Quelle est la méthode d’extraction de la poudre de carotène ß?

bêta-carotène is one of the carotenoids and an orange-yellow fat-soluble compound. It is the most common and stable natural pigment in nature and is widely found in various plants, algae, fungi and bacteria. Extensive experiments have proven that β-carotene is an antioxidant, has detoxifying properties, and is an essential nutrient for maintaining good health. It has a significant effect in preventing cancer, cardiovascular disease, cataracts, and oxidation, and can prevent many degenerative diseases caused by aging and senility.

En outre, le β-carotène a également un effet positif sur le développement et la croissance des animaux. Il peut prévenir et éliminer les radicaux libres produits pendant le métabolisme physiologique dans le corps, et est le plus fort "ennemi" des radicaux libres d’oxygène.

Le bêta-carotène se trouve en abondance dans les plantes naturelles. Ses fonctions antioxydantes et colorantes sont largement utilisées dans la médecine, la nourriture, les cosmétiques et d’autres domaines, et sont d’une grande importance pour la santé humaine. Au cours des dernières années, la découverte d’un plus grand nombre de fonctions médicales et de santé du bêta-carotène et la demande croissante d’additifs alimentaires naturels ont entraîné une augmentation annuelle de la demande de bêta-carotène [1]. Cet article présente brièvement les propriétés physiques et chimiques et les activités biologiques du β-carotène, en mettant l’accent sur les points de recherche et les tendances de développement de divers procédés d’extraction, dans le but de fournir une référence pour le développement et l’utilisation des ressources de β-carotène.

1 propriétés physiques et chimiques du β-carotène

1.1 propriétés physiques et chimiques

Beta-carotene is a tetraterpene compound with multiple isomers. Its molecular formula is C40H56 and relative molecular mass is 535.88. It often coexists with chlorophyll in plants and algae[2]. Beta-carotene is a shiny, dark red to dark red, oblique hexahedron, plate-like microcrystal or crystalline powder with a slight peculiar or foreign odor. It is unstable in the presence of oxygen, heat and light, but stable in weak alkalis. It is insoluble in water, propylene glycol, glycerin, acids and alkalis, but soluble in carbon dioxide, benzene, chloroform, hexane and vegetable oil, and almost insoluble in methanol and ethanol. This property can be used to select a suitable extraction solvent to extract β-carotene from plants.

2 procédé d’extraction du β-carotène

Les méthodes d’extraction courantes pour le β-carotène comprennent l’extraction supercritique de CO2, l’extraction ultrasonique, l’extraction assistée par micro-ondes, l’extraction par solvant organique, la chromatographie liquide à haute performance, etc.

2.1 extraction supercritique du CO2

L’extraction supercritique du CO2 est la technique d’extraction supercritique de fluide la plus courante. Il utilise l’excellente solubilité du CO2 dans des conditions spécifiques pour séparer, extraire et concentrer des substances, et présente des avantages que d’autres techniques ne peuvent pas égaliser. Le principe du procédé d’extraction et de séparation de fluide supercritique est que les fluides supercritiques ont un effet de dissolution spécial sur des substances telles que les acides gras, les alcaloïdes, les éthers et les pigments. Le procédé utilise la relation entre la solubilité des fluides supercritiques et leur densité, c’est-à-dire l’influence de la pression et de la température sur la solubilité des fluides supercritiques. Il se caractérise par un rendement élevé et un rendement élevé.

L’extraction supercritique du CO2 est une nouvelle technologie de séparation et de purification non toxique et non polluante. Il a été largement utilisé dans les industries alimentaires et pharmaceutiques. Par exemple, Liu Yingfen et d’autres ont réussi à extraire le β-carotène de la poudre d’algues salines en utilisant l’extraction supercritique de CO2. Les résultats ont montré que plus la pression et la température d’extraction sont élevées, plus la vitesse d’extraction est élevée. Les conditions de procédé étaient les suivantes: pression de fonctionnement 35MPa, température 50°C. Dans ces conditions, le taux d’extraction du β-carotène était supérieur à 90% et sa teneur était de 14,4 % [3].

Supercritical CO2 extraction is not only suitable for plants, but also for fungi. For example, Wang S.L. et al. used supercritical CO2 extraction to extract β-carotene from red yeast, The results showed that after the red yeast was broken down by acid-heat treatment, the extraction rate could reach 0.83% under the optimal extraction conditions determined: extraction pressure 30MPa, temperature 40°C, CO2 flow rate 20kg/h, extraction time 90min[4].

