Valorisation chimique du marc de café : utilisation des fluides pressurisés pour l'extraction de molécules d'intérêt

Chemical valorization of spent coffee grounds : application of pressurized fluids for the extraction of molecules of interest

• Auteur / Autrice : Alexandre Vandeponseele
• Direction : Grégory Chatel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/02/2023
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements, dynamiques et territoires de la montagne (Le Bourget du Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Aymonier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Perino, Micheline Draye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabeth Badens, Alain Favre-Reguillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extraction (chimie)

Mots clés libres

Marc de café

Bioéconomie circulaire

Chimie verte

CO2 supercritique

H2O subcritique

Extraction

Spent coffee grounds

Circular bioeconomy

Green chemistry

Supercritical CO2

Subcritical H2O

Extraction

Résumé

Le marc de café représente le sous-produit le plus important dans la production du café, produit après l'étape d’infusion à hauteur de 6 millions de tonnes chaque année dans le monde. Ce biodéchet est une ressource à fort potentiel grâce à sa composition en molécules d’intérêt. Dans ce contexte, le projet VALORWaste a proposé de développer des procédés innovants à l’aide de fluides pressurisés tels que le dioxyde de carbone supercritique (CO2-SC) et l’eau subcritique (SUB-H2O) pour l'extraction de molécules à haute valeur ajoutée à partir du marc de café, en vue de leur application dans l’industrie nutraceutique et cosmétique.Dans un premier temps, l’influence des conditions de stockage a été étudiée afin de garantir un marc de café de composition stable et riche en molécules d’intérêt en vue d’une valorisation. La teneur, la composition et les propriétés des molécules d’intérêt ont été évaluées via des procédés d’extraction conventionnelle, associés en cascade pour déterminer le potentiel de valorisation du marc de café. Dans un second temps, l’extraction au CO2 supercritique en présence d’un co-solvant polaire comme l’eau ou l’éthanol a fait l’objet d’une étude pour l’extraction des lipides, des polyphénols et de la caféine. Les résultats du couplage CO2-SC/H2O ont montré l’importance du paramètre de pression dans l’extraction des lipides, tandis que la quantité d’eau s’est montrée essentielle dans l’extraction de la caféine. L’étude sur le mélange CO2-SC/EtOH a montré que la modification des propriétés antioxydantes de l’extrait est due à l’augmentation de molécules polaires mais également à la présence de molécules apolaires uniquement extractibles à l’aide de ce mélange.Dans un troisième temps, le CO2 supercritique a été appliqué comme pré-traitement du marc de café avant extraction des polyphénols et/ou sucres par H2O subcritique. L’utilisation d’un prétraitement au CO2 supercritique s’est révélée ne pas être un paramètre influent, contrairement à la température qui conditionne le rendement et la composition des extraits obtenus. Les résultats obtenus au cours de cette thèse appuient l'actuelle émergence de la bioéconomie circulaire comme modèle économique plus social et plus environnemental, afin de développer une nouvelle génération de bioraffineries pour produire des molécules à haute valeur ajoutée et d’intérêt à partir de sous-produits ou déchets pas ou peu valorisés, tel que le marc de café.

Spent coffee grounds represent the most important by-product in coffee production, obtained after the brewing stage, up to 6 million tons each year in the world. This biowaste isa resource with high potential thanks to its composition in molecules of interest. In this context, the VALORWaste project proposed to develop innovative processes using pressurized fluidssuch as supercritical carbon dioxide (CO2-SC) and subcritical water (SUB-H2O) for the extraction of high value-added molecules from spent coffee grounds, with a view to their application in the nutraceutical and cosmetic industries. First, the influence of storage conditions was studied in order to guarantee a spent coffee grounds of stable composition and rich in molecules of interest for valorization. The content,composition and properties of the molecules of interest were evaluated via conventional extraction processes, associated in cascade to determine the potential of valorization of spentcoffee grounds.In a second step, supercritical CO2 extraction in the presence of a polar co-solvent such as water or ethanol was studied for the extraction of lipids, polyphenols and caffeine. Theresults of the CO2-SC/H2O coupling showed the importance of the pressure parameter in the extraction of lipids, while the amount of water was shown to be essential in the extraction ofcaffeine. The study on the CO2-SC/EtOH mixture showed that the modification of the antioxidant properties of the extract is due to the increase of polar molecules but also to thepresence of apolar molecules only extractable with this solvent mixture.In a third step, supercritical CO2 was applied as a pre-treatment of spent coffee grounds before extraction of polyphenols and/or sugars by subcritical H2O. The use of supercritical CO2pretreatment was not found to be an influential parameter, contrary to the temperature which conditions the yield and composition of the extracts.The results obtained during this thesis support the current emergence of the circular bioeconomy as a more social and environmental economic model, in order to develop a newgeneration of biorefineries to produce high value-added molecules of interest from by-products or wastes not or little valorized, such as spent coffee grounds.