Thermal solar energy applications on eco-extraction and drying of orange peels and rosemary leaves
Procédé d'extraction des huiles essentielles et des hydrolats aromatisés des plantes aromatiques et médicinales (PAM) par énergie solaire
Résumé
The world has witnessed an exponential increase of energy; those demands are mainly covered by fossil fuels. However, giving the unsustainable conditions of such source such as scarcity and harmful environmental effects, researchers were required to investigate newer alternative power sources. Solar energy is a clean, abundant and easily available renewable energy. It is also one of the most economical alternatives with outstanding processes and applications diversity machineries. Usage of solar energy for thermal applications provides a scope for several studies on energy, benefits, and bio-compounds analysis. The main objectives of this thesis are to promote the use of solar energy for extraction and drying applications, to confront them with the conventional technique usually used, and to better understand the process, outcomes and benefits of such green and sustainable source. Two matrices were considered: rosemary leaves as aromatic and medicinal plants and, orange peels as by-product. For solar extraction a distillation unit coupled with a solar reflector was used to deodorize rosemary leaves via steam distillation and to valorise orange peels targeting a zero-waste bio-refinery via hydro-distillation. The advantages of thermal solar energy extraction are noteworthy, allowing approximately 37 % decrease of extraction time for both the studied matrices in comparison to conventional processes. Quality wise, several analyses were carried in order to compare thermal solar and conventional systems. The rosemary and orange peels essential oil yield and quality obtained by GC/MS was relatively similar for both processes. However, antioxidants assayed by HPLC-DAD present in rosemary leaves were better preserved after solar extraction. Overall, the results indicate that Solar-Steam-Distillation (SSD) is a green alternative, efficient and economical process for essential oil extraction and leaves deodorization. Orange peels pectin and flavonoids (mainly narirutin and hesperidin) were also better preserved after solar hydro-distillation process. For drying, the study was performed on rosemary leaves and orange peels by thin convective solar drying to valorize these matrices, to increase their shelf-life, and to investigate the impact of solar drying on their antioxidant properties. The experimental study focused on the influence of drying temperatures on water loss and quality of fresh matrices dried at different temperatures: rosemary leaves (40°C, 50°C, 60°C, 70°C) and orange peels (60°C, 65°C, 70°C, 75°C°, 80C). Obtained results showed that Midilli– Kucuk and two terms were the most fitted and appropriate models to describe the convective solar drying kinetics of rosemary leaves and orange peels respectively. For rosemary leaves, it was found that with solar drying (40, 50, 60°C, and sun-dried) an increase of carnosol was observed, coupled with a decrease of carnosic acid values; while at high temperature (70°C) both carnosic acid and carnosol contents decrease. This could imply that high temperature may lead to quality deterioration of rosemary leaves. Moreover, at 70°C Total polyphenols (TPC) values decrease and the IC50 value increased illustrating the negative effect of high drying temperatures on rosemary leaves. Contrary to rosemary leaves, the results showed that TPC and DPPH degradation was elevated in both 60°C, 65°C and the natural shade dried orange peels in comparison to high temperatures 75°C, and 80°C.This may state that the product gives better TPC and DPPH concentration if being dried at high temperature. As for the DPPH analysis, it was found that starting from 75°C, the antioxidant activity improves. This may be due to the new substances formation or precursor that occurs between several molecules via non-enzymatic inter-conversion at 70 °C for citrus fruits. Thus, stating that drying at high temperature may be a way to improve the phenolic extraction of orange peels.
Le monde a connu une augmentation exponentielle de l’énergie; ces demandes sont principalement couvertes par les combustibles fossiles. Cependant, compte tenu des conditions non durables d'une telle source telles que la rareté et les effets environnementaux nocifs, les chercheurs ont dirigée leurs attention vers la rechercher de nouvelles sources d'énergie alternatives. L'énergie solaire est une énergie renouvelable propre, abondante et facilement disponible. L'utilisation de l'énergie solaire pour des applications thermiques offre la possibilité de plusieurs études sur l'énergie, les avantages et l'analyse des bio-composés. Dans le présent travail, le séchage solaire et l'extraction solaire ont été envisagés pour une application expérimentale utilisant deux matrices; feuilles de romarin comme plantes aromatiques et médicinales et écorces d'orange comme sous-produit. Pour l'extraction solaire, une unité de distillation couplée à un réflecteur solaire a été utilisée afin de désodoriser les feuilles de romarin par distillation par entrainement à la vapeur et de valoriser les écorces d'orange ciblant une bio-raffinerie zéro déchet par hydro-distillation. Les avantages de l'extraction d'énergie solaire thermique sont remarquables, permettant une diminution d'environ 37% du temps d'extraction pour les deux matrices étudiées par rapport aux procédés conventionnels. En termes de qualité, plusieurs analyses ont été réalisées afin de comparer les systèmes solaires thermiques et conventionnels. Le rendement et la qualité de l'huile essentielle de romarin et d'écorce d'orange obtenus par GC/MS étaient relativement similaires pour les deux processus. Cependant, les antioxydants dosés par HPLC-DAD présents dans les feuilles de romarin étaient mieux conservés après extraction solaire. Dans l'ensemble, les résultats indiquent que la distillation solaire-vapeur (SSD) est une alternative écologique, efficace et économique pour l'extraction des huiles essentielles et la désodorisation des feuilles. La pectine et les flavonoïdes des pelures d'orange (principalement la narirutine et l'hespéridine) ont également été mieux conservés après le processus d'hydro-distillation solaire. Pour le séchage, un processus conventionnel en couche mince a été envisagé, l'étude expérimentale de cette section s'est concentrée sur l'influence des températures de séchage sur la perte en eau des matrices fraîches séchées à différentes températures, 40 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C pour les feuilles du romarin et 60 ° C, 65 ° C, 70 ° C, 75 ° C °, 80°C pour les écorces d'orange. Ce travail présente les résultats de l'étude expérimentale de la cinétique de séchage. Les résultats sont utilisés pour déterminer la courbe caractéristique de séchage et simuler par des modèles mathématiques le comportement de séchage des feuilles de romarin ou des écorces d'orange afin de trouver le modèle le mieux adapté. Dans l'ensemble, l'extraction solaire et le séchage par convection se sont révélés être des procédures fiables qui préservent la qualité du produit et peuvent être utilisées efficacement comme alternative aux procédés conventionnels.
Origine : Version validée par le jury (STAR)