Brevet FR2637910A1 — publié le 19900420

NOUVEAU ECRDDE D'OBTENllaN- D'HtJILE DE PEPINS DE CASSIS RICHIE La présente invention se rapporte essentiellement à l'industrie alimentaire et en particulier au problème des huiles alimentaires à visee diététique. L'intérêt de la dietétique est d'orienter la nutrition humaine vers des aliments plus appropriés an mode de vie en apportant les éléments quantitatifs et surtout qualitatifs les plus importants, en quantités déterminées. C'est ainsi que les diététiciens ont mis l'accent sur les avantages pour la santé, des huiles riches en acides gras poly-insaturés sous une forme aisément digestible. De tous les acides gras insaturés, ceux appartenant à la série 3, c'est-à-dire présentant trois doubles liaisons, sont apparus les plus intéressants car aptes à fournir des précurseurs de prostaglandines par l'intermédiaire de mécanismes d'homologation et de création de doubles liaisons supplémentaires sous l'influence de désaturases spécifiques du règne végétal. Parmi les acides de la série 3, l'acide &gamma;-linoléique s'est avéré être le plus important dans le règne végétal car il se trouve à un carrefour métabolique. L'acide r-linolenique (C18 : 3 (n-6) est un acide gras essentiel présentant un grand intérêt pour des usages cosmétiques, diététiques et médicinaux. Certains micro-organismes, quelques familles de plantes telles les onagracées ainsi que les pépins de cassis peuvent en contenir jusqu'a 20 t. on peut dans ce dernier cas l'obtenir a partir des residus de pressage ou de fermentation des fabricants de sirop ou de liqueur de cassis. La demande de brevet européen 92.085 (NESTLE) enseigne que les huiles de pépins de fruits du genre Ribes contiennent un pourcentage appréciable, au moins 4 % en poids d'acide r-linolénique. De plus, ces pépins sont disponibles en grandes quantités dans les tourteaux provenant du pressage des jus de fruits, de la fabrication des confitures et gelées ou des moûts de fermentation provenant de la production des eaux-de-vie, liqueurs et schnaps, sous-produits qui étaient jusqu'a présent utilisés comme combustible ou comme fourrage. Les huiles utilisées proviennent en pratique du cassis (Ribes nigrum), des groseilles (Ribes rubrum), des groseilles à maquereau (Ribes ova-crispa ou grossulariaj ou des fruits d'hybrides de ces espèces. On peut, bien entendu, utiliser un mélange de ces fruits. Le contenu en lipides des sous-produits mentionnés cidessus est de 12 à 30 % en poids suivant la matière première. La phase lipidique contient à son tour de 4 à 19 % en poids d'acide r-linolénique. L'huile de cassis est préférée à cause de sa teneur élevée en acide r-linolénique, et contient en outre de 1 à 2 % en poids de corps insaponifiables, tels que alcools aliphatiques, hydrocarbures, tocophérols, squalène, fsitostérol, cappestérol et b-7 stigmastérol. Sa densité est 0,9215 g/cm3 (a 200C) et sa viscosité 28,3 centipoise (à 200C), si on se réfère à la littérature. La demande européenne 92.085 décrit un procédé de préparation d'huiles à partir de pépins de fruits du genre Ribes, caractérisé par le fait qu'on moud une matière végétale contenant ces pépins et qu'on l'extrait par deux solvants successifs de manière à obtenir un corps gras contenant au moins 4 z en poids d'acide y-linolénique pratlquement dépourvu des composées phénoliques colorants, des acides gras libres, des colorants et des cires de ces fruits. Parmi les solvants décrits dans cette demande de brevet, on cite notamment un fluide supercritique comme par exemple, le dioxyde de carbone dans des conditions lui conférant un caractère polaire. C'est ainsi qu'une variante du procédé décrit consiste à extraire les graines en utiliant p. ex le dioxyde de carbone à 250-350 bar et 60-800C en cycle continu, le solvant étant récupéré sous forme gazeuse par diminution de la pression, recomprimé et recyclé. On a