Brevet FR3034625A1 — publié le 20161014

Solvant eutectique d'extraction, procédé d'extraction par eutectigénèse utilisant ledit solvant, et extrait issu dudit procédé d'extraction D'une manière générale, la présente invention concerne : - un solvant eutectique d'extraction de matériel biologique végétal et/ou animal et/ou procaryote - l'utilisation dudit solvant eutectique d'extraction pour la mise en oeuvre d'un procédé d'extraction de composés biologiques naturels - un procédé d'extraction de composés biologiques naturels tels que les composés phénoliques, utilisant ledit solvant - l'extrait liquide biologique naturel issu de la mise en oeuvre dudit procédé d'extraction Plus particulièrement, la mise en oeuvre de l'invention est permise par un mélange dosé de bétaïne ou de formes hydratées de la bétaïne, d'au moins un donneur de liaisons hydrogène choisi parmi le groupe des polyols ou le groupe des acides organiques, et de l'eau, en vue de l'obtention d'une synergie d'extraction des composés naturels du matériel biologique utilisé. 1. ART ANTÉRIEUR La bétaïne est une forme triméthylée de glycine découverte pour la première fois dans le jus de betterave à sucre. De par sa structure et ses propriétés physico-chimiques, cette molécule naturelle revêt un intérêt particulier dans le secteur de la cosmétique, de la pharmaceutique, de l'alimentation et de la nutrition/santé. Elle est notamment utilisée pour ses propriétés hydratantes, émollientes et humectantes dans le maintien de la teneur en eau d'un cosmétique, mais également dans la préservation d'une balance hydrique optimale de la peau. Cet effet bénéfique résulte d'un positionnement particulier à l'interface des cellules du derme humain. En outre, la bétaïne est un osmolyte naturel qui protège les cellules humaines - tout comme celles des plantes - du stress osmotique. Lorsqu'apportée par l'alimentation ou par supplémentation nutraceutique, cette molécule joue un rôle 3034625 2 protecteur au niveau hépatique en permettant une méthylation suffisante de certaines enzymes du foie. Des troubles liés au métabolisme hépatique des lipides ont également été relevés lors d'un apport insuffisant en bétaïne pouvant conduire à une stéatose (Craig, 2004). 5 En marge de son rôle physiologique et technologique, la bétaïne est peu chère (- 10 euros/kg), biosourcée et non toxique. C'est un métabolite primaire produit en quantités considérables lors du traitement de la betterave à sucre pour la production de saccharose, représentant jusqu'à 30 % de la mélasse ainsi obtenue. Compte tenu de ces quantités industrielles, des stocks de bétaïne non valorisée ou faiblement valorisée demeurent. Le 10 déglaçage des routes avec du jus de betteraves riche en bétaine obtenus après extraction du sucre est un exemple parmi d'autres de l'emploi de ce composé dans des secteurs à très faible valeur ajoutée. De nouvelles applications sont donc recherchées sur des marchés de niche. La bétaïne est certes valorisée dans la préparation de cocamiclopropyl bétaïne, utilisée en cosmétique comme agent tensioactif, mais ce produit chimique est issu d'une 15 synthèse organique. Dans un contexte où l'artificialité est de plus en plus décriée, cette voie de valorisation apparait plus que jamais compromise. Ainsi, les évolutions sociétales, économiques et réglementaires associées aux souhaits des consommateurs d'aller vers plus de naturalité poussent à l'utilisation de substances naturelles dans des procédés peu coûteux en énergie (faible température) et respectueux de l'environnement. 