetage

Gestion des déchets

Absence de TOXICITE

?

Constance et Reproductibilité Novel food

ACTIVITE BIOLOGIQUE

Stabilité OGM

QUALITE

ENREGISTREMENT

Biocides

Dosage

Phytohormones

Dopants

RIFM IFRA

ADF ATEX

Additifs et excipients

AFSSAPS

Conservateurs

Com. Européenne Interdiction ENVIRONNEMENT des tests sur animaux COV

Résidus de solvants

Falsification botanique

Traçabilité

Conseils AMM de l’europe

Phtalates REACH REACH

Insecticides REACH

Loi sur la biodiversité

Le Cycle De Vie Des Matières Premières

Importance actuelle relative

Fermentation microbienne

Végétaux

Produits marins -Algues Micro-algues -Poissons

Levures

Bioconversion Enzymologie

Champignons

Animaux

Culture de cellules végétales Culture de cellules animale Micro-organismes exotiques insectes, coquillages, .. Animaux transgéniques Plantes transgéniques

Recherche et développement

Croissance

Maturité

Obsolescence Stade de maturité

3

A la recherche de la valeur ajoutée (séchage, stabilisation et galénique) Importance Relative actuelle

Hydro glycoliques,

Produits atomisés,

Huiles,

Lyophilisés,

-

Solvants exotiques et fluorés,

Cryobroyés,…

-

Eaux de constitution,…

Extraits secs Poudres, teintures, Fluides,…

Produits « sans »

Pesticide, Solvant, Mycotoxines,…

Encapsulation

Produits « plus »

Émulsions

Produits Bio

Extraits mous

Principes actifs,….

Produits extrudés Nouveaux supports d’atomisation Nano particules

La rénovation de molécules existantes Solubles, émulsionnables, … Hydrosolubles, liposolubles, … Encapsulées, granulées, … Effervescentes, …

-

Stade de développement

Extraction Terminologie

Matière Première

Solide Charge Plante Drogue Cossettes Bagasse Phase Discontinue

Solvant Liquide Phase Continue

Solution Suspension Matière Première épuisée

Extrait Liquide enrichi Solvant chargé (en solutés) Miscella Liqueur Filtrats Surverse

Solide épuisé Résidu Tourteau Drèches Marcs Insoluble Inerte Sousverse

Molécule cible principe actif

Molécule indésirable contaminant polluant

4

„ Procédés classiques d’obtention à l’eau Macération Digestion La drogue est en contact avec le solvant à une température inférieure au point d’ébullition mais supérieure à la température ambiante

Décoction La drogue est en contact avec le solvant à la température d’ébullition

Infusion La drogue est mise en contact avec le solvant à ébullition. On laisse refroidir la suspension

Température d ’extraction

La drogue est en contact avec le solvant à température ambiante

Lixiviation, élution Le solvant passe à travers la charge de solide

Percolation Le solvant coule sur et à travers la charge de solide

Paramètres d’influence Nature MATIERE VEGETALE

Nature

Origine

SOLVANT

Concentration

Partie Volume Teneurs EXTRAIT

Taux remplissage

Méthode Durée

Débits

Température METHODE

Pression

Pression statique Taille du Lot

EQUIPEMENTS

Source : Pharmeuropa Vol. 11, N°2, Juin 1999

5

10

9 8

9

7

8 7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

0

0

50

0

100

150

200

0

50

100

150

% Alcaloïdes totaux

g rutine / 100 g feuilles

Broyeur à couteaux ou broyeur à marteaux ? ou cryobroyage …?

200

Granulométrie (Mesh)

Quinquina

Eucalyptus

Ethanol, méthanol, eau ou éthanol/acétone % ?

Eff Plantes

Organes

Teneur (M.S.)

ce atri m e et d

Extraction

Purification

Sophora

Boutons floraux 15- 20 %

Méthanol

Eau –acétate d’éthyle / eau

Sarrazin

Fleurs

6–9%

Méthanol

Eau Eau

Eucalyptus

Feuilles

10- 15 %

Eau bouillante

Dimorphandra

Feuilles

5 – 15 %

Ethanol / acétone Eau

Extraction de la rutine

6

Mode continu ou discontinu (batch, co-élution ou contre-courant)?