constaté que l'extraction par un second solvant comme l'éthanol permettait d'éliminer la plupart des matières colorantes et des cires présentes dans les pellicules et autour des pépins : en effet, les cires se déposent par refroidissement à partir de l'extrait alcoolique tandis que celui-ci est très fortement coloré. La présente invention vise à améliorer sensiblement le procédé décrit antérieurement en simplifiant les étapes industrielles et en permettant, en même temps, d'obtenir une concentration plus élevée en acides gras.poly-insaturés dans l'huile récoltée. L'invention repose sur la constatation inattendue que la solubilité dans le gaz carbonique supercritique des triglycérides à longue chaîne carbonée et poly-insaturée est plus faible que celle des triglycérides saturés et de poids moléculaire plus faible. De ce fait, une diminution du pouvoir solvant obtenue en abaissant la pression et/ou la température provoque une désolubilisation relativement sélective de ces différents acides gras, tout en maintenant en solution les produits secondaires colorés ou gênants. Il est donc possible en utilisant comme solvant unique, un fluide à l'état super critique comme le gaz carbonique, d'effectuer dans un premier temps une extraction pratiquement totale des corps gras contenus dans les pépins puis en réduisant la pression, de recueillir préférentiellement une fraction huileuse dans laquelle les triglycérides d'acides gras poly- insaturés sont concentrés. En même temps, les triglycérides d'acides gras saturés, les matières colorantes et l'eau restent dissouts dans le fluide supercritique et se trouvent ainsi éliminés. La littérature indique que le taux d'extraction des triglycérides gras par le gaz carbonique super critique augmente considérablement avec le pression (jusqu'à 600 bars) à une température de 600C. En fait, à des pressions sensiblement moindres et à une température légèrement inférieure, le rendement d'extraction pouvait être aussi élevé à condition d'augmenter le temps de traitement par le gaz carbonique supercritique. Le procédé de l'invention peut donc être caractérisé par le fait que l'on soumet les pépins de cassis broyés dans un moulin puis tamisés, à une extraction par le gaz carbonique à l'état liquide à une température comprise entre 50 et 600C1 pendant 10 à 20 heures, puis on réalise une opération de décompression/chauffage à une pression de 100-15Q bars et à une température variant de 60 à 700C, on sépare par un décanteur la phase liquide qui s'est séparée riche en acides gras insaturés, puis soumet le fluide supercritique à une deuxième opération de dec9mpression/chauffage à une pression comprise entre 35 et 60 bars et à une température allant de 60 à 700 pour recueillir une nouvelle fraction riche en acides gras insaturés. Le procédé selon l'invention eut encore être défini par les modalités d'exécution suivantes actuellement préférées 1. les pépins de cassis sont amenés à une granulomérie de 200 à 800 microns et de préférence d'environ 300 microns à 700 microns. 2. la température d'extraction par le fluide à l'état supercritique est de préférence de 55 . 3. la pression d'extraction est de 200 à 300 bars et de préférence entre 240 et 260 bars. 4. la durée optimale d'extraction varié de 10 à 25 heures et de préférence de 15 à 20 heures. 5. la première opération de décompression s'effectue à une pression variant de 110 à 140 bars et de préférence de 115 à 130 bars. 6. la première opération de décompression s'effectue à une température qui varie de 60 et 650. 7. la deuxième opération de décompression s'effectue à une pression qui varie de 45 à 55 bars et de préférence à une pression de 50 bars. 8. la deuxième opération de décompression s'effectue à une température qui varie de 60 à 650. 