Polyphénols végétaux et effet de l'explosion de vapeur sur leur extraction et leur activité antioxydante
Les polyphénols végétaux sont une classe de métabolites secondaires contenant plusieurs groupes hydroxyle phénoliques, souvent considérés comme le « septième nutriment majeur ». Ils présentent des structures complexes et diverses formes de conjugaison, comprenant principalement des acides phénoliques, des dérivés des acides hydroxybenzoïque et hydroxycinnamique, des flavonoïdes, des anthocyanes, des coumarines et des tanins. Ces composés possèdent un large éventail d’activités biologiques, telles que des effets antioxydants, anti-radicaux libres, anticancéreux, antibactériens et antiviraux, et ont attiré une attention considérable dans les domaines de l’alimentation et de la santé.
L’explosion à la vapeur est une technologie émergente de prétraitement des matières premières agricoles. Son principe implique l'application brève de vapeur à haute-température et haute-pression sur le matériau, suivie d'une libération instantanée de pression, utilisant le différentiel de pression élevé-qui en résulte pour perturber la microstructure de la matière première. Cette technologie intègre de multiples effets, notamment l'hydrolyse acide-, la dégradation thermique, la fracture mécanique -, la rupture des liaisons hydrogène et le réarrangement structurel, permettant une séparation efficace des composants des matériaux à texture dure -. En raison de ses avantages d'être sans pollution, de nécessiter un temps de prétraitement court, d'améliorer considérablement le rendement d'extraction des composés bioactifs, de réduire la consommation d'énergie et les coûts de traitement et d'être facile à industrialiser, l'explosion à la vapeur est devenue une approche importante pour améliorer l'efficacité de l'extraction des composés bioactifs à partir de matières végétales et améliorer la valeur ajoutée des produits. Cet article passe systématiquement en revue l’impact du prétraitement par explosion à la vapeur sur la teneur en polyphénols et l’activité antioxydante des extraits de diverses matières premières, dans le but de fournir une base théorique pour l’application de cette technologie dans l’extraction de différents composés bioactifs.
1. Changements physicochimiques majeurs lors d'une explosion de vapeur
Lors d'une explosion de vapeur, la vaporisation rapide de la vapeur chaude soumet les cellules du matériau à un différentiel de pression interne -externe instantané et substantiel, provoquant une augmentation soudaine de la pression interne et une expansion du volume qui dépasse les limites structurelles des cellules, conduisant à une « rupture de type mécanique ». Cet effet physique intense favorise en outre la rupture des liaisons hydrogène, la décomposition des régions cristallines amorphes et partielles et induit une réorganisation structurelle des composants. Des études ont montré que l'explosion de vapeur peut réduire le degré de polymérisation des molécules d'amidon dans la patate douce et la pomme de terre, provoquant une dégradation de l'amidon, et peut diminuer à la fois la quantité et le poids moléculaire des molécules de pectine. Pour les matériaux riches en fibres-tels que les coques de noix de coco, l'explosion de vapeur dégrade partiellement la cellulose et l'hémicellulose et hydrolyse la lignine dans une certaine mesure, brisant les chaînes moléculaires, réduisant la taille des particules et diminuant les composants à chaîne longue-tout en augmentant les composants à chaîne courte-dans les fibres alimentaires insolubles dans l'eau-. Des résultats similaires ont été observés pour les coques de noix, le son de sarrasin et l’éphédra.
Des études mécanistiques indiquent en outre que l'explosion de vapeur peut dégrader partiellement la lignine et l'hémicellulose, générant des composés phénoliques de faible-poids moléculaire-et des sucres hydrosolubles-. Cependant, lorsque la pression de traitement est trop élevée ou la durée trop longue, les composés phénoliques libérés peuvent subir une dégradation ou une polymérisation. De plus, l'explosion de vapeur peut s'accompagner d'une gélatinisation de l'amidon et de réactions de Maillard, favorisant la liaison covalente entre les protéines et les sucres ; l'ampleur de la réaction de Maillard est en corrélation avec l'intensité de l'explosion de vapeur, comme le soutiennent des études sur les graines d'Amaranthus caudatus.