20 Sur ce dernier point, d'ailleurs, un problème connexe souvent rencontré par l'homme de l'art est celui de la thermosensibilité élevée de molécules d'intérêt, au premier rang desquelles les composés naturels contenant des noyaux aromatiques substitués par des groupements hydroxyles (composés phénoliques, alcools, acides et esters phénoliques, flavonoides, tannins, stilbènes et terpènes phénoliques). Citons également la partie 25 saccharidique des saponines et des triterpènes ainsi que les systèmes insaturés conjugués des terpènes et des caroténoïdes qui s'isomérisent ou s'oxydent au-delà de 60-70 C. Une caractéristique essentielle de la bétaïne est la combinaison d'une fonction ammonium quaternaire avec un acide carboxylique, lesquels sont particulièrement bien adaptés à la solubilisation et à l'extraction de substances polaires ou amphiphiles, 30 notamment par formation de liaisons hydrogène et/ou ioniques avec le soluté à extraire. Dans une approche guidée par les principes de la chimie verte et de l'éco-extraction, il serait avantageux de pouvoir l'utiliser à la fois comme principe actif et comme fluide extractant en 3034625 3 mélange avec d'autres constituants. À notre connaissance, il n'existe aucune application de la bétaïne pour l'extraction de substances naturelles à intérêt cosmétique, pharmaceutique, ou nutritionnelle, tels que les composés phénoliques, les antioxydants, les saponines, les caroténoïdes, les terpènes ou autres, pour la bonne raison que la bétaïne existe sous forme 5 solide à température ambiante et qu'elle ne permet d'extraire aucune substance naturelle du fait de son état physique. Des progrès récents en chimie montrent cependant qu'un solide peut être amené à l'état liquide lorsqu'il est formulé de façon précise en mélange avec un ou plusieurs autres composés spécifiques dans les proportions idoines. C'est notamment le cas des solvants 10 eutectiques profonds qui sont des mélanges de composés présentant des points de fusion beaucoup plus bas que ceux de leurs constituants pris isolément. Ils tirent leur nom du grec « eutektos » signifiant « qui fond bien », terme qui fut employé pour la première fois par le physicien anglais Guthrie en 1884. Ces solvants, décrits par Abbott et al. dans le document EP 1 324 979, sont généralement liquides à température ambiante, alors même qu'ils sont 15 constitués de composés solides lorsqu'ils sont considérés séparément. Ce phénomène de dépression des points de fusion par la formation d'un mélange eutectique serait dû à l'établissement de liaisons hydrogène inter-moléculaires, ce qui aurait pour effet d'augmenter le volume de vide entre les espèces chimiques et donc d'accroitre leur mobilité jusqu'à les rendre liquides. 20 Ces dernières années, une attention particulière a été portée à l'utilisation de substances naturelles pour entrer dans la composition de ces solvants eutectiques, alors appelés solvants eutectiques profonds naturels. Ils sont constitués d'acides organiques, d'acides aminés, de sucres, de polyols, de choline et d'urée (Choi et al., 20111. Ces substances naturelles sont des constituants idéaux pour préparer des mélanges eutectiques 25 en raison de leur abondance dans la biomasse, de leur grande diversité structurale, de leur biodégradabilité, de leur faible toxicité, de leur comestibilité pour la plupart et de leur natura lité. Ils sont notamment décrits dans les documents de la famille W0201155829. Ces solvants eutectiques naturels présentent néanmoins un certain nombre d'inconvénients pour leur utilisation au niveau industriel. Citons en premier lieu l'emploi 30 concomitant de sucres et d'acides aminés, lesquels sont connus de l'homme de l'art pour former des composés odoriférants et colorés issus du brunissement non enzymatique. De tels extraits ne répondent pas aux nécessités industrielles des marchés cosmétique, 3034625 4 pharmaceutique, alimentaire et nutraceutique. Bien que des sucres puissent être utilisés sans être nécessairement combinés avec des amines, ou vice versa, le matériel biologique est susceptible d'apporter le partenaire ici des sucres, là des amines, permettant d'initier la réaction de brunissement non enzymatique et empêchant par la même l'utilisation des 5 extraits ainsi obtenus pour la formulation de produits de consommation. D'autre part, les constituants des mélanges eutectiques naturels décrits dans la famille de brevet W0201155829 peuvent ne pas toujours convenir du point de vue réglementaire. C'est notamment le cas de la choline et de ses dérivés qui sont interdits en cosmétique d'après