Brevet FR2902978A3 — publié le 20080104

FR 2902978 A3 20080104 FR 0606036 A 20060629 1 La présente invention concerne la conception d'un additif nutritionnel destiné aux animaux d'élevage. L'acide butyrique, est une molécule naturelle, liquide à température ambiante. C'est un acide gras à chaîne courte, 4 atomes de carbone, de formule CH3CH2CH2OOOH. L'acide butyrique est présent dans le tube digestif de tous les animaux. Il est apporté soit par l'alimentation (lait) ou obtenu par la fermentation des glucides, principalement de certaines fibres alimentaires, par les bactéries intestinales. L'acide butyrique est largement connu pour ses effets bénéfiques sur le métabolisme général : 1 Rôle dans la différentiation cellulaire, Swarosky et al, 1985 2 Rôle dans les réductions du développement des cellules cancéreuses du colon, Bras-Goncalves et al, 2001 3 Rôle sur la stimulation des sécrétions pancréatiques, Kato et al, 1989. 4 Inhibition du développement de la flore digestive pathogène, Van Immersel et al, 2005 5 Source d'énergie pour les entérocytes, Beaulieu et al, 2002 Ainsi grâce à ses effets sur le métabolisme général et principalement par ses effets sur la santé du tube digestif et par l'amélioration des fonctions digestives, l'acide butyrique peut être considéré aujourd'hui comme un facteur de croissance pour les animaux d'élevage en contribuant à l'amélioration des performances technicoéconomiques, S. Leeson et al, 2005. Cette molécule est d'autant plus intéressante qu'elle est totalement métabolisée, ne produit pas de résidus et est totalement inoffensive pour la santé des animaux et des 25 consommateurs de produits animaux. L'acide butyrique est d'autre part utilisé comme composant de nombreux arômes et permet à ce titre d'augmenter l'appétence des aliments. Toutefois, c'est aussi une molécule volatile dont l'odeur très désagréable est détectable même en très faible quantité, 0.001 ppm contre 0.16 ppm et 49 ppm respectivement pour les acides propionique et formique. 30 Cette pollution olfactive est un frein à son utilisation à large échelle. Pour réduire cette odeur, des sels de sodium ou de calcium d'acide butyrique sont utilisés. Beaucoup moins volatils mais pulvérulents, ils libèrent dans l'environnement des poussières et des quantités suffisantes d'acide butyrique pour que de nombreuses usines refusent d'utiliser ces produits pour la maitrise des odeurs et le confort de leurs opérateurs. 2902978 2 Les sels d'acide butyrique sont produits par réaction acide (acide butyrique) + base (soude, etc...) pour produire un sel d'acide butyrique. Il existe aujourd'hui 2 voies principales de synthèse : Option A : Production par voie liquide 5 Elle est obtenue par la réaction acide base en solution aqueuse, le produit est ensuite séché et atomisé. La poudre obtenue est très pulvérulente Option B : Production en phase sèche Elle se réalise par pulvérisation d'acide butyrique liquide sur les bases en poudre (carbonate de sodium ou calcium, Phosphate de sodium, etc...). La 10 poudre obtenue est également très pulvérulente et la réaction n'est pas toujours complète car le contact entre les réactifs en phase sèche n'est pas total et le produit final contient toujours de l'acide butyrique n'ayant pas réagit. Ces deux voies produisant des poudres trop pulvérulentes, ces poudres peuvent être 15 enrobées avec des lipides (stéarine, stéarate, ...) pour éviter la poussière et le contact direct avec l'air. Dans ce cas le surcout du traitement réduit l'intérêt technico-économique des sels d'acides butyrique. Le principe de l'invention consiste à effectuer la réaction acide/base dans une 20 matrice lipidique qui est un milieu réactionnel liquide pour la synthèse du sel d'acide et qui en refroidissant devient le support structurel solide du produit fini. Cette matrice lipidique présente plusieurs avantages lors de la production et pour la présentation du produit final riche en sel d'acide butyrique : 1 Le milieu réactionnel est liquide lors de la synthèse chimique, la réaction acide base est totale car les réactifs sont en contact direct. 