Brevet FR2925898A1 — publié le 20090703

-1- � Procédé et système d'extraction d'huile essentielle à forte teneur en thymoquinone à partir de la plante de Nigella Sativa � La présente invention concerne un procédé d'extraction d'une huile essentielle à forte teneur en thymoquinone à partir de la plante ou partie de la plante et plus particulièrement la graine de Nigella Sativa. Elle concerne également un système mettant en oeuvre ce procédé. La Nigella sativa L. est une plante annuelle traditionnellement utilisée dans les pays arabes, dans le sous-continent indien et en Europe depuis des millénaires à des fins culinaires et médicinales. La plante est actuellement cultivée principalement dans les régions méditerranéennes et en Asie occidentale. La graine est riche en protéines (20%) et en polysaccharides (32 à 37%). L'huile contenue dans la graine (36% environ) est constituée principalement d'esters du glycérol et d'acides gras essentiels tels que l'acide linoléique, l'acide oléique et l'acide palmitique. La graine contient également 0.4 à 2.5% d'huile essentielle constituée principalement de thymoquinone et de cymène mais également de carvacrol, de t-anethole et d'autres dérivés monoterpéniques. Des alcaloïdes tels que la nigelline, des stérols, des tocophérols ont également été mis en évidence dans la plante. Récemment, l'alpha-hederine, saponine monodesmosidique a été décrite dans la graine. La graine est utilisée comme épice sous forme de graine entière, de graine moulue ou d'huile. Il s'agit aussi d'une plante très utilisée en médecine traditionnelle. C'est un remède naturel pour de nombreuses pathologies. Selon une croyance communément admise chez les musulmans, cette graine est une panacée utilisée pour traiter tout type de maux. Durant les vingt dernières années, de nombreux travaux ont porté sur l'étude de la Nigella sativa, notamment sur les effets biologiques dus aux extraits de la plante ainsi qu'aux principaux constituants (notamment la thymoquinone) sur divers systèmes in vivo et in vitro. De nombreuses activités biologiques et propriétés pharmacologiques ont été mises en évidence telles que des propriétés antioxydants, anti-inflammatoire, analgésique, anticarcinogène, etc. -2- La composition de la graine conduit naturellement à envisager principalement deux types d'extraits : - une huile fixe obtenu par pressage et/ou extraction à l'aide d'un solvant qui contient notamment environ 0.3% de thymoquinone, et - une huile essentielle produite par hydro-distillation ou entraînement à la vapeur d'eau contenant les composés volatils et principalement la thymoquinone. Cependant et bien que cette molécule soit volatile, on ne trouve pas dans le commerce d'huile essentielle de graines de nigelle, bien que de nombreux travaux scientifiques effectués à l'échelle du laboratoire confirment que les graines de nigelle contiennent bien une l'huile essentielle, et qu'une partie de la thymoquinone présente dans les graines est retrouvée dans l'huile essentielle. En effet, la fabrication de l'huile essentielle de nigelle à l'échelle industrielle pose de nombreuses difficultés : - la graine de nigelle contient des saponines, à l'origine de la formation de mousse qui peuvent rendre impossible la distillation à la vapeur, qui est le procédé classique d'extraction des huiles essentielles ; - la thymoquinone est une molécule sensible à la chaleur, à l'oxydation et à l'hydrolyse. Lors de la distillation à la vapeur (pression atmosphérique, température d'environ 100°C), elle se dégrade en particulier en dithymoquinone et en thymohydroquinone. Par conséquent, les huiles essentielles de graines de nigelle ont une teneur faible en thymoquinone et contiennent des composés de dégradation de la thymoquinone ; - la thymoquinone est une molécule dont la température d'ébullition est relativement élevée : 232°C. L'application de la loi de Dalton sur les pressions partielles montre que la thymoquinone n'est pas extraite efficacement quand on effectue la distillation à la vapeur sous vide, c'est à dire à une température plus basse que 100°C pour limiter les risques de dégradation de la thymoquinone ; - bien que la thymoquinone soit considérée comme insoluble dans