9. les fractions d'huile recueillies dans les pots de décantation et réunies fournit une matière grasse dont la teneur en acide r-linolénique est d'au moins 15 % et dont la coloration est à peine perceptible (incolore à jaunâtre très faible). L'invention s'étend encore aux huiles de table à base de pépins de cassis obtenues selon le procédé de l'invention ou ses variantes techniques évidentes. EWIE 1: ESSAI PILOTE I - Conditions opératoires Afin d'obtenir des résultats extrapolables à l'échelle industrielle, l'extraction de lipides a été réalisée sur une unité pilote d'extraction, par fluide supercritique fonctionnant en boucle fermée avec recyclage du solvant (Figure 1), comprenant - Deux autoclaves d'extraction (PQT 1 et POT 2) en série, dans lesquels viennent s'insérer deux paniers de chargement cylindriques fermés à leurs extrémités par des frittés de porosité 45 pm et d'épaisseur 5 mm. Volume utile de chargement : 1,85 1/panier - Débit de solvant : 30 lVh (à l'étant liquide) - Pression de service : 0-250 bars - Temparéture de service : 0-100 0C - Matériau : acier inoxydable 304 ou 316 L et - Installation automatisée par un calculateur (BULL MICRAL 30) assurant à la fois les fonctions de sécurité et de régulation. Une étude ayant montré que le taux d'extraction des triglycérides avec le C02 supercritique augmente considérablement avec la pression jusqu'à 600 bars et une température de 60 C, on a fixé les conditions d'extraction en tenant compte à la fois de ces données, des contraintes de pressions imposées par l'installation pilote et des résultats de l'étude préliminaire. Etape d'extraction : - pression des autoclaves : 200 bars - température : 550C Etape de séparation : - pression du décanteur P3 120 bars - pression du décanteur P4 et des séparateurs S1 S2 50 bars - température des décanteurs et des séparateurs 60 C III - PRODUIT Il s'agit de deux lots de graines de cassis : le lot n01 (cassis 1) a subi un traitement prealable (échantillon alcoolisé).- Le lot n 2 (cassis 2) n'a subi aucun traitement. Les graines sont broyées dans un moulin (type boulin à café avec lame) puis tamisées. La taille moyenne des particules récupérées pour le traitement par le C02 étant de 700 pm environ après détermination par lecture laser (figure 2). Le broyage des graines nous a posé de très grosses difficultés vu leur relative élasticité ; un rejet non négligeable a dû être consenti malgré des efforts longs et patients pour les broyer aussi finement que possible. IV - ANALYSE DES EcEaNllLLoNs 1) Teneur en lipides Elle est déterminée par gravimétrie, après extraction, selon la méthode de FOLCH, de la fraction lipidique contenue dans 5 g de produit tamisé, avant et après traitement par C02 supercritique. 2) Détermination de la teneur en acide r-linolénique (gaz) a) Préparation des esters méthyliques Les esters méthyliques d'acides gras sont préparés par addition de Méthylate de Sodium 0,5 N selon la norme NFT 60-233. Les esters sont ensuite extraits par l'hexane et concentrés sous azote avant d'être analysées par chromatographie en phase gazeuse (C.P.G). b) Analyse par C.P.G Les esters méthyliques sont analysés avec un chromatographe CARGO ERBA HRGC 5300 équipé d'un détecteur à ionisation de flamme et d'une colonne capillaire SE 30 de longueur : 25 m. Température de l'injecteur ........ 2400C Température du détecteur .......... 2400C Température du four .............. 180oC Débit du gaz vecteur (Hélium) 1 ml/mn Volume injecté .................... O,2/pl (split à 1%) Les résultats des chromatogrammes sont exploités à l'aide d'un intégrateur SPECTRA-PHYSICS 4200. L'identification du GLA est obtenue par comparaison de son temps de rétention avec celui d'un étalon (obtenu par HPLC préparative de l'huile de bourrache). V - MODE OPERATOIRE Après remplissage des deux paniers cylindriques, avec des graines de cassis broyées et tamisées (= 3 kg > , ceux-ci sont introduits dans les autoclaves 1 et 2 avant verrouillage de ces derniers et mise en pression de