Les observations microscopiques montrent que l'explosion de vapeur modifie considérablement la structure du matériau, faisant passer la surface de lisse et dense à ridée et poreuse. Par exemple, la surface de la farine de konjac devient ridée et développe de nombreuses micropiqûres après traitement, augmentant ainsi la surface spécifique. Le blé germé présente des structures lamellaires polysaccharidiques fragmentées, formant des structures poreuses avec des branches fibreuses mineures. Les os du fémur de yack deviennent lâches et poreux avec des dommages structurels importants à la tête fémorale, tandis que les plumes développent une structure semblable à une éponge-avec des fissures et des trous. Ces changements microstructuraux favorisent la pénétration et le contact des solvants d’extraction, facilitant la libération de composés bioactifs.
2. Effets de l’explosion de vapeur sur l’extraction des polyphénols
2.1 Effets sur les matières premières céréalières et oléagineuses
Les matières premières céréalières et oléagineuses sont riches en composés phénoliques, qui peuvent être classés structurellement en acides phénoliques, flavonoïdes et proanthocyanidines, puis classés par forme en composés phénoliques libres et composés phénoliques liés (par exemple, liés aux protéines -, liés glycosidiquement, liés aux esters -). Dans le son de céréales, la plupart des composés phénoliques sont étroitement liés aux parois cellulaires, ce qui entraîne une faible efficacité d'extraction par les solvants conventionnels. L'explosion de vapeur perturbe efficacement la structure du cortex et hydrolyse les liaisons éther et ester, favorisant ainsi la libération des polyphénols liés.
Des études ont montré que l'explosion de vapeur du son de blé à 2,5 MPa pendant 30 s augmente la teneur en acide vanillique des composés phénoliques libres d'environ 50 %, tandis que l'acide p-coumarique et l'acide férulique atteignent respectivement 36- et 11- fois plus élevé que les témoins. Les composés phénoliques liés (par exemple, l'acide glucuronique, l'acide p-coumarique, l'acide férulique) culminent également, l'acide férulique augmentant de près de 25 fois et la teneur phénolique totale atteignant 28 mg/g, soit environ neuf fois supérieure à celle du groupe non traité. Des résultats similaires ont été rapportés pour d’autres sons de céréales. L'application d'une explosion de vapeur supérieure à 7,4 × 10⁵ Pa sur les pois chiches endommage les membranes et les parois cellulaires, facilitant la libération des composés phénoliques liés et compensant la dégradation thermique potentielle des composés phénoliques libres. L'explosion à la vapeur améliore également l'extraction phénolique des téguments des graines de soja et augmente la teneur en isoflavones de l'okara avec une intensité d'explosion croissante, culminant à 2,0 MPa pendant 30 s. En raison des différences dans les propriétés physico-chimiques des matières premières et des objectifs de recherche, les conditions d'explosion optimales et les effets sur les composants actifs varient.
Il est à noter que l'intensité de l'explosion de vapeur doit être contrôlée dans une plage appropriée. Une intensité modérée améliore l’extraction des polyphénols, tandis qu’une intensité excessive peut avoir l’effet inverse. Par exemple, le son de blé traité à une intensité excessivement élevée (par exemple, 2,5 MPa pendant 90 s) produit des acides organiques tels que l'acide formique et acétique, favorisant la dégradation ou la polymérisation phénolique et réduisant la teneur. Les graines d'amarante traitées à 0,6 MPa pendant 60 s atteignent une teneur totale en composés phénoliques de 7,798 mg/g-5,3 fois supérieure à celle du témoin-mais des augmentations supplémentaires de la pression ou de la durée réduisent la teneur en composés phénoliques, avec un traitement de 120 s encore inférieur à celui du témoin. De même, le traitement des haricots rouges à 0,25-0,75 MPa pendant 30-90 s augmente le rendement phénolique, mais une durée de 1,0 MPa ou plus provoque une dégradation partielle, une polymérisation ou une carbonisation. Une explosion de vapeur de haute intensité décompose également les anthocyanes violettes de la patate douce. De nombreuses études soutiennent le principe général selon lequel l’explosion à la vapeur présente une fenêtre de traitement optimale pour la teneur en phénols des céréales et des graines oléagineuses.