2 Ce milieu réactionnel n'est pas volatil. L'acide butyrique étant soluble dans ce milieu, il y aura moins d'évaporation lors de la réaction, donc moins de problème d'odeur pendant la production. 3 Après refroidissement, le milieu réactionnel liquide solidifie et devient le support structurel. Il emprisonne les produits de la réaction dont le butyrate de sodium, limitant ainsi l'odeur du produit final. 4 Après refroidissement, les microparticules lipidiques obtenues ne sont pas pulvérulentes comme les poudres obtenues lors des réactions actuelles, options A ou B. C'est un aspect important pour les utilisateurs finaux. 30 2902978 3 La réaction acide-base est très rapide dans le milieu réactionnel liquide (de quelques secondes à quelques minutes). Le produit obtenu, mélange de sel d'acide butyrique et des autres produits de la réaction en solution dans la phase lipidique va être solidifié par refroidissement car les huiles sont choisies pour être liquides au dessus de 5 60 C mais solides en deçà. Le produit final peut-être également totalement ou partiellement séché (par évaporation de l'eau initiale ou produite par la réaction acide-base) pour augmenter la concentration en sel de butyrate. Lors de la phase de refroidissement, le mélange passe dans un pulvérisateur ce qui permet d'obtenir les microparticules non pulvérulentes. 10 Par conséquent, le désagrément olfactif est extrêmement réduit par rapport aux 2 options A et B de production classique. 1/ Le milieu réactionnel : la matrice lipidique liquide : La matrice lipidique doit être composée d'huiles solides à température ambiante 15 mais liquides au dessus de 60 C environ. Ces huiles peuvent être des stéarines, des stéarines hydrogénées, des mélanges d'acides gras libres saturés (acide stéarique, palmitique, ...). L'avantage des stéarines, hydrogénées ou non, composées de triglycérides est qu'elles sont moins réactives avec les bases que les acides gras libres car leur fonction acide est déjà estérifiée par le glycérol. 20 La matrice lipidique est tout d'abord portée à température de l'ordre de 50-70 C de façon à devenir le milieu réactionnel liquide et constitue de 20 à 70% du mélange total, en moyenne 50%. Il est souhaitable d'adjoindre un émulsifiant de 0.5 à 5%, en moyenne 3%, aux huiles utilisées de façon à homogénéiser le mélange réactionnel et le produit final car les 25 bases utilisées peuvent être des poudres mais aussi des solutions aqueuses et certaines réactions chimiques vont produire de l'eau. Un émulsifiant permet d'homogénéiser les phases aqueuses, initiales ou issues de la réaction, avec la matrice lipidique. Il est également possible de rajouter dans le milieu réactionnel après la fin de la réaction différentes molécules dont l'action va compléter celle des sels de l'acide butyrique. Ces molécules peuvent être dérivées (acide gras libres, esters, sels, etc...) d'acides gras à chaîne courte ou moyenne (acides caproïque, caprylique, caprique, laurique, myristique, ...), poly-insaturés à chaîne longue (acides linoléique, éicosapentanoïque, docosahexanoïque,...), des huiles essentielles, des molécules prébiotiques (oligosaccharides, fibres, etc...), substances aromatiques, ... 2902978 4 2/ Les réactifs : les bases utilisées : Les bases qui sont utilisées peuvent être de différente nature chimique : - des hydroxydes (soude, NaOH dilution aqueuse entre 30% et 90% ou hydroxyde de calcium, CaOH2) 5 - des carbonates (carbonate de sodium, Na2CO3 ou carbonate de calcium CaCO3) - des phosphates (phosphate trisodique, Na3PO4) . 3/ Les réactifs : l'acide utilisé est l'acide butyrique. 10 L'acide butyrique doit être le plus concentré possible pour que le produit final soit le plus riche en sel d'acide butyrique. L'acide butyrique 99% est donc le meilleur réactif. 