l'installation. Le dioxyde de carbone est pompé à l'état liquide par deux pompes à membrane à tête doseuse refroidie ; il est ensuite réchauffé à la température souhaitée (550C) dans un échangeur double tube. Le solvant pénètre ensuite dans les autoclaves (pots 1 et 2) en se chargeant d'extrait. La première étape de décompression/chauffage est réalisée dans le pot 3 et permet une première séparation solvant/extrait avant les deux séparateurs hautes performances cl 52 et le pot 4 (50 bars) le produit obtenu est de couleur voisine mais beaucoup moins visqueux et contient une quantité non négligeable d'eau que l'on peut aisément séparer de la fraction lipidique par centrifugation. VI- RESULMS EXPERIMENTAUX 1) Influence de la granulométrie des particules : L'extraction de lipides a partir de graines de cassis n'ayant subi qu'un broyage grossier (0-1500 pm) (expérience N3 > ne permet de recueillir que 8,8 % d'extrait apres 22 heures de traitement par le C02 supercritique Le pourcentage d'extraction dépend fortement de la finesse des particules : lorsque des graines broyées et tamisées, de diamètre moyen égal à 700 pin, sont traitées dans les mêmes conditions, le produit extrait représente environ 20 % (en poids} de la charge Un rendement optimal d'extraction est obtenu en traitant un produit sous forme de poudre. Il faut alors dans ce cas, éviter les éventuels entrainements en utilisant des frittés très fins 2) Cinétique d'extraction Les figures 3 à 6 établies à partir des expériences NI et A5 nous montrent que l'extraction des lipides est réalisée à 95 % en 10 heures pour le cassis 1 et en 12 heures pour le cassis 2, ceci pour 3kg de charge. Après décantation de l'extrait, la fraction lipidique représente 16 % en poids de la charge et la fraction aqueuse 4 %. La vitesse d'extraction de l'huile, extrapolable à partir de la tangente à la courbe (figure 4), est estimée à 70 gVh pour un débit de CO2 de 30 l/h. CASSIS 1 Expérience NI : charge 2977 g, cassis broyé et tamisé, diamètre moyen : 700 micron Durée d'extraction (h) 4,7 7,6 23 Masse d'huile recueillie 315 471 483 (g) Masse d'extrait Huile + Eau (g) 369 532 595 Pourcentage d'extraction 12,4 17,9 19,9 Pourcentage d'huile 10,6 15,8 16,2 Expérience M2 : charge 3024 g, cassis broyé et tamisé diamètre moyen : 700 microns Dorée d'extraction 5,4 22 (h) Masse d'huile recueillie 354 481 se Masse d'extrait Huile + Eau (g) 414 591 Pourcentage d'extraction 13,7 19,5 Pourcentage d'huile 11,7 15,9 Expérience M3 : charge 4253 g, broyage grossier, diamètre moyen : 1500 microns Durée d'extraction .5,4 7 22,5 (h) Masse d'extrait Huile + Eau 164 177,5 374 Pourcentage d'extraction 3,8 3,9 8,8 CASSIS 2 Expérience M4 : charge 3307 g, cassis broyé et tamisé diamètre moyen : 700 microns Durée d'extraction 2 7,5 20,5 (h) Masse d'extrait Huile + Eau - (g) -(gl 560 709 Pourcentage d'extraction 5,7 16,9 21,4 (%) Expérience n5 : charge 3055 g, cassis broyé et tamisé diamètre moyen : 700 microns Durée d'extraction 5 6,4 22 (h) Masse d'extrait Huile + Eau (g) 309,1 470 671 Pourcentage d'extraction 10,1 15,4 22 (%) TABLEAU DES RESULTATS EXPERIMENTAUX CASSIS 1 CASSIS 2 Teneur en lipides 15,7 16,7 (%) Pourcentage d'extraction 19 - 20 21 - 22 par CO2 Huile + Eau (%) Teneur résiduelle en lipides 0,4 0,6 après extraction par CO2SC Teneur en GL 15,2. 