Process intensification for extracting, purifying and functionalising caffeoylquinic acids from belgian endive culture by product
Intensification du procédé d’extraction, de purification et de fonctionnalisation des acides caféoylquiniques à partir de coproduits de la culture de l’endive
Résumé
Forced chicory root is a by-product of Belgian endive culture, a typical crop of northern France, Belgium and the Netherlands. Currently under-utilized in methanation or animal feed, this by-product contains molecules of interest: caffeoylquinic acids. These molecules have antioxidant and anti-inflammatory properties, and a potential for reducing metabolic disorders. This thesis aims to intensify the pre-treatment, extraction, purification and functionalization of caffeoylquinic acids from forced chicory roots to develop new bioactive biosourced molecules of potential interest to the cosmetics and nutraceutical sectors. The final part of the thesis deals with a technico-economical study of the process to estimate its economic profitability in relation to the targeted application sector. The first part focuses on the effect of conventional pretreatments (cutting and drying) and the effect of pulsed electric field pretreatment on caffeoylquinic acid content in biomass. The effect of adding an antioxidant solution during extraction is also investigated. Secondly, extraction optimization is carried out using dry or fresh biomass. The influence of factors such as temperature, solid/liquid ratio and solvent type were studied. In addition, extraction kinetics were performed to study kinetic parameters using empirical models. As the purity of the extract obtained is low, purification steps are needed. The thesis then focused on purifying the crude extract obtained using macroporous resins and liquid/liquid extraction. For resin purification, resin screening was carried out, followed by optimization of the purification operating conditions with the chosen resin. Models of adsorption phenomena are carried out to identify the limiting stages and the maximum adsorption capacity. For liquid/liquid extraction, green solvent screening is carried out on aqueous and hydro-ethanolic media, followed by optimization of operating conditions with the best solvent. The penultimate part of the thesis seeks to functionalize caffeoylquinic acids by esterification, starting with a model solution and then a real extract. Esterification conditions are optimized to increase both reaction speed and conversion rate. Esters with different chain lengths were obtained, and biological activities such as antioxidant activity and anti-UV properties were studied. Functionalization is also performed with real extract. A technico-economic study concludes the thesis, opening up prospects for the industrialization of the forced chicory roots valorization process.
La racine forcée d’endive est un coproduit de la culture de l’endive, produit caractéristique du Nord de la France, de la Belgique et des Pays-Bas. Actuellement sous utilisé en méthanisation ou en alimentation animale, ce coproduit contient pourtant des molécules d’intérêts à haute valeur ajoutée : les acides caféoylquiniques. Ces molécules possèdent des activités antioxydantes, anti-inflammatoires et permettent de limiter les maladies du désordre métabolique. Ce travail de thèse vise à intensifier le prétraitement, l’extraction, la purification et la fonctionnalisation des acides caféoylquiniques à partir des racines forcées pour développer de nouvelles molécules bioactives biosourcées potentiellement intéressantes pour le secteur cosmétique et nutraceutique. Une dernière partie de la thèse porte sur l’étude technico-économique du procédé pour estimer sa rentabilité économique en fonction du secteur d’application visé. La première partie porte sur l’effet des prétraitements conventionnels (découpe et séchage) ainsi que l’effet d’un prétraitement électrique par champs électriques pulsés sur les teneurs en acides caféoylquiniques dans la biomasse. L’effet de l’ajout d’une solution antioxydante lors de l’extraction est également étudié. Dans un deuxième temps, une optimisation de l’extraction est réalisée à partir de biomasse sèche et fraiche. L’influence de facteurs tels que la température, le ratio solide/liquide, ainsi que la nature du solvant a été étudiée. De plus, des cinétiques d’extraction ont été tracées pour étudier les paramètres cinétiques à l’aide d’un modèle empirique. La pureté de l’extrait obtenu étant faible, des étapes de purification sont donc nécessaires. Par la suite, les travaux se sont portés sur la purification de l’extrait brut à l’aide de résines macroporeuses ainsi que par extraction liquide/liquide. Pour la purification par résine, un screening de résines est réalisé suivi d’une optimisation des conditions opératoires de purification avec la résine choisie. Des modélisations des phénomènes d’adsorption sont réalisées pour déterminer les étapes limitantes ainsi que la capacité maximale d’adsorption. Pour l’extraction liquide/liquide, un screening de solvants verts est effectué à partir d’un milieu aqueux et hydro-éthanolique puis une optimisation des conditions opératoires avec le meilleur solvant est réalisée. La pénultième partie de la thèse cherche à fonctionnaliser par estérification les acides caféoylquiniques à partir d’une solution modèle puis d’un extrait réel. Les conditions d’estérification sont optimisées pour augmenter la vitesse de réaction ainsi que le taux de conversion. Des esters avec différentes longueurs de chaine sont obtenus et l’activité antioxydante ainsi que les propriétés anti-UV sont étudiées. La fonctionnalisation est par la suite effectuée sur un extrait réel. Une étude technico-économique conclut la thèse permettant d’ouvrir sur des perspectives quant aux conditions nécessaires à l’industrialisation du procédé de valorisation des racines forcées d’endive.
Mots clés
Chicory roots
Extraction
Purification
Chlorogenic acid
Antioxydant activity
Forced chicory root
Biorefinery
Dicaffeoylquinic acid
Extraction intensification
Pulsed electric field (PEF)
Resin purification
Liquid/liquid extraction purification
Enzymatic functionalization
By-product valorization
Belgian endive
Resins
Solvents
Antioxidants
Cosmetics industry
Chemical kinetics
Esterification
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
---|