Couplage de procédés membranaires pour la production d’extraits anthocyaniques : application à Hibiscus sabdariffa

Coupling of membrane process for the production of extract anthocyanin : application to Hibiscus sabdariffa

• Auteur / Autrice : Mady Cissé
• Direction : Manuel Dornier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 17/12/2010
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Qualisud (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Dornier, Marie-Pierre Belleville, Max Reynes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Laure Lameloise, Pascal Dhulster

Mots clés

Mots clés libres

Hibiscus sabdariffa

Extraction solide-liquide

Microfiltration tangentielle

Ultrafiltration

Nanofiltration

Évaporation osmotiquequalité couplage

Hibiscus sabdariffa

Solid-liquid extraction

Crossflow microfiltration

Ultrafiltration

Nanofiltration

Osmotic evaporation

Quality

Cou pling

Résumé

Hibiscus sabdariffa L. est une plante vivace herbacée localisée dans les zones tropicales et subtropicales des deux hémisphères. Au Sénégal, où elle a été introduite au 19ème siècle, H. sabdariffa, encore appelé bissap ou roselle, est cultivé sur l'ensemble du territoire et exploité principalement pour ses calices. Une boisson désaltérante est traditionnellement élaborée à partir des calices séchés par extraction à l'eau. La caractérisation physico-chimique et biochimique des calices nous a tout d'abord permis de mieux évaluer le potentiel de ce produit. Ainsi, les calices contiennent entre 767 et 1480 mg.100g -1 d'anthocyanes et entre 1347 et 3736 mg.100g-1 de polyphénols totaux. Ils présentent un pouvoir antioxydant voisin de 260 µmolTrolox.g-1. L'acide malique y est l'acide organique majoritaire avec une teneur pouvant atteindre 2,3 g.100g-1. De part ces caractéristiques, l'extrait aqueux de calices d'H. sabdariffa constitue une excellente source d'anthocyanes. Le travail s'est ensuite focalisé sur le procédé d'obtention de cet extrait. L'étude de l'extraction solide-liquide a été réalisée à partir de calices séchés et d'eau à des températures comprises entre 25 et 90 °C. Un rendement d'extraction en anthocyanes maximum de 88 % a été obtenu à 25 °C avec un ratio calice/eau de 1/25. La réduction de la taille des particules et l'augmentation de la température diminuent le temps d'extraction mais n'affectent pas le rendement d'extraction. Un modèle d'extraction solide-liquide incluant les cinétiques de dégradation thermique des anthocyanes a été proposé puis validé. La microfiltration tangentielle sur membrane céramique de diamètre moyen de pores 0,2 µm a permis de produire un extrait stérilisé à froid, stable pendant 90 j à 20 °C. Nous avons montré à ce niveau que la pression transmembranaire optimisée à un facteur de réduct ion volumique (FRV) égal à 1 n'est plus optimale lorsque le FRV augmente. Pour concentrer les anthocyanes présents dans l'extrait, l'ultrafiltration sur une membrane de seuil de coupure de 5 kDa peut être utilisée malgré une rétention incomplète (95-97 %). Par contre, la nanofiltration offre une rétention totale des anthocyanes. Le procédé, mis en uvre dans des conditions semi-industrielles, a permis d'augmenter la teneur en extrait sec soluble (ESS) de 40 à 250 g.kg-1 à 35 °C, à une pression transmembranaire comprise entre 20 et 30 bar avec un flux moyen de 15 kg.h-1.m-2. L'évaporation osmotique, testée sur un pilote équipé d'une membrane en polypropylène de 10 m2, a permis de concentrer l'extrait anthocyanique jusqu'à 620 g d'ESS.kg-1. Cet extrait concentré conserve toutes les qualités physico-chimiques, biochimiques, nutritionnelles et aromatiques de l'extrait initial. Le flux évaporatoire est directement corrélé à la teneur en extrait sec solub le du produit à concentrer. Enfin, divers couplages d'opérations unitaires ont été comparés pour obtenir un extrait concentré à partir de calices d'H. sabdariffa. Le procédé qui associe une extraction à froid, une pré-concentration par nanofiltration et une concentration par évaporation osmotique est la meilleure voie tant en terme de coûts d'investissement et de fonctionnement que de qualité de l'extrait.

Hibiscus sabdariffa L. is a herbaceous plant, cultivated largely in tropical and subtropical areas of both hemispheres. In Senegal, where it was introduced in the 19th century, H. sabdariffa L. also called bissap or roselle is grown throughout the territory and operated primarily for its calyx. A refreshing drink is traditionally made from dried calyx by water extraction. The physical-chemical and biochemical characterization of the calyx allowed us to assess better the potential of this product. Thus, the calyx contained between 767 and 1480 mg.100g-1 of anthocyanins and between 1347 and 3736 mg.100g-1 of total polyphenols. They have an antioxidant capacity closed to 260 μmolTrolox.g-1. Malic acid is the major organic acid with content up to 2.3 g.100g-1. Because of these characteristics, the aqueous extract of H. sabdariffa calyx is an excellent source of anthocyanins. The work was then focused on the process for obtaining this extract. The study of solid-liquid extraction was performed from dried calyx with water at temperature range from 25 and 90 ° C. A maximum extraction yield of anthocyanin of 88 % was obtained at 25 ° C with a solid-to-solvent ratio of 1/25. Reducing the particle size and increasing the temperature decreased the extraction time but do not affect the extraction efficiency. A model of solid-liquid extraction which included the thermal anthocyanins degradation kinetics has been proposed and validated. Crossflow microfiltration with tubular ceramic 0.2 pore size membrane has produced a cold sterilized extract, stable during 90 days at 20 °C. We have shown here that the transmembrane pressure optimized at a volume reduction ratio (VRR) equal to 1 is no longer optimum when the VRR is increasing. To concentrate the anthocyanins present in the extract, the ultrafiltration membrane with a cutoff of 5 kDa can be used despite incomplete retention (95-97%). By cons, nanofiltration offers a tot al retention of anthocyanins. The method, implemented in semi-industrial conditions, has increased the content of total soluble solids (TSS) from 40 to 250 g.kg-1 at 35 °C at a transmembrane pressure between 20 and 30 bar with an average flow of 15 kg.h-1.m-2. The osmotic evaporation, tested on a pilot equipped with a polypropylene membrane of 10 m2, has concentrated anthocyanin extract up to 620 g TSS. kg-1. This concentrated extract retains all the physical-chemical, biochemical, nutritional and aromatic quality of the original extract. The evaporation flux is directly correlated with the total soluble solids content of the product to concentrate. Finally, various couplings of unit operations were compared to obtain a concentrated extract from H. sabdariffa calyx. The process which combines a cold extraction, a pre-concentration by nanofiltration and concentration by osmotic evaporation is the best way both in terms of investment costs and operating and quality of the ext ract.