l'eau, elle est en fait très légèrement soluble dans l'eau (100 mg/I). Quand l'extraction est réalisée sous vide pour limiter les risques de dégradation de la thymoquinone, il est nécessaire d'utiliser une quantité importante de -3- vapeur pour réaliser l'extraction. Par conséquent, on n'atteint pas la limite de solubilité de la thymoquinone en phase aqueuse à partir de laquelle une huile essentielle se formerait ; - la thymoquinone est une molécule solide à température ambiante, température de fusion : environ 45°C. Si la distillation est réalisée sous vide, il est nécessaire de condenser à une température basse pour que la condensation des vapeurs soit complète, mais une partie de la thymoquinone peut être retenue sous forme solide dans le système de condensation. Toutes ces raisons empêchent la production, à l'échelle industrielle par les procédés traditionnels d'hydro-distillation et d'entraînement à la vapeur d'eau, d'une huile essentielle de nigelle à forte teneur en thymoquinone. Un but de l'invention est de proposer un procédé et un système d'extraction d'une huile essentielle à forte teneur en thymoquinone. L'invention propose ainsi un procédé d'extraction d'une huile essentielle présentant une teneur élevée en thymoquinone à partir d'une partie d'une plante de Nigella Sativa ou de nigelle, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - élaboration d'une préparation par mélange d'une partie d'une plante de nigelle à une quantité suffisante d'eau, - extraction, de ladite préparation, d'une eau aromatique comprenant de l'huile essentielle par utilisation conjointe de micro- ondes et d'un vide pulsé, et - séparation de ladite huile essentielle comprenant de la thymoquinone de ladite eau aromatique. Pour l'élaboration de la préparation, la plante de nigelle - ou une partie de la plante et notamment la graine -, peut être utilisée fraîche ou ré-humidifiée par une quantité suffisante d'eau, à savoir environ 1.5 litre d'eau pour 1 kg de plante séchée. La quantité d'eau ajoutée est réajustée en fonction de la teneur initiale en eau de la plante. Le procédé selon l'invention consiste à soumettre une graine ou autre partie de la plante de nigelle à un rayonnement micro-ondes, en l'absence de solvant extractant, permettant au contenu des cellules de la plante d'être éjecté à l'extérieur. Afin de favoriser ce phénomène et dans le -4- but de réaliser l'entraînement azéotropique du produit extrait, la pression de l'enceinte est réduite puis augmentée selon un cycle déterminé. Des techniques d'extraction mettant en oeuvre un rayonnement micro-ondes sont déjà connues de l'homme du métier sous le terme de procédé d'� HydroDistillation par micro-ondes sous vide � ou VMHD. Dans le cadre de la présente invention, des essais ont montré, de manière tout à fait surprenante et imprévisible, que le procédé VMHD permet d'obtenir une huile essentielle à partir d'une partie de la plante de nigelle avec une teneur élevée en thymoquinone et sans composés de dégradation de la thymoquinone, tel que nous le verrons plus loin à l'occasion de la description d'un exemple de réalisation particulier. En effet, les propriétés précitées de la thymoquinone et des différentes techniques utilisées, - à savoir la formation de mousses, la solubilité de la thymoquinone dans l'eau et surtout la faible stabilité de la thymoquinone qui impose des conditions douces et son point d'ébullition élevé -, décourageaient l'homme du métier d'utiliser le procédé VMHD pour l'obtention d'une huile essentielle à partir de la plante de nigelle. Plus précisément, l'étape d'extraction mise en oeuvre dans la présente invention peut comprendre plusieurs itérations des opérations suivantes : - introduction de la préparation, en l'absence de tout solvant extracteur, dans une enceinte à une température dite de consigne comprise entre 60 et 90°C et à une pression atmosphérique, - maintien de la préparation dans l'enceinte à la température de consigne et à la pression atmosphérique, provoquant ainsi une augmentation de la température de la solution et une évaporation d'une partie de la préparation, - diminution de la pression intérieure de l'enceinte à une pression réduite inférieure à la