16,1 C.18 : 3 (n=6) dans les lipides totaux de la charge Pourcentage de GLA 18,1 18,4 dans le pot 3 Pourcentage de GLA 14,4 14,3 dans le pot 4 CASSIS 1 Le cassis 1 présente un potentiel de 15,7 % en lipides totaux dont la teneur en acide y-linolénique est 15.2 %.Après 20 heures d'extraction environ, on récupère 19,5 % d'extrait constitué d'une fraction lipidique (15-16 %) et d'une fraction aqueuse (3-4 %). La quasi totalité des lipides est extraite lors du traitement par le C02 supercritique. La fraction restante étant sans doute constituée de phospolipides et de glycolipides, L'extraction de 95 % de lipides nécessitant 190 heures de traitement (Figure 1) pour une charge de 3 kg de cassis, on récupère donc m = 3000 x 15,7 x 95 = 447,5 g de lipides 100 100 soit un taux de solvant/huile extraite Masse CO2 utilisé #1 Masse huile extraite = Débit x masse volumique x durée d'extraction Masse huile 30.10-3.1000.10 e1 447.5.10-3 = 670 kg C02/kg huile CASSIS 2 Le cassis 2 est légèrement-plus riche en lipides (16,7%) que le lot n0 1, ces lipides contenant 16,2 % d'acide &gamma;-linolénique. Après 20 heures d'extraction, 21 à 22 % de produits sont récupérés dont 4 % d'eau. L'extraction de 95 % de lipides nécessite 12 heures de traitement (Figure- 2) à partir de 3 Xg de charge On récupère ainsi : 3000 x 16,7 x 95 = 476 g de lipides 100 100 soit un taux de solvant/huile extraite Masse CO2 utilisé = #2 = Masse huile extraite Débit x masse volumique x duree d'extraction masse huile 30.10-3.1000.12 #2 = 476.10-3 = 756 kg CO2kg huile 3) Teneur en acide y-linolénioue des différentes fractions Les teneurs respectives en acide v-linolénique des cassis 1 et 2 sont de 15,2 et 16,1 par rapport à leur composition globale en acides gras.Lors de la première étape de séparation solvant/extrait effectuée dans le pot 3 à 120 bars, 6O0C, on récupère une fraction de lipides contenant environ 18 % de GLA et 14 + 0,5 % dans le pot 4 correspondant à la dernière étape de séparation à 50 bars, 6O0C. La solubilité des triglycérides (TG) à longues chaines carbonées et polyinsaturées est, en effet, plus faible que celle des TG saturés et de faibles poids moléculaires ; c'est la raison pour laquelle une diminution du pouvoir solvant du CO2 provoque une désolubilisation sélective de ces différentes espèces. coNcLusIoN L'extraction des lipides contenus dans les graines de cassis peut être considéré comme totale. Le taux de solvant présente une valeur élevée qu'il convient de relativiser. L'optimisation des conditions de pressions et de températures, en effet, permet d'obtenir un taux de solvant sensiblement inférieur à 500 kg CO2/kg huile. Les extraits récupérés dans les pots 3 et 4 ont été réunis en deux lots (cassis 1 et 2) puis centrifugés afin d'éliminer la fraction aqueuse et les solides. Finalement, environ 9 kg d'huile ont été fournis. EXEMPLE II ETUDE DES PARMETES DE L'EXTRACTION A L'ECHLLE INDUSTRIssrE Dans la technique d'extraction d'huile par gaz carbonique supercritique à partir de grandes quantités de pépins de cassis, selon l'exemple I, il s'est avéré que le facteur principal, limitant le rendement d'extraction est la qualité du broyage des pépins. La technique suivante a pour but de quantifier ce phénomène à partir de'5 échantillons de pépins broyés de façon différente. LOT N 1 : broyage très fin LOT N 2 : broyage moyen LOT N 3 : broyage grossier LOT N 4 : broyage à marteau LOT N 5 : produit écrasé La teneur en eau de ces échantillons a été évaluée à 12 %. Les conditions d'extraction sont parfaitement identiques pour les 5 échantillons et correspondent aux conditions que l'on considere comme optimales selon l'expérience. Il est à noter que des moisissures apparaissent rapidement sur les pépins de cassis après leur broyage. Il convient donc de broyer les graines juste avant l'extraction. Conditions opératoires Extraction ...... pression 250 bar température 550C Décompression ... pression 40 bar température 750C Débit de solvant ............. 10-14 kg/h Durée de l'extraction ........ 