le règlement européen N°1223/2009. À quoi s'ajoute que dans l'exemple des mélanges 10 eutectiques formés à partir de sucres, la stabilité microbienne des extraits correspondants n'est généralement pas suffisante pour envisager leur intégration dans des produits de consommation courante stockés pendant un laps de temps suffisamment long pour permettre le développement d'une flore d'altération ou de microorganismes pathogènes. Par ailleurs, nous insistons sur le fait que les mélanges eutectiques sont seulement formés 15 pour des proportions bien précises de constituants définis, ce qui signifie qu'il ne suffit pas de mélanger telle ou telle molécule, fut-elle naturelle, pour obtenir une dépression du point de fusion du mélange, qui soit en outre stable du point de vue de la cristallisation (par stabilité nous entendons au moins une semaine). Enfin, ces solvants présentent l'inconvénient d'être très visqueux à température ambiante (généralement au-dessus de 100 20 cP). Par exemple, le mélange de chlorure de choline et d'urée (ratio molaire 1 :2) présente une viscosité de près de 500 cP à 30 °C (Abbott et al., 2003), ce qui n'est pas sans poser problème quant aux rendements d'extraction et rend impossible son utilisation industrielle en tant que solvant d'extraction. Au niveau des interactions moléculaires, cette viscosité élevée est attribuée à la présence d'un réseau de liaisons hydrogène très dense entre les 25 constituants des mélanges eutectiques, réduisant ainsi la mobilité des espèces libres présentes dans ces solvants. Cette viscosité découle aussi de la grosseur des ions (si présents), du faible volume de vide entre les molécules, de l'électrostatisme et des interactions de Van der Waals. Tous ces facteurs réunis constituent un frein à l'utilisation des mélanges eutectiques à des fins d'extraction de substances végétales, car les forces de 30 cisaillement nécessaires pour mettre en mouvement le fluide extractant et pour le faire pénétrer au sein du matériel biologique dont on veut extraire tout ou partie des substances, ne seront pas suffisantes pour permettre une extraction optimale. En corollaire, la faible 3034625 5 mobilité des espèces chimiques au sein du mélange eutectique est problématique pour solubiliser les substances à extraire, conduisant à de faibles rendements d'extraction, à un fort coût énergétique, à des durées d'extraction prolongées et/ou des quantités de solvants importantes. 5 Ainsi, à notre connaissance, il n'existe pas actuellement de solution permettant d'extraire d'un matériel biologique des ingrédients ou principes actifs tels que des composés phénoliques, des antioxydants, des saponines, des caroténoïdes, des terpènes ou autres, à partir de solvants eutectiques fluides et peu visqueux basés sur la bétaïne et dans lesquels cette dernière puisse également jouer un rôle d'ingrédient ou de principe actif (par 10 ingrédient actif nous entendons une substance ayant une action technologique, tandis qu'un principe actif désignera toute substance pouvant exercer une action cosmétique, pharmacologique ou nutritionnelle). 2. OBJET DE L'INVENTION 15 La présente invention repose sur la découverte de combinaisons précises comprenant de la bétaïne ou une forme hydratée de la bétaïne, et de l'eau avec au moins un donneur de liaisons hydrogène parmi les acides organiques et/ou les polyols permettant d'obtenir une 20 synergie lors de l'étape d'extraction de composés d'intérêt industriel, de préférence cosmétique, pharmaceutique ou nutritionnel et pouvant être thermosensibles, à partir d'un matériel biologique végétal et/ou animal et/ou procaryote, et de préférence végétal. Parmi ces composés d'intérêt citons en particulier les composés phénoliques dont les acides et esters phénoliques, les flavonoïdes, les sécoiridoicles, les alcools phénoliques, ainsi que les 25 antioxydants, les caroténoïdes, les alcaloïdes, les lipides, les phénylpropanoïdes, les arômes et modificateurs de goût, les parfums, les biocides, les antimicrobiens, les protéines, les enzymes, les colorants, les pigments, et