tension de la vapeur d'eau à la température de consigne lorsque la température de la préparation atteint la température de consigne, pendant une durée de l'ordre de 60 secondes, cette diminution de pression provoquant une condensation de la partie évaporée de la préparation, et - récupération de la partie condensée, dite eau aromatique, composée d'eau et d'huile comprenant de la thymoquinone. -5 Le chauffage concomitant de l'enceinte permet de compenser la diminution très rapide de la température résultant de l'évaporation de l'eau de constitution sous l'effet de l'abaissement de la pression dans l'enceinte. Avantageusement, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape préalable de broyage de la partie de la plante de nigelle utilisée pour l'obtention de la préparation, pour obtenir des éléments de dimension inférieure ou égale à 3mm. Avant l'étape d'extraction, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre un ajout à la préparation d'un produit anti-mousse limitant la formation de mousses dues à la présence de saponines. Un tel produit antimousse est bien connu de l'homme du métier. Par ailleurs, la préparation peut être agitée au moins pendant l'étape de maintient de la solution dans l'enceinte à la température de consigne. Préférentiellement la solution est agitée pendant toutes les opérations de l'étape d'extraction de l'eau aromatique à partir de la préparation. La préparation d'une poudre de graines de nigelle peut en outre comprendre un broyage de graines de nigelle. Dans une version particulière de l'invention, l'étape d'extraction de l'eau aromatique peut être itérée un grand nombre de fois, par exemple 12 fois. Des essais ont montré que la quantité d'huile essentielle obtenue à chaque itération diminue. La température de consigne peut être comprise entre 60 et 90°C, en tout cas inférieure à 100°C et plus particulièrement autour de 85°C. Par ailleurs, la pression réduite peut être de l'ordre de 35Ombar. La séparation de l'huile essentielle de l'eau aromatique peut comprendre une extraction de l'huile essentielle par un procédé d'extraction liquide-liquide mettant en oeuvre un solvant approprié non miscible à l'eau. De tels procédés d'extraction sont bien connus de l'homme du métier. Des essais ont montré que le procédé selon l'invention permet d'obtenir une eau aromatique constituée d'eau et d'huile essentielle, laquelle peut être décantée, centrifugée ou purifiée sur membrane ou encore faire l'objet d'une extraction liquide-liquide par un solvant approprié non miscible à l'eau (solvants chlorés, fluorés, autres). -6- Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un système d'extraction d'une huile avec une teneur élevée en thymoquinone à partir d'une partie d'une plante de Nigella Sativa ou de nigelle, ce système comprenant : - des moyens de préparation d'une préparation à partir d'eau et de la partie de la plante de nigelle, - des moyens d'extraction, de ladite préparation, d'une eau aromatique comprenant de l'huile essentielle par utilisation conjointe de micro-ondes et d'un vide pulsé, et - des moyens de séparation de l'eau aromatique et de l'huile comprenant de la thymoquinone. Avantageusement, les moyens d'extraction de l'eau aromatique de la préparation comprennent une enceinte, dite de VMHD, cette enceinte comprenant : - des moyens de chauffage assurant une température dite de consigne comprise entre 60 et 90°C, et une pression atmosphérique dans l'enceinte prévue pour : -recevoir la préparation, en l'absence de tout solvant extracteur, et -maintenir cette préparation à la température de consigne et à la pression atmosphérique, provoquant ainsi une augmentation de la température de la solution et une évaporation d'une partie de la préparation, - des moyens d'émission de micro-ondes dans l'enceinte, - des moyens de diminution de la pression intérieure de l'enceinte à une pression réduite inférieure à la tension de la vapeur d'eau à la température de consigne lorsque la température de la préparation atteint la température de consigne, pendant une durée de l'ordre de 60 secondes, cette diminution de pression provoquant une condensation de la partie évaporée de la préparation, et -des moyens de