25-30 minutes RESULTATS : Manipulations On a rassemblé dans le tableau suivant les résultats obtenus. A titre de comparaison, on a ajouté dans le tableau (bref) les résultats obtenus dans un cas ou le broyage avait été réalisé avec un moulin à café. REF EXTRACTION RESULTATS Echantillon débit débit durée poids poids extrait huile extrait i taux CO2 (min) pépin extrait 8 xtrait % oe2 Rr e f 9 25 70 20 28,5 16,1 187 LOT No 1 11 30 52 12,9 24,8 14,0 426 LOT N 2 14,4 25 56,5 13,3 23,5 13,3 451 LOT N 3 10 30 53,9 9,6 17,8 10,0 520 LOT N 4 10 30 81,9 8,6 10,5 5,9 581 LOT N 5 12 25 68,0 6,4 9,4 5,3 781 RES. A. Le pourcentage d'huile extrait a été calculé en considérant que la teneur initiale des pépins en huile est égale à 16,1 %. Ceci dépend en fait de la teneur en eau. Nous avons considéré que la valeur de 12 % d'eau était exacte. B. Le taux de C02 est défini comme étant le rapport du poids de gaz carbonique utilisé sur le poids de produit extrait. . Optimisation A partir de ces résultats (voir graphe ci-après) on peut déterminer les conditions optimales des extractions pour chaque type de broyage. PRESSION : 250 bar IEMPERATURE : 550C ECHANTILLON EXTRACTION TAUX DE OPTIMALE % SOLDANT OPTIMAL LOT N 1 23 150 LOT Nu 2 22 135 LOT No 3 16 - 100 LOT No 4 9 60 LOT N 5 7 45 CCWCLUSICNS Selon les résultats, il est clair que la qualité du broyage est un paramètre important pour l'extraction de l'huile par fluide supercritique. Le rendement de l'extraction diminue rapidement lorsque le diamètre des particules augmente. Ces résultats montrent que, comme en extraction classique. par les solvants organiques, les fluides supercritiques diffusent très lentement à l'intérieur des graines de cassis. Le broyage doit être le plus fin possible sans toutefois produire de trop légères particules qui seraient entrainées par le fluide et pourraient boucher les installations. Un broyage donnant des particules de 200 à 600 microns et de préférence d'environ 300 microns, semble l'optinrum. Cette qualité de broyage peut être obtenue avec des broyeurs à lame tournante comme les moulins à café éléctriques pour des petites unités opératoires. REVENDICATIONS L'invention a pour objet I. Un procédé d'obtention d'huile de pépins de cassis par extraction par fluide supercritique des pépins de cassis caractérisé en ce qu'on soumet la matière première puis à une extraction totale par le gaz carbonique à l'état supercritique pendant 10 à 22 h et à une température comprise entre 50 et 600 puis realise une opération de décompression - chauffage à une pression de 120 à 150 bars et à une température variant de 60 à 700C pour recueillir par un décanteur, la phase lipidique, qui s'est séparée, riche en acides gras insaturés, soumet ensuite le fluide supercritique résiduel à une deuxième opération de décompression - chauffage à une pression comprise entre 35 et 60 bars et à une température allant de 60 à 800 pour recueillir dans un second décanteur une nouvelle fraction lipidique contenant des acides gras insaturés 2. Un procédé selon la revendication 1 dans lequel la température d'extraction par le fluide à l'état supercritique est de préférence de 55 . 3. Un procédé selon la revendication 1 dans lequel la pression d'extraction est de 200 à 300 bars et de préférence entre 240 et 260 bars. 4. Un procédé d'extraction selon la revendication 1 dans lequel la durée d'extraction varie de 10 à 25 heures et de préférence de 15 à 20 heures. 5. Un procédé d'extraction selon la revendication 1 dans lequel la première opération de décompression s'effectue à une pression variant de 110 à 140 bars et de préférence de 115 à 130 bars. 6.-Un procéddé d'extraction selon la revendication 1 dans lequel la première opération de décompression s'effectue à une teEpérature qui varie de 60 et 650. 7. Un procédé d'extraction selon la revendication 1 dans lequel la deuxième opération de décompression s'effectue à une pression qui varie de 45 à 55 bars et de préférence à une pression de 50 bars. 8. Un procédé d'extraction selon la revendication I dans lequel la deuxième opération de décompression s'effectue à une temçerature qui varie de 60 à 650. 9. Les huiles de pépins de cassis ayant une teneur en acide r-linolenique de plus de 10 8, de la masse totale des matières grasses obtenues selon le procédé de l'invention