2.2 Effets sur les matières premières des fruits et légumes
Les matières premières des fruits et légumes sont également riches en composés phénoliques, notamment en acides phénoliques, en anthocyanes et en flavonoïdes. L'explosion de vapeur perturbe l'intégrité structurelle des fruits et légumes, réduisant la résistance au transfert de masse et facilitant la libération de polyphénols. Des études sur les agrumes et leurs marcs, l'ail et les peaux d'ail, les résidus de fruits de la passion, les fruits de la laque, les dattes rouges tunisiennes, la bagasse de canne à sucre, les résidus d'écorces d'ananas et les fruits d'Elaeagnus indiquent tous qu'une explosion modérée de vapeur améliore l'extraction des polyphénols.
2.3 Effets sur d'autres matières premières
Au-delà des céréales, des graines oléagineuses, des fruits et des légumes, l’explosion à la vapeur a été appliquée à d’autres matières végétales. Par exemple, après une explosion de vapeur de 1,5 MPa pendant 60 s, les aiguilles de pin ont produit 50,8 mg/g de flavonoïdes, soit 2,54 fois plus que le témoin, conservant une bonne stabilité même à 1,5-2,0 MPa pendant 60 s. Pour les résidus de thé et de chêne, la teneur en phénols augmente initialement avec l'intensité mais diminue à des intensités plus élevées. Le rendement total en flavonoïdes dans les feuilles de figuier, la racine de kudzu et les feuilles de ginkgo suit une tendance similaire. Les baisses d'extraction peuvent résulter d'une dégradation partielle des flavonoïdes ou d'une re-polymérisation sous des formes insolubles. Des études sur les branches et feuilles d'olivier, les feuilles d'Eucommia, la renouée du Japon, les feuilles de Sasa palmata et les feuilles de Populus confirment que l'explosion de vapeur favorise efficacement la libération de polyphénols.
L'amélioration du rendement en polyphénols par explosion de vapeur repose principalement sur deux mécanismes : (1) la formation de nouveaux composés phénoliques-à haute-température, haute-pression et conditions acides provoquent une dégradation thermique de la cellulose, de l'hémicellulose et de la lignine, générant des acides phénoliques et des phénols volatils tels que le gaïacol, l'eugénol, la vanilline et le syringaldéhyde ; (2) promotion de la libération de composés phénoliques liés - l'explosion relâche la structure du matériau, augmentant la surface de contact, tout en hydrolysant les liaisons éther et ester entre les composants de la paroi cellulaire (polyphénols, polysaccharides, lignine), convertissant les composés phénoliques liés en composés phénoliques libres et augmentant la solubilité.
3. Effets de l’explosion de vapeur sur l’activité antioxydante des extraits
3.1 Effets sur l’activité antioxydante in vitro
L'activité antioxydante in vitro des polyphénols végétaux est couramment évaluée par le piégeage des radicaux DPPH·, le piégeage des radicaux ABTS⁺· et le FRAP (pouvoir antioxydant réducteur ferrique). L’explosion de vapeur améliore considérablement la capacité antioxydante in vitro des extraits de polyphénols. Par exemple, les valeurs EC₅₀ du DPPH· piégeant par les extraits de peau d'ail diminuent nettement avec l'augmentation de la pression et du temps, se stabilisant au-dessus de 3,0 MPa, et montrent une activité plus élevée que celle de l'ail noir. Ceci est attribué à la libération accrue de composés phénoliques liés et à la dégradation de la lignine et de l'hémicellulose, produisant des composés phénoliques de faible-poids moléculaire-et des sucres solubles dans l'eau-(par exemple, 5-hydroxyméthylfurfural). Des études similaires sur le son de céréales, les résidus de thé, les graines d'amarante, la patate douce violette, les graines de gombo, la racine de kudzu, les feuilles de Sasa palmata et les pousses de bambou montrent systématiquement que l'explosion de vapeur augmente non seulement la teneur en phénols, mais améliore également l'activité antioxydante. Par exemple, après une explosion de vapeur, la quercétine-3-O-rhamnoside présente dans les fruits de l'arbre laqué subit une déglycosylation, se transformant en quercétine avec une activité antioxydante plus forte.