les terpenoïdes comprenant les saponines. Dans un premier temps, l'invention consiste en solvant eutectique d'extraction de 30 matériel biologique végétal et/ou animal et/ou procaryote constitué d'un mélange limpide, stable et fluide comprenant: 3034625 6 - de la bétaïne ou une forme hydratée de la bétaïne, et au moins un composé donneur de liaisons hydrogène choisi parmi le groupe des polyols ou des acides organiques, et - de l'eau 5 mais excluant tout sucre et/ou sel d'amine et/ou anion exogènes De manière avantageuse, le composé donneur de liaisons hydrogène choisi parmi le groupe des polyols sera : le glycérol, l'érythritol, le mannitol, le sorbitol, l'éthylène glycol, le propylène glycol, le ribitol, l'aldonitol, le propanediol, ou le pentylène glycol. 10 De manière préférée, le composé donneur de liaisons hydrogène choisi parmi le groupe des acides organiques sera : l'acide lactique, l'acide malique, l'acide maléique, l'acide pyruvique, l'acide fumarique, l'acide succinique, l'acide citrique, l'acide acétique, l'acide aconitique, l'acide tartrique , l'acide ascorbique, l'acide malonique, l'acide oxalique, l'acide glucuronique, l'acide neuraminique, l'acide sialique, shikimique, l'acide phytique, 15 l'acide galacturonique, l'acide iduronique, l'acide hyaluronique, l'acide hydroxycitrique, ou les dérivés lactones. Pour la mise en oeuvre du solvant eutectique d'extraction selon l'invention, le ratio molaire critique bétaïne(ou forme hydratée de la bétaïne):polyols, ou bétaïne(ou forme 20 hydratée de la bétaïne):acides organiques est de 1:2. La proportion massique d'eau ajoutée au mélange pour l'obtention du solvant selon l'invention est de 1 à 50 %, et de préférence 20 à 30 %. L'invention a également trait à l'utilisation du solvant eutectique d'extraction pour la 25 mise en oeuvre d'un procédé d'extraction de composés biologiques naturels tels que les composés phénoliques dont les acides et esters phénoliques, les flavonoïdes, les sécoiridoïdes, les alcools phénoliques, ainsi que les antioxydants, les caroténoïdes, les alcaloïdes, les lipides, les phénylpropanoïdes, les arômes et modificateurs de goût, les parfums, les biocides, les antimicrobiens, les protéines, les enzymes, les colorants, les 30 pigments, et les terpenoïdes comprenant les saponines, à partir de matériel biologique 3034625 7 végétal et/ou animal et/ou procaryote, et de préférence à partir de matériel biologique végétal. La synergie obtenue avec le solvant selon l'invention, procède d'un phénomène 5 physico-chimique naturel que nous qualifions ici pour la première fois d' « eutectigénèse » et qui correspond à la formation d'un mélange eutectique se produisant lorsque les proportions critiques du mélange correspondant au point eutectique sont atteintes. Pour rappel, le point eutectique est le point du diagramme de phase à l'intersection des deux courbes du liquidus, donnant la composition à laquelle le mélange est à sa température 10 minimale en phase liquide. De façon totalement inattendue, nous avons découvert que la combinaison de trois composés - bétaïne (ou forme hydratée de la bétaïne), donneur de liaisons hydrogène et eau - dans des proportions bien définies, permet d'extraire des substances naturelles de 15 manière synergique. L'absence de l'un d'entre eux est absolument critique puisqu'elle conduit à un effondrement du taux de recouvrement. Cette découverte est d'autant plus significative qu'il n'existait jusqu'alors ni modèle théorique, ni règle empirique, ni mécanisme d'action connu permettant d'inférer ou de prédire une quelconque synergie d'extraction pour des mélanges eutectiques à base de bétaïne. Tout au plus est-il décrit dans 20 la famille de documents W0201155829 que les solvants eutectiques profonds sont souvent formés de deux composés présents dans un ratio équimolaire (1:1). Or, nous montrons dans la suite de ce document que ce point critique est systématiquement atteint pour un ratio molaire bétaïne(ou forme hydratée de la bétaïne):donneur de liaisons hydrogène 1:2. Ainsi, le point critique du