4/ Les réactions chimiques possibles : Les proportions acides/bases utilisées sont équimolaires avec un léger excès de base 15 de façon à maintenir un pH final alcalin garantissant une meilleure stabilité des sels. Différentes réactions acide butyrique/base peuvent ainsi être réalisées dans le milieu réactionnel liquide. Voici des exemples de réactions les plus intéressantes à réaliser dans la matrice lipidique liquide : 20 Réaction A : Carbonate de sodium : Réaction équimolaire: Réactifs C4H802 Na2CO3 Masse molaire 88 106 % 45.4% 54.6% C4H802: acide butyrique C4H700Na : Butyrate de sodium Na2CO3 : Carbonate de sodium NAHCO3 : Bicarbonate de soude Les produits finaux sont le butyrate de sodium et le bicarbonate de soude. Réaction B : Carbonate de sodium : Réaction bi-molaire : Produits NAHCO3 C4H700Na 84 110 43.3% 56.7% Réactifs C4H802 Na2CO3 Masse molaire 176 106 % 62.4% 37.6% Produits C4H700Na CO2 H2O 220 44 18 Total 78.0% 15.6% 6.4% Perte de CO2 92.4% 7.6% Perte d'eau 100.0% 25 CO2 : Dioxyde de carbone H2O : Eau 2902978 5 Les produits finaux sont le butyrate de sodium, le dioxyde de carbone gazeux qui s'échappe (15.6%) et l'eau 7.6% qui s'évapore en partie. Après évaporation du dioxyde de carbone on va obtenir un mélange titrant 92.4% de butyrate de sodium, avec l'évaporation de l'eau on approche les 100%. 5 Réaction C : Soude poudre : Réaction équimolaire Réactifs C4H802 NaOH Poids molaire 88 40 68.8% 31.2% C4H700Na H2O Réaction 110 18 Total 85.9% 14.1% Perte d'eau 100% NaOH : Soude Les produits finaux sont le butyrate de sodium, et l'eau 14.1%. Après évaporation de l'eau on approche les 100% de concentration en butyrate de sodium. 10 Réaction D : Soude solution aqueuse 50% : Réaction équimolaire Réactifs C4H802 NaOH, H2O Poids molaire 88 40,18 (x2.22moles) 52.4% 47.6% Produits C4H700Na H2O Réaction H2O initial 110 18 40 Total 65.5% 10.7% 23.8% Perte d'eau 100% Les produits finaux sont le butyrate de sodium, et l'eau 34.5% dont 10.7% provient de la réaction acide-base et 23.8% proviennent de l'eau initialement présente dans la solution de soude à 50%. 15 L'avantage de cette réaction par rapport à la réaction C, est que l'émulsion est plus facile à réaliser car la miscibilité de la soude poudre dans l'huile liquide nécessite une poudre très fine. On approche les 100% de concentration en butyrate de sodium après évaporation de l'eau. 20 Réaction E : Hydroxyde de calcium : Réaction équimolaire: Réactifs Produits C4H802 Ca(OH)2 (C4H70)2Ca H2O Masse molaire 176 74.1 214.1 36 % 70.4% 29.6% 85.6% 14.4% Perte d'eau 100% Ca(OH)2: Hydroxyde de calcium (C4H70)2Ca : butyrate de calcium Dans ce cas les produits finaux sont le butyrate de calcium et l'eau. 2902978 6 5/ Le choix des proportions entre la matrice lipidique et les réactifs bases et acide : La proportion entre la matrice lipidique et les réactifs est optimisée pour être un compromis entre un minimum de support réactionnel qui garantit une bonne répartition des substrats et un maximum de support structurel pour éviter une trop grande dilution des 5 produits finaux. L'ensemble des réactions chimiques précédentes est bien maitrisée dans un rapport matrice/réactif de 50/50. La proportion de matrice peut être de l'ordre de 20 à 70%. Ainsi, avec une utilisation de 50% de matrice lipidique au départ, les produits finaux c'est-à-dire le sel d'acide, les autres produits et le support structurel (matrice 10 lipidique solidifiée) seront les suivants : Réaction A : Carbonate de sodium : Réaction équimolaire: C4H7OONa 28.3% NAHCO3 21.7% Support structurel 50 % 15 20 C4H7OONa CO2 H2O Support structurel 1 39.0% 7.8% 3.2% 50% Perte de CO2 42.30% 3.47% 54.23% Perte d'eau 43.82% 56.18% C4H7OONa H2O Support structurel 43% 7% 50% Perte d'eau 46.2% 53.8% Réaction B : Carbonate de sodium : Réaction bi-molaire : Réaction C : Soude poudre : Réaction équimolaire Réaction D : Soude solution aqueuse 50% : Réaction équimolaire C4H7OONa H2O Support structurel 1 32.8% 17.2% 50% e d'eau 39.6% 60.4% Réaction E : Hydroxyde de calcium : Réaction équimolaire: (C4H70)2Ca H2O Support structurel Total 42.8% 7.2% 50% Perte d'eau 46.1 % 53.9% Total Pert Tota 1 Pert Tota Perte 2902978 6/ Etapes de fabrication : Le processus de fabrication comporte 6 étapes. Ces étapes figurent sur le schéma intitulé : Les différentes étapes de production . a/ Transformation de la matrice lipidique en support réactionnel liquide : Il s'agit donc du chauffage au-delà de 50 à 70 C, en moyenne 60 C, de la matrice lipidique qui passe de l'état solide à l'état liquide. Cette matrice va représenter 20 à 70% du mélange total, en moyenne 50%. 