récupération de la partie condensée, dite eau aromatique, composée d'eau et d'huile comprenant de la thymoquinone. -7- Les moyens de diminution de la pression peuvent comprendre une pompe à vide réalisant des vides pulsés dans l'enceinte. Par ailleurs, les parois de l'enceinte peuvent être munies d'une double enveloppe alimentée par une pompe de circulation via une canne chauffante électrique. Enfin, les moyens de préparation de la préparation peuvent comprendre une grille de broyage inférieure ou égale 3mm, prévue pour broyer la partie de la plante de nigelle, le broyat obtenu étant ensuite mélangé à de l'eau pour obtenir la préparation. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif. L'outil d'extraction VMHD est composé d'une enceinte d'un volume de 10 litres utiles. La paroi de l'enceinte est thermostatée par une double enveloppe alimentée par une pompe de circulation via une canne chauffante électrique. L'enceinte est équipée de moyens permettant l'agitation de la charge. On peut introduire dans l'enceinte des micro-ondes émises par un générateur à la fréquence de 2450 MHz. L'outil d'extraction est également équipé d'une pompe à vide à anneau liquide, et de moyens de condensations des vapeurs constitué d'un condenseur tubulaire horizontal et d'un condenseur à serpentin. Le condenseur tubulaire, le plus proche de l'enceinte d'extraction, est refroidi par de l'eau à environ 20°C, le condenseur à serpentin est refroidi par de l'eau à 20°C. Les condensats sont récupérés dans une recette d'un volume utile de 1 litre. Selon un premier exemple, un kilogramme de graines de nigelle, de teneur en matière sèche égale à 93,0 %, est broyé avec un broyeur à marteaux Forplex F00 mettant en ouvre une grille de 2 mm. Une préparation est obtenue par ajout des graines broyées à 1,5 kg d'eau. A la préparation est ajouté 5 g d'anti-mousse EROL 520SX. La préparation est ensuite placée à l'intérieur de l'enceinte de l'outil d'extraction VMHD. La paroi thermostatée de l'enceinte d'extraction a été préalablement réglée à la température de 85°C. Le chargement effectué, l'agitation de la charge est mise en oeuvre à la vitesse de 75 tours par minute. -8- La puissance émise par le générateur micro-ondes est de 1150 W et la puissance réfléchie est comprise entre 5 et 25 W. Au cours de l'opération d'extraction, la puissance effectivement absorbée est donc comprise entre 1125 et 1145 W. La température du produit augmente depuis la température ambiante jusqu'à atteindre la température de 85°C, et une partie de l'eau contenue dans la préparation s'évapore. La pression est alors abaissée à 350 mbar pendant une durée de 60 secondes. La vapeur d'eau est condensée dans le système de condensation et récupérée dans la recette : le condensat récupéré est de l'eau aromatique comprenant de l'eau et de l'huile essentielle à forte teneur en thymoquinone. En raison de l'effet endothermique de l'évaporation de l'eau, la température de la charge descend jusqu'à environ 75°C. Au bout des 60 secondes, l'enceinte est remise sous pression atmosphérique. La recette est vidée et les condensas sont récupérés. La quantité d'extrait récupéré pendant une phase sous vide de 60 secondes est d'environ 100 grammes. Sous pression atmosphérique, la température de la charge augmente jusqu'à atteindre de nouveau la température de 85°C et une pression de 350 mbar est à nouveau appliquée pendant 60 secondes dans l'enceinte. Au total, 12 phases de 60 secondes à 350 mbar sont réalisées. Ces douze itérations permettent de récupérer une quantité totale d'eau aromatique de 1050 grammes. La durée totale de l'extraction est de 36,5 minutes à partir du début d'émission des micro-ondes. La quantité de condensats récupérés pendant une phase sous vide tend à diminuer au cours de l'extraction. Ainsi, la quantité d'extrait récupéré pendant la 12ème phase sous vide est de 70 grammes. Les 1050 grammes d'extrait constitués d'eau et d'huile essentielle sont ensuite décantés pour isoler une huile essentielle de nigelle titrant entre 50 et 90% de thymoquinone, inférieure à 5 % en thymohydroquinone et dithymoquinone et entre 2 à 4% en cymène. Une extraction liquide-liquide par un solvant approprié non miscible à