Supercritical fluid extraction has the advantages of no solvent residue, no pollution, and low extraction costs. It also avoids denaturation of the extract at high temperatures, and has a fast heat transfer rate, easy temperature control, and is currently a more ideal method for β-carotene extraction.

2.2 extraction par ultrasons

L’extraction par ultrasons est une méthode d’extraction économes en énergie et efficace qui est apparue ces dernières années. Il utilise un solvant ultrasonique pour l’extraction. A l’aide du cycle alternatif de pression positive et négative généré par la transmission de l’énergie ultrasonique pendant l’action ultrasonique, une cavitation est générée entre le solvant et l’échantillon. En même temps, les fonctions spéciales des ultrasons, telles que le broyage et l’agitation, détruisent les parois cellulaires des plantes, permettant au solvant de pénétrer dans le milieu d’extraction et d’entrer dans les cellules pour extraire le produit cible. L’extrait est filtré et centrifugé, puis concentré sous pression réduite, puis séché pour obtenir l’extrait brut de β-carotène.

L’extraction assistée par ultrasons est un procédé d’extraction largement étudié. Par exemple, Xiong et d’autres ont utilisé l’extraction par ultrasons pour extraire le β-carotène des carottes, et ont déterminé sa teneur en utilisant la CLHP comme indice d’évaluation. Le procédé optimal obtenu grâce à une expérimentation uniforme était une puissance ultrasonique de 60%, un rapport liquide/solide de 15:1, un temps d’extraction de 60 min, une température d’extraction de 40 °C et une extraction de 3 fois [5]. L’extraction améliorée par ultrasons présente les caractéristiques d’un temps d’extraction court, d’un rendement élevé et d’un chauffage nul, ce qui la rend très adaptée à l’extraction du β-carotène.

Par exemple, Zhaoyu Zhi et al. ont optimisé le processus d’extraction par ultrasons des caroténoïdes des semis de blé et ont utilisé une colonne d’échange d’oxyde de magnésium pour séparer et purifier le β-carotène. La chromatographie liquide à haute performance a été utilisée pour l’élution par gradient afin de séparer et de déterminer la concentration massique de β-carotène et la teneur au cours du processus de purification. Les résultats ont montré que les paramètres optimaux du procédé pour l’extraction par ultrasons des caroténoïdes des semis de blé étaient un rapport liquide/liquide de 1:50 (g/mL), éther de pétrole: acétone 95:5 (v/v), une puissance ultrasonique de 300 W, un temps d’extraction de 50 min, et trois extractions à température ambiante, donnant une teneur en β-carotène de 4,86 mg/g [6].

La méthode assistée par ultrasons présente les avantages de l’efficacité élevée d’extraction, de la basse température d’extraction, et de l’applicabilité large. Le produit brut obtenu a peu d’impuretés, et les ingrédients efficaces sont faciles à séparer et à purifier. Ces dernières années, les points chauds de recherche de la méthode assistée par ultrasons se sont principalement concentrés sur l’optimisation des conditions de processus. En combinaison avec d’autres méthodes, telles que la chromatographie liquide à haute performance et les micro-ondes à éthanol à ultrasons, les résultats seront encore meilleurs. Cependant, il n’y a pas beaucoup de rapports de recherche à ce sujet, et il devrait attirer l’attention des chercheurs. En raison du cycle court et du fonctionnement simple de l’extraction assistée par ultrasons du β-carotène, le taux d’extraction est élevé. Par conséquent, en tant que méthode très efficace pour extraire le β-carotène, il a été largement utilisé dans l’industrie ces dernières années.

2.3 méthode d’extraction assistée par micro-ondes

Les ondes électromagnétiques à haute fréquence générées lors de l’action micro-ondes accélèrent la vitesse de diffusion de l’extrait dans le solvant. En même temps, les micro-ondes à haute énergie provoquent une élévation rapide de la température à l’intérieur des cellules, une augmentation du mouvement thermique des molécules et une augmentation de la pression interne des cellules jusqu’à la pression négative maximale que les parois cellulaires peuvent supporter. Les cellules se décomposent en grand nombre, les ingrédients efficaces dans les cellules sont libérés des cellules. De plus, le champ électromagnétique généré par les micro-ondes accélère la diffusion du β-carotène de l’intérieur vers l’extérieur, augmentant ainsi le rendement.