10 b/ Addition d'émulsifiant dans le support réactionnel : Il peut être ajouté environ 0.5 à 5% d'émulsifiant dans le support réactionnel, en moyenne 3%. L'émulsifiant est mélangé par agitation, il est particulièrement utile dans le cas où la base est elle-même une solution aqueuse 15 (Soude aqueuse) ou lorsque la réaction acide-base va produire de l'eau. c/ Mélange des bases dans le support réactionnel : Les bases sous forme de poudre (Na2CO3, NaOH , CaOH2) ou sous forme de solution liquide ( NaOH 50%) sont mélangées par agitation dans le support 20 réactionnel liquide de façon à bien homogénéiser le milieu. d/ Mélange de l'acide butyrique : L'acide butyrique est incorporé dans le milieu qui est homogénéisé par agitation. e/ Réaction acide-base : La réaction exothermique acide-base commence dés l'introduction de l'acide butyrique, produisant le sel d'acide butyrique et les autres substrats qui restent en suspension dans le milieu réactionnel liquide. f/ Complexification du produit final : Pour des raisons techniques (amélioration de la performance du produit) comme pour des raisons commerciales (élargissement de l'offre), il est également possible de rajouter dans le milieu réactionnel, après la fin de la réaction, 7 5 25 30 2902978 8 différentes molécules dont l'action va compléter celle des sels de l'acide butyrique. Ces molécules peuvent être dérivées (acide gras libres, esters, sels, etc...) d'acides gras à chaîne courte ou moyenne (acides caproïque, caprylique, caprique, laurique, myristique, ...), poly-insaturés à chaîne longue (acides linoléique, 5 éicosapentanoïque, docosahexanoïque,...), des huiles essentielles, des molécules prébiotiques (oligosaccharides, fibres, ...), des substances aromatiques... g/ Refroidissement et mise en forme du produit final : La réaction acide base terminée, la température commence à décroitre. Le 10 produit final est refroidi et se présente après passage dans un pulvérisateur sous la forme de microparticules lipidiques non pulvérulentes dont la structure physique est déterminée par la nature lipidique de la matrice de base qui emprisonne les produits des réactions chimiques, notamment le sel d'acide butyrique. 2902978 9 LES DIFFERENTES ETAPES DE PRODUCTION Composants du mélange + étapes de production de a à g Matrice lipidique j a+b : Chauffage à plus de 60 C + addition d'émulsifiant LMilieu réactionnel liquide Ernuisifiant Composants à incorporer Emulsifiantl c : Mélange de la base dans le milieu réactionnel liquide v Base Milieu réactionnel liquide Emulsifiant Base d : Mélange de l'acide butyrique dans le milieu liquide contenant la base Acide butyrique Milieu réactionnel liquide Emuleant Base Acide butyrique e : Réaction acide base produisant le sel d'acide butyrique Milieu réactionnel liquide Emulsifiant Sel d'acide butyrique Autres produits * f : Complexification en rajoutant d'autres molécules synergiques du v butyrate (autres dérivés d'acides gras, huiles essentielles, pré-biotiques, etc... Milieu réactionnel liquide Emuisifiant Molécules actives Sel d'acide butyrique Autres produits * g_ Refroidissement et mise en forme SuoDort structurel solide Sel d'acide butyrique ]molécules activeslAutres produitslEmulsifiant : Autres produits = eau, CO2, etc... Mutolécules actives 2902978 10 REFERENCES BEAULIEU A, DRACKLEY J., OVERTON T., EMMERT L., 2002, Isolated canine and murine intestinal cells exhibit a different pattern of fuel utilization for oxidative 5 