l'eau (solvants chlorés, fluorés, autres) peut aussi être utilisée. Dans un deuxième exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on réitère les différentes étapes du premier exemple, mais au -9- lieu d'utiliser une grille de 2mm, on utilise une grille de 3mm. La quantité totale d'eau aromatique extraite est de 1050 grammes. La durée totale de l'extraction depuis le début d'émission des micro-ondes est de 37 minutes. Dans un troisième exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on n'utilise pas de grille lors du broyage. La quantité totale d'eau aromatique extraite est de 1025 grammes et la durée totale de l'extraction depuis début émission micro-ondes est de 32,5 minutes. Dans un quatrième exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, une grille de 2 mm est utilisée lors du broyage. La température de consigne n'est plus de 85 °C mais seulement de 75°C. La pression réduite est de 250 mbar pendant la phase de mise sous vide et non de 350 mbar. La quantité d'eau aromatique extraite à la première itération est de 90 grammes et à la 12ème itération est de 60 grammes. La quantité totale obtenue est de 875 grammes pendant une durée de totale d'extraction de 29 minutes depuis début émission des micro-ondes. Pour comparaison, dans une extraction au dichlorométhane à partir de 100 g de nigelle broyé, 1 litre de dichlorométhane donne après agitation à température ambiante pendant 1 h puis filtrage et évaporation du solvant à sec, un extrait titrant 0.3% de thymoquinone et constitué principalement de triglycérides d'acide linoléique (56%) oléique (23%) et palmitique (11%). Toujours à des fins de comparaison, une extraction par hydrodistillation dans laquelle 20 g de nigelle broyée est placé dans un ballon auquel est ajouté 400 ml d'eau, le mélange étant ensuite porté à ébullition sous agitation magnétique, produit un condensat qui est soumis à une extraction au dichlorométhane et donne environ 20 mg d'extrait à 0. 7 % de thymoquinone. Le tableau suivant donne une comparaison des résultats respectivement obtenus avec le procédé selon l'invention, un procédé d'extraction au dichlorométhane et un procédé d'extraction par hydrodistillation :35 -10- Procédé VMHD HydroDistillation Dichlorométhane d'extraction Lipides Nd Faible Majoritaire THQ et DTQ Très faible Important + autres nd produits de dégradation Profil CCM Nd intense nd THQ et DTQ Dosaqe HPLC 59% 0.7% 0.3% Teneur en thymoquinone Le procédé selon l'invention permet donc : - une utilisation d'anti-mousse permettant de limiter la formation de mousses dues à la présence de saponines ; - une limitation du temps de contact entre la phase aqueuse et la phase huileuse pour maîtriser la formation de produits de dégradation tels que la thymohydroquinone ; - un réglage de différents paramètres du procédé VMHD pour éviter l'entraînement de résidus lipidiques dans l'huile essentielle ; et - un rendement de récupération satisfaisant par optimisation des paramètres du procédé VMHD, notamment le temps et la température mais également le broyage. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extraction d'une huile essentielle présentant une teneur élevée en thymoquinone à partir d'une partie d'une plante de Nigella Sativa ou de nigelle, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : -extraction d'une eau aromatique comprenant de l'huile essentielle par utilisation conjointe de micro-ondes et d'un vide pulsé, et - séparation de ladite huile comprenant de la thymoquinone de ladite eau aromatique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'extraction est réalisée directement à partir d'une plante fraîche de Nigella Sativa. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape préalable d'élaboration d'une préparation par mélange d'une partie d'une plante de nigelle à une quantité suffisante d'eau. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'extraction comprend plusieurs itérations des opérations suivantes : - introduction de la préparation, en l'absence de tout solvant extracteur, dans une enceinte à une température dite de consigne comprise entre 60 et 90°C et à une pression atmosphérique, - maintien de ladite préparation dans ladite enceinte à la température de consigne et à la pression atmosphérique, provoquant ainsi une augmentation de la température de ladite solution et une évaporation d'une partie de ladite préparation, - diminution de la pression intérieure de l'enceinte à une pression réduite inférieure à la tension de la vapeur d'eau à ladite température de consigne lorsque la température de ladite préparation atteint ladite température de consigne, pendant une durée de l'ordre de 60 secondes, ladite diminution de pression provoquant une condensation de ladite partie évaporée de ladite préparation, et- 12 - - récupération de la partie condensée, dite eau aromatique, composée d'eau et d'huile comprenant de la thymoquinone. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre 5 d'itérations est autour de 12. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la préparation est agitée au moins pendant l'étape de maintien de la solution dans l'enceinte à la température de consigne. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 6, caractérisé en ce que la température de consigne est de 85°C. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en 15 ce que la pression réduite est de l'ordre de 35Ombar. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de broyage de la partie de la plante de nigelle utilisée pour l'obtention de la préparation. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, avant l'étape d'extraction, un ajout à la préparation d'un produit anti-mousse limitant la formation de mousses dues à la présence de saponines. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la séparation de l'huile essentielle de l'eau aromatique comprend une extraction liquide-liquide par un solvant approprié non miscible a l'eau. 30 12. Système d'extraction d'une huile avec une teneur élevée en thymoquinone à partir d'une partie d'une plante de Nigella Sativa ou de nigelle, mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit système comprenant : 10 20 25- 13 - - des moyens de préparation d'une préparation à partir d'eau et de ladite partie de la plante de nigelle, - des moyens d'extraction, à partir de ladite préparation, d'une eau aromatique comprenant de l'huile essentielle par utilisation conjointe de micro-ondes et d'un vide pulsé, et - des moyens de séparation de l'eau aromatique et de ladite huile comprenant de la thymoquinone. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens d'extraction de l'eau aromatique de la préparation comprennent une enceinte incluant: - des moyens de chauffage assurant une température dite de consigne comprise entre 60 et 90°C et une pression atmosphérique dans ladite enceinte prévue : - pour recevoir ladite préparation, en l'absence de tout solvant extracteur, et - maintenir ladite préparation à la température de consigne et à la pression atmosphérique, provoquant ainsi une augmentation de la température de ladite solution et une évaporation d'une partie de ladite préparation, -des moyens d'émission de micro-ondes dans ladite enceinte, - des moyens de diminution de la pression intérieure de ladite enceinte à une pression réduite inférieure à la tension de la vapeur d'eau à ladite température de consigne lorsque la température de ladite préparation atteint ladite température de consigne, pendant une durée de l'ordre de 60 secondes, ladite diminution de pression provoquant une condensation de ladite partie évaporée de ladite préparation, et - des moyens de récupération de la partie condensée, dite eau aromatique, composée d'eau et d'huile comprenant de la thymoquinone. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de diminution de la pression comprennent une pompe à vide. 2925898 - 14 - 15. Système selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent un double enveloppe alimentée par une pompe de circulation via une canne chauffante électrique, ladite double enveloppe faisant partie d'au moins une 5 des paroi de ladite enceinte. 16. Système selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que les moyens de préparation de la préparation comprennent une grille de broyage prévue pour broyer la partie de la plante de nigelle, le 10 broyat obtenu étant ensuite mélangé à de l'eau pour obtenir la préparation.