Source : Vatron et Mau

Source : GEA Niro

Source : Wesfalia

„ Mécanisme de l’extraction solide/liquide 1. Solubilisation 1 2

Nature du solvant (solubilité du soluté dans le solvant) Saturation - concentration 2.Diffusion - dialyse dans la particule Facteur limitant gradient de concentration 3.Diffusion dans le milieu solvant

Élément moteur de l’extraction : le gradient de concentration du produit à extraire dans le solvant Î Quantité

importante de solvant

7

Méthodes d’extraction traditionnelles extractions par solvants, hydrodistillations

A l’échelle du pilote industriel

A l’échelle du laboratoire

„L’alambic

8

„ Distillation à la vapeur Condenseur

Séparateur d’huile

………….

Huile essentielle

Générateur de vapeur

„ Hydrodistillation Condenseur

Cohobage

……….……..

Eau Huile essentielle

Procédés d’obtention en Parfumerie MATIERES PREMIERES NATURELLES

Vapeur

Extraction à la vapeur

Extraction par gaz

Extraction par solvant

Eau Résidu végétal

Evaporation

HUILES ESSENTIELLES

Rectification

CONCRETES

Distillation

Codistillation

moléculaire

aqueuse

Terpènes

HUILES ESSENTIELLES FRACTIONNEES

CIRES

HUILES ESSENTIELLES RECTIFIEES

INCOLORES

INCOLORES PAR CODISTILLATION

Extraction à l’alcool

Evaporation

ABSOLUES

RESINOIDES

SPECIALITES

9

„L’Hydrodistillation : historique et traditionnelle mais source de nombreux artefacts.

Dégradation thermique

Réaction enzymatique parasite

Oxydation

Hydrolyse

Notes de Brûlé

Perte de volatiles

Etc.

Le cycle de vie des procédés d’extraction et de purification Extraction par solvant (continue) Filtration ( discontinue) Centrifugation Distillation Cristallisation Rectification Colonnes pulsées Membranes Chromatographie (HPLC prep, SMB) CO2 supercritique Broyage

Importance actuelle relative des procédés

Micro-ondes (ESAM, VMHD) Eau subcritique Solvants Bio et fluorés

Laser

Enzymologie Pervaporation Ultrasons

Traitement préalable de la matière première: (Champs électriques pulsés)

(Hautes (Pelletisation, Extrusion) pressions)

Chromato. Partage Centrifuge industrielle

Recherche & Développement

Croissance

Maturité

Obsolescence

Stades de développement du procédé

10

Des solutions alternatives pour l’extraction

•Nouvelles technologies (changement de procédé)

Procédé sans solvant

Procédé essentiellement aqueux (gaz et subcritique)

Le Le CO2 supercritique

Les Les micromicro-ondes •Nouveaux solvants de substitution

Les agro-solvants (bio )

Chimie verte et développement durable

Les mélanges et azéotropes de solvants connus

Les solvants purifiés (hydrocarbures désaromatisés)

Les Les solvants fluorés

CO2 supercritique

Pression Point critique

Etat supercritique

73 bar Liquide Solide

Gaz

0

31,3°C

Température

11

PROPRIÉTÉS DES FLUIDES SUPERCRITIQUES gaz (1 bar ; Tamb)

Tc ; Pc

Tc ; 4Pc

liquide (1 bar ; Tamb)

0.6 – 2

200 – 500

400 – 900

600 – 1600

0.01 – 0.03

0.01 – 0.02

0.03 – 0.09

0.2 – 3

0.1 – 0.4

0.7 . 10-3

0.2 . 10-3

0.2 . 10-5 - 2 . 10-5

masse volumique (kg/m3) viscosité (cP) diffusivité (cm2/s)

fluide supercritique

diffusivité

viscosité

gaz

liquide

masse volumique fluide supercritique

liquide

fluide supercritique fluide supercritique gaz

liquide

gaz

23

CO2 supercritique Matière première Pression

Raffinat

Extraction Chauffage Etat supercritique

73 bar

Détente

Pompage chauffage

Liquide

Séparation

Solide

Gaz

Extrait

0

31,3°C

Température

12

SOLUBILITÉ QUALITATIVE DE COMPOSÉS NATURELS

masse molaire macromolécules hydrocarbonées

polysaccharides protéines peptides

triglycérides caroténoïdes

hydrocarbures légers

cires

phospho/glycolipides xanthophylles diglycérides monoglycérides sucres acides aminés sels alcools légers eau