En raison de ses avantages de chauffage rapide, de fonctionnement simple, de faible consommation d’énergie et d’économie de solvants, l’extraction par micro-ondes a une place dans l’extraction de produits naturels. Wang Ying et al. ont utilisé un mélange d’acétate d’éthyle et d’éthanol absolu comme solvant d’extraction pour extraire le β-carotène des carottes avec l’aide des micro-ondes, et ont étudié les effets du rapport liquide-solide, du temps et de la puissance des micro-ondes sur le taux d’extraction. Les résultats ont montré que les conditions optimales pour l’extraction du β-carotène étaient un rapport liquide/solide de 1:5 (g/mL), un temps de micro-ondes de 40 S et une puissance de micro-ondes de 400 W. Dans des conditions optimales, le taux d’extraction peut atteindre 47,8% [7]. Chen Lei et al. ont utilisé l’extraction par micro-ondes pour extraire le β-carotène du wolfberry, et ont examiné le solvant pour extraire le β-carotène, et ont étudié les effets de la puissance d’extraction par micro-ondes, du temps d’extraction, du rapport solide-liquide et de la température d’extraction sur le taux d’extraction du β-carotène. Les résultats ont montré que le procédé optimal pour l’extraction du β-carotène par micro-ondes était: puissance micro-ondes 400W, temps 80, température 25℃, rapport solide-liquide 1:15. Dans ces conditions, le taux d’extraction du β-carotène était de 0,55% [8].

L’extraction du β-carotène par micro-ondes présente les avantages suivants: économie d’énergie et haute efficacité, bonne sélectivité, économie de solvants, haute qualité du produit, bonne reproductibilité et équipement simple. Cependant, l’extraction assistée par micro-ondes présente le défaut fatal d’une élévation incontrôlable de la température. S’il n’est pas utilisé correctement, le β-carotène se détériore. Par conséquent, l’extraction par micro-ondes nécessite un contrôle strict de l’opération, en particulier de la température. Avec le développement de la technologie de contrôle automatique, les performances de contrôle de la température des réacteurs à micro-ondes ont été améliorées dans une certaine mesure, et l’extraction par micro-ondes sera de plus en plus utilisée pour l’extraction de diverses substances.

2.4 méthode d’extraction au solvant organique

La méthode d’extraction par solvant organique est principalement basée sur la différence de polarité entre les composants extraits de la matière première et les propriétés physico-chimiques des impuretés coexistantes, suivant le principe de dissout comme. Des solvants organiques sont ajoutés à la matière première pour permettre le processus de transfert de masse des principes actifs qui transfèrent de la surface ou à l’intérieur du tissu de la matière première au solvant. Il est couramment utilisé pour extraire des pigments solubles dans l’eau, des polysaccharides, etc., et est largement utilisé.

L’utilisation du principe de dissout like like pour transférer les principes actifs est la caractéristique la plus efficace de l’extraction par solvant. Par exemple, Zhang Yan et al. ont utilisé l’extraction au solvant pour extraire le β-carotène de la poudre de fleur de lotus blanche. Ils ont utilisé des expériences à facteur unique et orthogonale pour étudier l’influence de facteurs tels que le temps d’extraction, le solvant d’extraction, la température d’extraction, le rapport liquide/matière et le nombre d’extractions sur le taux d’extraction. Les résultats ont montré que les conditions optimales d’extraction du β-carotène à partir de la poudre de fleur de lotus blanche étaient les suivantes: acétate d’éthyle comme solvant d’extraction organique, temps d’extraction 180min, 45℃, rapport liquide-solide 1:6, temps d’extraction 2, taux d’extraction du β-carotène de 679,864ug /g[9].

Par exemple, Wang Haiying et al.β-carotène extrait des algues. After exploring the effects of extraction agent, temperature, time, and solid-liquid ratio on the β-carotene extraction rate, they found that the optimal extraction process conditions for β-carotene extraction from dried spirulina powder were as follows: using ethyl acetate as the extraction agent, a solid-liquid ratio of 1:10 (mg/mL), and a constant temperature treatment at 65 °C for 6 h. The extraction rate was 0.85 mg/g [10].

La méthode d’extraction au solvant organique est simple à utiliser et peu coûteuse, mais le taux d’extraction est relativement faible. Actuellement, la méthode des solvants organiques est principalement utilisée pour l’extraction du β-carotène naturel, mais il existe des problèmes avec la source des matières premières, la technologie d’extraction obsolète, les niveaux élevés de teneur en métaux lourds et les graves dommages causés au corps humain par les résidus de solvants organiques. Cela se traduit par une faible efficacité économique et rend difficile la production à grande échelle.