diagramme de phase correspond à la composition critique du mélange 25 extractant pour laquelle le rendement d'extraction en substances naturelles est optimal, ce qu'aucun travail antérieur, à notre connaissance, n'était parvenu à démontrer jusqu'à présent. De plus, le mécanisme de formation des mélanges eutectiques décrit par Abbott et al. (famille de brevet US 7183433 ; Abbott et al., 2003) postule que la dépression du point de fusion est consécutive à l'établissement d'une liaison hydrogène entre un donneur de liaison 30 hydrogène et l'anion (ion chargé négativement) d'un sel d'amine. Il est surprenant de constater dans les résultats présentés ci-après que nous obtenons une dépression du point de fusion alors qu'aucun anion n'est apporté de manière exogène. C'est une avancée sur le 3034625 8 plan des connaissances scientifiques qui tire profit du caractère amphotérique de la bétaïne. Alors qu'un grand nombre d'auteurs s'encombrent de sels d'amines, en particulier dans les mélanges eutectiques et les liquides ioniques décrits dans le document de la famille US 7183433, les mélanges eutectiques naturels couverts par la présente invention comprennent 5 systématiquement une amine sans anion puisque ces derniers ne sont pas nécessaires au mécanisme d'eutectigénèse. Au niveau de la composition d'extraction, l'invention concerne l'ajout d'une proportion massique d'eau exogène (c'est-à-dire apportée et non déjà présente dans le mélange) 10 comprise entre 5 et 50 %, préférentiellement entre 20 et 30 % dans les mélanges binaires bétaïne:glycérol et bétaïne:acide lactique, lesquels respectent un ratio molaire critique 1:2, afin d'abaisser la viscosité à un seuil qui soit à la fois compatible avec une utilisation industrielle et avec la dénomination de mélange eutectique. il est en effet connu de l'homme de l'art que les liaisons hydrogène permettant la formation de complexes 15 supramolécula ires caractéristiques des solvants eutectiques se cassent pour des proportions volumiques en eau supérieures à 50 % (Gutiérrez et al., 2009). Le procédé d'extraction décrit avec les mélanges ternaires contenant de l'eau, de la bétaïne et un donneur de liaisons hydrogène parmi les polyols et les acides organiques conserve le ratio molaire critique d'eutectigénèse 1:2 entre la bétaïne et le donneur de liaisons hydrogène ; ratio qui est 20 générique des mélanges binaires bétaïne:donneur de liaisons hydrogène et des mélanges ternaires eau:bétail-te:donneur de liaisons hydrogène. Une amélioration spectaculaire du taux d'actifs - permettant de multiplier jusqu'à 45 fois le recouvrement - a ainsi été obtenue grâce à différents mélanges eutectiques liquides à 25 température ambiante et basés sur des composés naturels agro- et/ou bio-sourcés disponibles en quantités industrielles comme la bétaïne, les polyols (tel le glycérol) et les acides organiques (tel l'acide lactique) en tant que sous-produits des filières sucrière, de l'oléochimie et de la biotechnologie. Le procédé d'extraction revendiqué consiste en une macération, une percolation, une infusion, entre 20 et 60 °C, à pression atmosphérique ou 30 sous pression, d'un matériel biologique broyé ou non en immersion dans un solvant eutectique sous agitation pendant 1 à 5 heures, de préférence pendant 2 h. La phase d'extraction n'implique aucune transformation chimique de ces composés qui restent 3034625 9 totalement inertes vis-à-vis du matériel biologique et des substances naturelles à extraire, en ce qu'elle ne réagit pas avec eux de manière covalente ; aux températures d'extraction décrites dans cette invention ( REVENDICATIONS1. Solvant eutectique d'extraction de matériel biologique végétal et/ou animal et/ou procaryote caractérisé en ce qu'il est constitué d'un mélange limpide, stable et fluide comprenant : - de la bétaïne ou une forme hydratée de la bétaïne, et au moins un composé donneur de liaisons hydrogène choisi parmi le groupe des polyols ou des acides organiques, et - de 1"eau mais excluant tout sucre et/ou sel d'amine et/ou anion exogènes 2. Solvant eutectique