metabolism, J. Anim. Sci. 80:1223-1232 BRAS GONCALVES R., POCARD M., FORMENTO JL,POIRSON-BICHAT F., DE PINIEUX G., PANDREA I., ARVELO F., RONCO G, VILLA P., COQUELLE A., MILAN G., LESUFFLEUR T., DUTRILLAUX B.POUPN MF., 2001, Synergistic 10 Efficacy of 3n-Butyrate and 5-Fluorouracil in Human Colorectal Cancer Xenografts via Modulation of DNA Synthesis Gastroenterology, Volume 120, Issue 4 , March 2001, Pages 874-888 FALCY M., MALARD S., 2005, Comparaison des seuils olfactifs de substances chimiques 15 avec des indicateurs de sécurité utilisés en milieu professionnel, 2005, INRS, Hygiène et sécurité du travail, Cahier de notes documentaires 1er trimestre 2005, 198/21 KATO S; ASAKAWA N, MINEO H; USHIJIMA J, 1989,Effect of short-chain fatty acids on pancreatic exocrine secretion in calves aged 2 weeks and 13 weeks. Nippon Juigaku 20 Zasshi. 51(6):1123-7 (ISSN: 0021-5295) LEESON S; NMAKUNG H; ANTOGIOVANNI M; LEE EH, 2005, Effect of butyric acid on the performance and carcass yield of broiler chickens, Poult Sci. ; 84(9):1418-22 25 PALMQUIST, D.L., 1996, Utilisation des lipides dans l'alimentation des ruminants, XII Curso de especializacion FEDNA, Madrid, 7-8 novembre 1996. SWAROSKY B, EISSELE R, EISENACHER M, TRAUTMANN ME, ARNOLD R, 1985, Sodium butyrate induces neuroendocrine cytodifferentiation in the insulinoma ceil 30 line RINm5F. The Journal of physiology, Vol 364, Issue 1 281-288 VAN IMMERSEL F; BOYEN F; GANTOIS I; TIMBERMONT L; BOHEZ L; PASMANS F; HAESEBROUCK F; DUCATELLE R, 2005, Supplementation of coated butyric acid in the feed reduces colonization and shedding of Salmonella in poultry. Poult Sci.; 84(12):1851-6 REVENDICATIONS 1 / Additif nutritionnel pour animaux composé de sels d'acide butyrique dont la synthèse réalisée par une réaction entre l'acide butyrique et des bases telles que le carbonate de sodium, l'hydroxyde de sodium ou de calcium a été effectuée dans un milieu réactionnel liquide constituant de 20 à 70%, en moyenne 50% du volume total. 2/ Additif nutritionnel pour animaux composé de sels d'acide butyrique obtenus par réaction entre l'acide butyrique et des bases selon la revendication 1 dont le milieu réactionnel liquide servant de support à la synthèse est constitué de lipides liquides à température supérieure à 50-70 C, en moyenne 60 C, et solides au dessous, tels que les stéarines, hydrogénées ou non, des acides gras libres hydrogénés, additionné d'émulsifiant, 0.5 à 5%, en moyenne 3% pour assurer une meilleure homogénéité entre réactifs, produits et matrice lipidique, 3/ Additif nutritionnel pour animaux composé de sels d'acide butyrique obtenus par réaction entre l'acide butyrique et des bases selon la revendication 1 dont le milieu réactionnel liquide est constitué de lipides liquides à température supérieure à 60 C et solides au dessous de 60 C selon la revendication 2 et dont la présentation en microparticules est obtenue par la solidification après refroidissement du milieu réactionnel liquide. 4/ Additif nutritionnel pour animaux composé de sels d'acide butyrique obtenus par réaction entre l'acide butyrique et des bases selon la revendication 1 dont le milieu réactionnel liquide est constitué de lipides liquides à température supérieure à 60 C et solides au dessous de 60 C selon la revendication 2 et dont la présentation en microparticules est obtenue par la solidification après refroidissement du milieu réactionnel liquide selon la revendication 3 et qui peut être complexifié par l'addition dans le mélange avant solidification de molécules à action synergique de celle des sels de l'acide butyrique. Ces molécules peuvent être dérivées (acide gras libres, esters, sels, etc...) d'acides gras à chaîne courte ou moyenne (acides caproïque, caprylique, caprique, laurique, myristique, ... ), poly-insaturés à chaîne longue (acides linoléique, éicosapentanoïque, docosahexanoïque,...), des huiles essentielles, des molécules prébiotiques (oligosaccharides, fibres,...), des substances aromatiques, ....