La chromatographie liquide haute performance, également connue sous le nom de chromatographie liquide haute pression ou haute vitesse, est une branche importante de la chromatographie qui utilise une phase mobile liquide et un système de perfusion haute pression. Il utilise une pompe à perfusion haute pression pour injecter une phase mobile d’un solvant unique de polarités différentes ou un solvant mixte de proportions différentes, une solution tampon, etc., dans une colonne chromatographique contenant une phase stationnaire. L’échantillon à tester est injecté à travers la vanne d’injection et transporté dans la colonne par la phase mobile. Une fois les éléments de la colonne séparés, ils entrent à leur tour dans le détecteur pour être détectés, ce qui permet l’analyse de l’échantillon. Cependant, en raison de la complexité de l’opération et des coûts d’analyse élevés, l’achat et l’entretien des chromatographes liquides sont coûteux. Par conséquent, cette méthode est rarement utilisée dans la production industrielle.

3. Les perspectives

Dans une société où chacun apprécie sa santé, les nombreuses propriétés exceptionnelles du bêta-carotène sont de plus en plus apparentes, notamment en termes d’antioxydants cellulaires. Elle est devenue l’une des matières premières indispensables dans le domaine de la santé. Pour l’homme, manger des produits riches en bêta-carotène peut obtenir un très bon effet antioxydant. L’extraction et la purification du β-carotène sont donc devenues particulièrement importantes. L’extraction par micro-ondes présente des avantages évidents. Les recherches futures devraient se concentrer sur la poursuite de la recherche expérimentale ainsi que sur le développement et la promotion du processus. La chromatographie liquide à haute performance et l’extraction supercritique du CO2 sont limitées par des coûts élevés et d’autres facteurs, et ne sont pas encore prêtes pour la production industrielle. Cependant, l’extraction supercritique de CO2 peut être utilisée pour produire du β-carotène avec un degré élevé de pureté. L’extraction au solvant organique est un procédé relativement mûr, mais il est progressivement éliminé en raison de désavantages tels que la grande quantité de solvant utilisé et la viscosité élevée de l’extrait.

Ces dernières années, la demande deβ-carotene in food additives, medical care, cosmetics and other fields has been increasing. The current task is to find some suitable methods for large-scale industrial production to meet people' S demande de β-carotène. Par conséquent, nous devrions nous concentrer sur le développement de produits liés au β-carotène, tout en renforçant la recherche sur sa sécurité afin d’élargir son champ d’application. On pense qu’avec l’amélioration continue de la technologie d’extraction et de purification, le β-carotène jouera un rôle plus important.

Références:

[1] Chen Lei, Hou Hongbo, Li Ningning. Progrès de la recherche sur le processus de production de β-carotène [J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2011 (7): 362-363.

[2] Yang Yongqing, Zhong Siqiong, Chen Hongxiu, et al. Progrès de la recherche des caroténoïdes naturels dans les fruits de Tribulus terrestris [J]. Food Science, 2012, 33 (15): 339~343.

[3] Liu Yingfen, Xin Naihong, Liu Hongyan et al. Recherche sur l’application de la technologie d’extraction supercritique du CO2 dans l’extraction du β-carotène [J]. Technologie innovante, 2011 (5): 14~16.

[4] Wang Siliu, Wu Xiaozong, Wang Haixiang, et al. Extraction de la levure rouge β-carotène à l’aide de la technologie supercritique CO2 [J]. Food Research and Development, 2011 (1), 32 (1): 4~6.

[5] Xiong Ke, Xia Yanbin, Liu Rong. Procédé d’extraction améliorée par ultrasons du β-carotène [J]. Food Science and Technology, 2008 (5): 160~163.

[6] Jiao Yuzhi, Zhai Weiwei, et al. Extraction et purification du β-carotène des semis de blé riches en sélénium [J]. Food Science and Technology, 2011 (22): 124-127.

[7] Wang Ying, Chen Hu, Wang Zhiwei. Recherche et optimisation de l’extraction micro-onde du β-carotène [J]. Industrie chimique appliquée, 2011, 40(12): 2160~2162.

[8] Chen Lei, Hou Hongbo, Li Ningning, et al. Etude du procédé d’extraction du β-carotène du wolfberry [J]. Industrie chimique de Guangdong, 2012, 39(1): 31~32.

[9] Zhang Yan, Shi Wei, Wu Yanyan, et al. Optimisation des conditions d’extraction du β-carotène de la poudre de fleur de lotus blanche [J]. Food and Fermentation Technology, 2011, 49(3): 68-71.

[10] Wang Haiying, Du Weimin, Li Wen, et al. Etude du procédé d’extraction du β-carotène à partir de la poudre de spiruline séchée [J]. Chinese Food and Nutrition, 2010(6): 64-66.