Cependant, l’augmentation de l’activité antioxydante dépend également de conditions d’explosion appropriées. Une intensité excessive peut diminuer l’activité. Une pression élevée ou un traitement prolongé peuvent provoquer une décarboxylation des acides férulique et p-coumarique, une polymérisation en dimères via des intermédiaires radicalaires ou une dégradation en petites molécules telles que le méthylgaïacol et la vanilline, affaiblissant ainsi la capacité antioxydante. Des études montrent que l'élimination du DPPH et du FRAP des extraits de son de blé culminent à 1,5 MPa pendant 90 s, diminuant avec une nouvelle augmentation de l'intensité. Des résultats similaires sont observés pour les graines d’amarante, la patate douce violette et les résidus de thé.
De plus, l’activité antioxydante est étroitement corrélée à la teneur en polyphénols. Les extraits de haricots rouges après explosion à la vapeur présentent des corrélations positives significatives entre la concentration de polyphénols et les valeurs de DPPH·, ABTS⁺· et FRAP. Les extraits de graines de gombo montrent des corrélations positives entre la teneur totale en polyphénols et l'élimination des FRAP, DPPH· et des radicaux superoxydes (O₂⁻·), mais des corrélations négatives avec les flavonoïdes totaux, suggérant que certains composés non-phénoliques (par exemple, les sucres réducteurs) générés lors de l'explosion peuvent contribuer à l'activité antioxydante totale.
3.2 Effets sur l’activité antioxydante intracellulaire
Des études au niveau des cellules-confirment en outre les effets bénéfiques de l'explosion de vapeur. Dans les cellules du cancer du foie humain (HepG2), les extraits de son de blé provenant d'un matériau traité par explosion à la vapeur - présentent une activité antioxydante cellulaire significativement plus élevée (EC₅₀ inférieure) que les extraits non traités, indiquant des effets antioxydants plus forts. Une autre étude démontre que, quel que soit le lavage au PBS, les extraits de son de blé traités à 2,5 MPa pendant 30 secondes présentent une activité antioxydante cellulaire plus élevée que les extraits non traités, principalement en raison de l'augmentation des composés phénoliques solubles, en particulier de l'acide férulique soluble.
Pour le son de sarrasin amer, l'explosion à la vapeur augmente l'activité antioxydante de l'extrait phénolique libre de 215 % dans les cellules HepG2, avec une EC₅₀ environ deux fois supérieure à celle des échantillons non traités, tout en améliorant également de manière significative l'inhibition de la prolifération des cellules du cancer du côlon humain (Caco-2). Des expériences de digestion gastro-intestinale simulées indiquent que les produits de digestion du son non traités présentent une activité antioxydante cellulaire minimale, alors que les produits de son traités présentent une activité significative. Des résultats similaires sont rapportés pour les extraits de feuilles de Populus.
4. Perspectives
En tant que technologie efficace de prétraitement des matières premières, l'explosion à la vapeur présente un grand potentiel pour améliorer le rendement d'extraction des polyphénols et d'autres composés bioactifs, ainsi que pour renforcer leur activité antioxydante. L'efficacité de cette technologie est influencée par des facteurs intrinsèques tels que le type de matériau, la composition, la teneur en humidité, le pré-trempage et la taille des particules, ainsi que par des facteurs extrinsèques tels que la pression de la vapeur (température) et le temps de maintien. Les recherches futures pourraient se concentrer sur :
Intégrer des expériences in vivo et in vitro pour élucider les mécanismes par lesquels l'explosion de vapeur affecte la teneur et l'activité des polyphénols ;
Étudier la relation entre l'effet de structure-entre les propriétés de la matrice des matières premières et l'efficacité de l'explosion de vapeur, et construire des modèles pour optimiser les paramètres d'explosion ;
Clarifier les mécanismes de libération et la dynamique de transformation des composés bioactifs lors d'une explosion à la vapeur ;
Évaluer systématiquement l'impact de l'explosion de vapeur sur divers nutriments et leurs interactions dans les matières premières.
Avec la poursuite de la recherche et de l'optimisation technologique, l'explosion de vapeur devrait jouer un rôle de plus en plus important dans l'extraction efficace des composés bioactifs végétaux, le développement d'aliments fonctionnels et la fabrication verte dans l'industrie alimentaire.