stérols

arômes légers

acides et alcools gras

polarité ou caractère ionique 25

SOLUBILITÉ DE CAROTÉNOÏDES ET XANTHOPHYLLES

c

β -carotène

d

O

apocaroténal OH

e HO

zéaxanthine O

f

OEt

apocaroténate d'éthyle g

O

O

canthaxanthine

26

13

PROFILS COMPARATIFS D’EXTRAITS DE LAVANDE

constituants volatils

huile essentielle

CO2

absolue

α-, β-pinène

1.0

-

-

myrcène

1.1

-

-

1,8-cinéole cis-ocimène

7.2

3.2

-

1.1

0.5

-

trans-ocimène

0.6

-

-

42.5

17.5

10.1

camphre

7.8

4.5

1.7

bornéol terpinèn-4 ol

2.7

1.6

1.5

2.5

1.5

1.1

α-terpinéol acétate de lynalyle

3.9

-

-

21.0

33.5

28.4

acétate de lavandulyle

2.5

1.9

1.8

acétate de géranyle coumarine

1.4

-

-

-

5.3

7.7

α-, β-caryophyllène non identifié

1.3

3.4

2.4

-

9.0

1.6

-

1.6

2.6

0.6

2.4

2.8

-

-

linalol

herniarine non identifié non identifié

2.3

(% de l’Extrait)

27

PROFILS COMPARATIFS D’EXTRAITS DE GINGEMBRE huile essentielle

constituants

CO2

oléorésine

analyse CPG α-curcumène

10.0

3.7

2.3

α-zingibérène

44.0

19.6

12.1

β-zingibérène

8.0

3.4

2.0

β-bisabolène

8.3

3.7

2.4

βsesquiphéllandrèn e zingérone

17.8

7.9

4.9

0.8

0.7

0.3

6-gingérol

0.1

16.4

0.9

8-gingérol

0.3

3.1

0.7

10-gingérol

-

3.8

0.8

6-shogaol

0.3

2.8

6.3

8-shogaol

-

-

analyse HPLC

O MeO

HO

OH Me (CH2)n

gingérols

1.6

(% de l’Extrait)

O MeO HO

Me (CH2)n

shogaols

14

EXTRACTION SUPERCRITIQUE - Avantages et inconvénients techno Avantages pressions et températures de travail modérées bon marché atoxique naturel et abondant ininflammable inertie chimique viscosité et diffusivité faibles sélectivité des extractions séparation facile des extraits et de l'extractant travail en continu possible pour le fractionnement de liquides faible coût de fonctionnement Inconvénients investissement initial élevé procédé discontinu en extraction de solides cas particuliers de séparations difficiles extrait/extractant pouvoir solvant globalement faible

CO2 x x x x x x

x x x x x

x

x x x x 29

HITEX créé en 1997 par Archimex et Séparex , maintenant sociétés du groupe Lavipharm

15

EXEMPLES D’APPLICATIONS

Applications du CO2 supercritique

Alimentation - Diététique • décaféination du café • paprika (arôme, oléorésine colorante) • romarin (antioxydant) • poivre (pipérine, "huile essentielle") • estragon, poivre,sauge, ail, oignon, camomille, anis, café… (arômes) • boissons alcoolisées (arômes) • houblon (arôme) • huiles de poisson (concentration en EPA, DHA) • déshuilage de lécithines • délipidation "bio" • désodorisation (ex : huile de poisson) Pharmacie – Médecine • kawa-kawa • Serenoa repens • élimination de solvants résiduels • élimination de pesticides • élimination de résidus organiques de polymères ou matrices inorganiques Autres (extraction) • tabac (nicotine, arôme) • traitement du papier • nettoyage de matériel aéronautique, informatique… • nettoyage de bouchon de liège • dépollution d’effluents aqueux

MOTIVATIONS MOTIVATIONS •• efficacité efficacité technologique technologique •• qualité qualité des des extraits extraits •• préoccupations préoccupations environnementales environnementales

Autres • génération de particules • traitement de cuirs, textiles… • imprégnation d'arômes sur solides • synthèse chimique et enzymatique • UF assistée par CO2 supercritique • chromatographie 32

16

Le séchage Séchage par convection ou conduction

% d ’eau

Séchage par micro-ondes

Chauffage rapide à coeur

Gradient de température

Les micro-ondes

17

Mécanisme de l’extraction solide/liquide 1 - Solubilisation

1

2 - Diffusion dans le solide

2

3 - Diffusion dans le liquide au delà de la couche limite

Sans les micro-ondes Elément moteur de l’extraction : le gradient de concentration du produit à extraire dans le solvant Î Quantité importante de solvant

Avec les micro-ondes Elément moteur de l’extraction : le gradient inverse de température dans la particule solide Î Extraction rapide avec une quantité réduite de solvant

EXTRACTION DE L'OLEORESINE DE PAPRIKA : à la lumière et aux températures élevées Contient des caroténoïdes sensibles

Procédé traditionnel

Procédé micro-ondes

Ration hexane / paprika 10/1

Ration hexane / paprika 2/1

Durée : 2 h 30 min.

