New approaches concerning the valorization of mustard seeds rich in glucosinolates according to a biorefinery concept
Nouvelles approches pour la valorisation des graines de moutarde riches en glucosinolates dans un concept de bioraffinerie
Résumé
This thesis is specifically dedicated to the valorization of B. juncea (brown mustard) as catch-crops in order to develop innovative ways of valorization for the different components of mustard seeds (oil, meal, glucosinolates) for industrial and/or food applications according to the principles of biorefinery and in a sustainable development concept. The rich-erucic acid mustard oil could be valorized in oleochemistry for many applications (cosmetics, lubricants, biofuels etc.), the defatted cake could be an alternative and new source of high quality proteins for animal food and the extracted glucosinolates (sinigrin and gluconapin) could be very suitable for the development of a natural bio-pesticide instead of chemical pesticides. Applications of different pretreatments were firstly applied on seeds in order to perform the intern inactivation of myrosinase, an enzyme that degrades glucosinolates by hydrolysis: conventional heating in bath-water, micro-waves (MW) and supercritical CO2 (SC-CO2). Heating seeds at 80°C for 70 min allowed efficient myrosinase inactivation (98%) without impact on other molecules (glucosinolates, proteins). The treatment resulted also in better oil expression performances. Oil expression from treated seeds was then performed by carring out two successive pressing (80 bar, 60 min) with an hydraulic press to express 84% of oil and obtain a rich in proteins (35.8-40.8%) and intact glucosinolates (144-158 µmol/g) defatted cake. Intensification of the extraction of glucosinolates was investigated meaning different pretreaments and processes: grinding, high-voltage electric discharges (HVED) and ultrasounds (US). Only green solvents were used for the extraction (water, ethanol). Preliminar optimization of chemical extraction resulted in selective extraction of 90% of GSL using an aqueous ethanol solution (40% v:v) at 40°C without affecting protein content from residual cake (36-40%). These conditions could be claimed as an effective alternative to the conventionel extraction protocol (75% methanol, 75°C). The assisted-extraction of GSL by HVED (U = 40 kV, tDEHT = 3.5 ms) has performed the recovery of 98% of intact GSL in milder conditions (T = 30°C, water, QDEHT = 233 kJ/kg) by minimizing the co-extraction of proteins from meal. Purification of crude juice was investigated meaning two different techniques: ion-exchange chromatography (IEC) and ultrafiltration (UF). GSL purification by IEC was preliminarly optimized in batch and proteins and GSL were separated meaning a strong basic resin (PA312LOH). 72.9% of sinigrine recovery was performed bu eluting with a NaCl solution (1.0 M, 30°C, 300 rpm, 40 mL/g resin) with a juice purity of 79.6%. Dynamic experiments allowed recovery of 28% of gluconapin (2.6 BV/h, pH 4.0). Membrane process (UF) showed better performances with the recovery of 98% and 60% of sinigrin and gluconapin respectively with a permeate purity of 90% by using PES membranes of 10 kDa (5 bars, 500 rpm). The purified juice (90%) rich in sinigrin (3.36 mg/ml) and gluconapin (0.16 mg/ml) could be used to develop a phytosanitory product for crop protection. The residual detoxified (<20 µmol GSL/g DM) and rich in proteins meal could be very suitable for animal feeding.
Ce travail de thèse est dédié à la mise en place d’une stratégie de valorisation optimale et raisonnée des cultures intermédiaires piège à nitrates de B. juncea (moutarde brune) dans un concept de bioraffinerie et de développement durable. Les graines de moutarde sont riches en huile (>35%) mais également en glucosinolates (≈ 120 µmol/g), facteurs antinutritionnels produisant de ce fait des tourteaux impropres à l’alimentation du bétail alors qu’ils sont riches en protéines de qualité. Ce travail de thèse a pour ambition de lever ce verrou en extrayant ces facteurs antinutritionnels de la graine pour exploiter leur activité biologique comme agent de contrôle des ennemis de cultures. Le schéma de bioraffinage proposé intègre les acteurs en amont et en aval de la chaîne de transformation. La première partie de travail a porté sur l’inactivation de la myrosinase, enzyme endogène responsable de l’hydrolyse des glucosinolates (sinigrine and gluconapine). Trois procédés d’inactivation ont été testés : (1) le chauffage conventionnel (2) le chauffage micro-ondes (MO) et (3) l’inactivation par CO2 supercritique (SC-CO2). Les trois procédés se sont montrés efficaces. Un chauffage à 80°C pendant 70 min a été retenu pour inactiver l’enzyme (98%) sans dégrader les composés d’intérêt (glucosinolates, protéines) tout en améliorant l’extractibilité de l’huile. Les graines ont ensuite subi un double pressage à 80 bars pendant 60 min à l’aide d’une presse hydraulique du laboratoire pour en extraire 84% d’huile et obtenir un tourteau enrichi en protéines (35.8-40.8%) et en glucosinolates intacts (144-158 µmol/g). La récupération des GSL a été entreprise en couplant une extraction hydro-alcoolique avec différents prétraitements (broyage, décharges électriques de haute tension, ultrasons) pour intensifier l’extraction des GSL tout en limitant la co-extraction des protéines. Une optimisation préliminaire d’extraction chimique a montré que 90% des GSL pouvaient être récupérés via une solution hydro-alcoolique d’éthanol (40% v:v) à 40°C sans altérer la qualité protéique du tourteau résiduel (36-40% protéines). Ces conditions viennent ainsi contrebalancer le procédé classique d’extraction/élimination des GSL par méthanol à haute température (75°C), contestable sur le plan environnemental, énergétique et sanitaire. L’extraction assistée par DEHT (U = 40 kV, tDEHT = 3.5 ms) a permis d’extraire dans des conditions douces (T = 30°C, eau et à faible coût énergétique (233 kJ/kg)) la quasi-totalité des GSL (98 %) dans leur état intact tout en minimisant la co-extraction des protéines qui sont préservées dans le résidu solide. Enfin, la purification du jus riche en GSL a été étudiée selon deux voies : chromatographie d’échange d’ions (IEC) et ultrafiltration (UF). La récupération des glucosinolates par IEC a été optimisée en batch via l’utilisation d’une résine fortement basique (PA312LOH) qui a permis de séparer les GSL des protéines. 72.9% de la sinigrine a été récupérée après élution avec une solution de NaCl (1.0 M, 30°C, 300 rpm, 40 mL/g résine) avec une pureté 79.6%. Les expériences réalisées en dynamique (purification sur colonne) ont permis la récupération de 28% de la gluconapine (2.6 BV/h, pH 4.0). Le procédé membranaire (UF) a présenté de meilleures performances avec 98% et 60% de sinigrine et gluconapine récupérés respectivement dans un perméat à 90% de pureté (membrane PES 10 kDa, 5 bars, 500 rpm). L’extrait purifié obtenu par UF (90 %) riche en sinigrine (3.36 mg/ml) et en gluconapine (0.16 mg/ml) sera utilisée pour développer une formule phytobiotique qui sera utilisée en biofumigation. Le résidu solide détoxifié (<20 µmol GSL/g MS) et riche en protéines (~40%) pourra être valorisé en alimentation animale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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