d'extraction selon la revendication 1 caractérisé en ce que les polyols sont choisis parmi le glycérol, l'érythritol, le mannitol, le sorbitol, l'éthylène glycol, le propylène glycol, le ribitol, l'aldonitol, le propanediol, ou le pentylèneglycol 3. Solvant eutectique d'extraction selon la revendication 1 caractérisé en ce que les acides organiques sont choisis parmi l'acide lactique, l'acide malique, l'acide maléique, l'acide pyruvique, l'acide fumarique, l'acide succinique, l'acide citrique, l'acide acétique, l'acide aconitique, l'acide tartrique , l'acide ascorbique, l'acide malonique, l'acide oxalique, l'acide glucuronique, l'acide neuraminique, l'acide sialique, l'acide shikimique, l'acide phytique, l'acide galacturonique, l'acide iduronique, l'acide hyaluronique, l'acide hydroxycitrique, ou les dérivés lactones 4. Solvant eutectique d'extraction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le ratio molaire critique bétaïne(ou forme hydratée de la bétaïne):polyols, ou bétaïne(ou forme hydratée de la bétaïne):acides organiques est de 1:2 3034625 24 S. Solvant eutectique d'extraction selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la proportion massique d'eau est de 1 à 50%, et de préférence de 20 à 30% 6. Utilisation du solvant eutectique d'extraction selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour la mise en oeuvre d'un procédé d'extraction de composés biologiques naturels tels que les composés phénoliques dont les acides et esters phénoliques, les flavonoïdes, les sécoiridoïdes, les alcools phénoliques, ainsi que les antioxydants, les caroténoïdes, les alcaloïdes, les lipides, les phénylpropanoïdes, les arômes et modificateurs de goût, les parfums, les biocides, les antimicrobiens, les protéines, les enzymes, les colorants, les pigments, et les terpenoïdes comprenant les saponines, à partir de matériel biologique végétal et/ou animal et/ou procaryote, et de préférence à partir de matériel biologique végétal 7. Procédé d'extraction de composés biologiques naturels tels que les composés phénoliques dont les acides et esters phénoliques, les flavonoïdes, les sécoiridoïdes, les alcools phénoliques, ainsi que les antioxydants, les caroténoïdes, les alcaloïdes, les lipides, les phénylpropanoïdes, les arômes et modificateurs de goût, les parfums, les biocides, les antimicrobiens, les protéines, les enzymes, les colorants, les pigments, et les terpenoïdes comprenant les saponines, à partir de matériel biologique végétal et/ou animal et/ou procaryote, et de préférence à partir de matériel biologique végétal, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a. Immersion sous agitation d'un matériel biologique broyé ou non dans le solvant d'extraction selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,puis b. macération ou percolation ou infusion à une température comprise entre 20 et 60°C, du mélange obtenu puis c. filtration du produit d'extraction obtenu en b. ce par quoi on obtient un extrait liquide biologique naturel issu du matériel biologique végétal et/ou animal et/ou procaryote 3034625 25 8. Procédé d'extraction selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que le solvant d'extraction exerce une action synergique sur le processus d'extraction du matériel biologique 9. Extrait liquide biologique naturel de matériel biologique végétal et/ou animal et/ou procaryote obtenu par la mise en oeuvre du procédé d'extraction selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 10. Utilisation de l'extrait liquide biologique naturel selon la revendication 9 pour renforcer l'activité biologique et/ou physicochimique des composés compris dans ledit extrait 11. Utilisation de l'extrait liquide selon la revendication 9 ou 10 pour la fabrication d'une composition nutraceutique, d'un produit diététique ou alimentaire, d'un complément nutritionnel, d'une composition pharmaceutique ou d'une composition cosmétique, destinée à une administration par voie orale ou parentérale, ou à une application par voie topique, rectale, nasale, auriculaire, vaginale et/ou oculaire