Durée : 50 secondes

RENDEMENTS EQUIVALENTS

18

Extraction de la Coumarine (mélilot)

Solvant Extraction traditionnelle par soxhlet Extraction micro-ondes

Durée Extraction minutes

Rendement coumarine g/kg

Titre coumarine dans l’extrait Rendement en extrait sec (%) sec %

Ethanol Isopropanol Hexane

480 480 480

4,1 4,0 3,4

2,1 2,6 13,0

19,6 15,4 2,6

Isopropanol

8

3,7

6,0

6,2

Unité pilote Archimex, pour l'extraction par micro-ondes en continu

Matières premières

Entrée solvant Générateurs

Fours micro-ondes

4 x 2 kW – 50 à 100 kg / heure – Constructeur : MES – TOURNAIRE – Concepteur : ARCHIMEX

19

VMHD (HydroDistillation par Micro-ondes sous Vide pulsé)

20

VMHD extraction d'huile essentielle de "Salvia officinalis" (évolution des principaux paramètres)

Huile essentielle de menthe poivrée Molécule limonène 1,8-cinéole trans-hydrate de sabinène menthone menthofurane isomenthone acétate de menthyle terpinén-1-ol-4 menthol pulégone pipéritone

Distillation en Caisson 1,61 5,45

Distillation en vase 1,79 4,87

VMHD 1,33 4,15

0,62

1,97

3,18

18,91 2,22 2,81 2,92 1,43 46,03 2,55 0,64

18,29 2,55 2,64 2,97 0,48 45,86 1,12 0,68

21,29 2,59 3,17 3,00 0,17 45,23 1,28 0,57

trans-hydrate de sabinène : sensible à l ’hydrolyse terpinén-1-ol-4 : produit de dégradation => moins d ’hydrolyse par le procédé VMHD que par les procédés traditionnels de distillation

21

Huile essentielle de menthe bergamote Molécule

Caisson

Vase

VMHD

acétate de linalyle linalol acétate de néryle acétate de géranyle α-terpinéol acétate de linalye / Ratio linalol

33,39 41,57 1,3 2,2 2,60

48,75 28,34 0,4 0,8 0,79

56,13 27,80 / 0,1 0,38

0,80

1,72

2,02

Acétate de linalyle : - s ’hydrolyse en linalol - se réarrange en acétates de néryle et de géranyle α-terpinéol : produit de dégradation du linalol => moins d ’hydrolyse et de dégradation par le procédé VMHD que par les procédés traditionnels de distillation

Huile essentielle de camomille matricaire (E)-β-farnésène d-germacrène bicyclogermacrène (E,E)-α-farnésène β-sesquiphellandrene oxyde de bisabolol B α-bisabolol + oxyde de bisabolone A chamazulène oxyde de bisabolol A cis et trans-spiro ether

Caisson 37,53 6,33 6,83 7,95 1,30 4,25

Vase 22,86 6,32 8,25 8,08 0,94 3,47

4,99

4,91

2,70 4,40 3,74

6,27 4,24 10,67

VMHD 38,87 4,17 5,44 4,62 0,38 10,03 8,69 1,18 7,87 2,09

Chamazulène : se forme par hydrolyse de la matricine (non volatile) : VMHD : peu de formation de chamazulène (conditions défavorables à l ’hydrolyse de la matricine) Caisson : reflux important, d ’où faible teneur en chamazulène

22

Extraction d'huile essentielle de graines de carotte 100

100 95

VMHD Rendement d'extraction (%)

89

87

80

78

82

80

Hydrodistillation

70

60

63 Composition huile essentielle

53 40

α - pinene Sabinene Geranyl acetate Carotol Daucol

20

0 0

0

60

5

120

180

240

Hydro-distillation 15.2 % 13.8 % 1.4 % 27.4 % 1.3 %

VMHD 5.8 % 5.9 % 5.2 % 36.8 % 5.6 %

300

360

420

Durée d'extraction (min)

Hydrodistillation par micro-ondes sous vide pulsé au stade pilote et industriel

23

VMHD: L’authenticité •Profil aromatique proche du naturel, •Dégradation thermique minimisée, •Naturalité totale de l’extrait

•Productivité accrue •Brevets détenus par Archimex

Gattefossé

24

ArEAUmat Cistacea ArEAUmat Samphira

Evolution des solvants chlorés

ArEAUmat Lavanda ArEAUmat Perpetua

solvants fluorés

CHLOROFLUOROCARBONES (CFC)

HYDROCHLOROFLUOROCARBONES (HCFC)

HYDROFLUOROCARBONES (HFC)

HYDROFLUOROETHERS (HFE) PERFLUOROCARBONES (PFC)

25

QUELQUES EXEMPLES de SOLVANTS FLUORES PERFLUOROALCANE HYDROLUOROALCANE (HFC)

CF2 F3C

CF2 CF2

CF3

CH2

CF2

F3C

e.g. perfluorohexane (PF5060 3MTM)

CH3

CF2

e.g. 1,1,1,3,3-pentafluorobutane (Solkane365mfc® SOLVAY)

HYDROFLUOROETHERS (HFE)

CF2 CF2 méthoxynonafluorobutane O (HFE7100 3MTM) F3C CF2

CH3

CF2 CF2 éthoxynonafluorobutane CH2 O CH3 (HFE7200 3MTM) F3C CF2 Résidu perfluoré qui impose l’inertie chimique (pas de formation de peroxydes)

Résidu perhydrogéné qui gouverne le pouvoir solvant et donc la sélectivité

Fractionnement par le perfluorohexane d’une huile essentielle modèle à phénol

Cinétiques d’extraction (quantités relatives) mi : quantité du constituant i au temps t mi0 : quantité de constituant i initialement présente

mi / mi0 1 pinène limonène

0,8

linalol menthol

0,6

Acétate de linalyl eugénol

0,4

thymol 0,2

0,0 0

20

40

60

80

100

120 140 temps (min)

26

Propriétés générales des HydroFluoroEthers: • Incolores, transparents

• Forte densité

• Odeur très faible

• Viscosité faible

• Gamme de points d ’ébullition

• Faible tension de surface

• Faibles points de congélation

• Faible chaleur d ’évaporation

• Ininflammables

• Insolubles dans l’eau

• Faible toxicité

• Miscibles dans les solvants organiques traditionnels

• Stabilité chimique • Stabilité thermique

• Forment des azéotropes avec de nombreux solvants organiques

• Faible conductivité électrique

Brevets Archimex acquis par 3M

27

Les principales applications des HFEs (Cosmetic Fluids) sont :  En cosmétique

La substitution de l’éthanol en parfumerie

Un solvant de choix pour les lotions capillaires

La formulation cosmétique

 En extraction

L’extraction des arômes, colorants, actifs de la phytothérapie et de la parfumerie

Le fractionnement des matières grasses

Le fractionnement des huiles essentielles

„ Dès d’aujourd’hui zDe

nouvelles technologies d’extraction et de purification

zL’utilisation z

judicieuse des biotechnologies

et de nouveaux solvants,

Sont industriellement disponibles pour des produits plus purs, plus sains,…

28

Etude de faisabilité

Bureau d’études Maîtrise de l’information Etat de l’Art, propriété industrielle, réglementations et marchés

Validation industrielle

Etude au stade laboratoire Production

Phase exploratoire Phase de mise au point

En partenariat avec équipementiers, ingénieries et sous-traitants

Opération pilote

Validation de la faisabilité

Adaptation aux futures contraintes industrielles, optimisation des procédés

Sur plus de 2000 m2 5 Halls d’essais dont 3 en environnement ADF 7 laboratoires dont 1 climatisé à +4°C 3 zones de stockage à TA, +4°C et –18°C

29

Bases de Données professionnelles 600 bases internationales : brevets, articles, normes, ouvrages, fiches techniques, compte-rendus de congrès, bilans, rapports, publications…

Internet Le fonds documentaire Archimex

Les outils d’Internet

Des milliers d’ouvrages périodiques scientifiques, techniques et économiques, documents de référence, rapports d’expertises…

Gestion électronique des documents Base de données interne

Le réseau de compétences Archimex Centre d’excellence, Archimex est en contact permanent avec des centaines d’entreprises industrielles, centres de recherche, universités et centres techniques, organismes de régulation et commissions officielles (pharmacopée, OMS, ANVAR, INPI…), organisations et syndicats professionnels (UIC, SFC, SFP, EARTO, COVREC…)

450 stagiaires formés chaque année

Formations inter-entreprises: 20 à 25 sessions par an Séminaires, Journées d’actualité technique, Stages pratiques Formations diplômantes: Licence professionnelle, Master, Partenariats avec l’Université Formations sur mesure: dans les entreprises

30

Pour en savoir plus :

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31