Towards a quantitative and qualitative enhancement of the extraction of phenolic compounds from red grape pomace using electrotechnologies

Abstract

Ce travail porte sur l’amélioration quantitative et qualitative du procédé de fabrication d’extraits de marc de raisin riches en composés phénoliques. Les effets de technologies alternatives de traitement de la biomasse végétale sur l’amélioration des rendements d’extraction ont été étudiés à l’échelle laboratoire. Leurs impacts sur la qualité biochimique des extraits obtenus ont été évalués via la caractérisation analytique des composés phénoliques.Une étude comparative de différentes technologies alternatives de pré-traitement en milieux aqueux (décharges électriques haute tension (DEHT), champs électriques pulsés (CEP) et ultrasons (US)), d’un marc de raisin issu d’un procédé de vinification en rouge, en amont de la diffusion, a permis d’approfondir la compréhension des phénomènes induits et de leurs effets sur l’amélioration de l’extractabilité des composés. Nous avons montré que le choix du procédé à mettre en oeuvre était relatif au type de composés phénoliques ciblés : la localisation tissulaire de ces composés est apparue comme un facteur-clé pour optimiser leur extraction. La technologie de pré-traitement par CEP, induisant un endommagement localisé des structures végétales, s’est avérée particulièrement intéressante pour extraire sélectivement les anthocyanes situés au niveau des couches de cellules supérieures de l’hypoderme de la pellicule de raisin. Nous avons, par la suite, montré que le pré-traitement par CEP, en milieu sec (sans ajout de solvant) et à intensité de champ électrique modérée, était plus efficace pour la récupération sélective des anthocyanes et moins énergivore qu’un traitement CEP de forte intensité d’une suspension aqueuse de marc. Pour ce faire, nous avons mis en place une nouvelle configuration de cellule qui nous a permis d’étudier la faisabilité d’un pré-traitement en milieu sec, sans ajout de liquide conducteur, et d’optimiser les paramètres opératoires (masse volumique, intensité du champ électrique, énergie spécifique) influençant la récupération subséquente, lors de la diffusion, des composés phénoliques. Afin d’intégrer notre démarche expérimentale dans une approche systémique de type « bioraffinerie », l’accent a été mis sur le traitement du marc réhydraté à posteriori de la diffusion. L’intensification du pressage de ce marc par chauffage ohmique (CO) permet d’améliorer les rendements globaux d’extraction tout en assurant un premier niveau de déshydratation de cette biomasse.Un bilan technico-économique montre que l’application successive des électro-technologies (pré-traitement par CEP en milieu sec et pressage assisté par CO à posteriori de la diffusion) permet une amélioration des rendements massiques d’extraction de l’ordre de 30 % comparativement au procédé classique. Ce gain matière compense l’augmentation du coût de production (+ 2.7 % comparativement au procédé classique) et résulte une diminution du coût de production de l’extrait (7.3 €/kg vs 9.4 €/kg pour le procédé classique).This work aims at studying the effect of alternative technologies for the processing of winery byproducts on the improvement of extraction yields at laboratory scale. Their impacts on the biochemical quality of the extracts obtained from grape pomace were evaluated by the characterization of the extracted compounds. A comparative study on the effects of different alternative pre-treatment (pulsed electric field (PEF), high voltage electric discharges (HVED) and ultrasounds (US)) of aqueous suspensions of red grape pomace, prior to the extraction step, was realized with the specific objective of understanding the induced phenomena. The electroporation induced by PEF may allow the specific recovery of anthocyanins that are located in the upper cell layers of the hypodermis by facilitating the solvent penetration to particular skin tissues of grape. The location of targeted compounds with respect to tissue structures seems to be a key issue to optimize their extraction. As a consequence, we subsequently examined the feasibility of a PEF pre-treatment of relatively low humidity grape pomace for the enhancement of bioactive compounds extraction. We demonstrated that a relatively dry pomace (RH ≈ 55 %) can be effectively treated by PEF after optimal densification using a suitable configuration of the PEF cell. The PEF pre-treatment of a densified fermented grape pomace, at moderate electric field strengths, requires less output current and lower specific energy and is also more efficient for the selective recovery of anthocyanins than Hi-PEF pre-treatment of an aqueous suspension of grape pomace. We finally focused on the treatment of rehydrated grape pomace following the diffusion step. The enhancement of pressing of the grape pomace by ohmic heating allowed the recovery of two fractions: a solid fibrous residue partly dehydrated which could be further valorized as an agro-material or in feeding, and an extract, particularly rich in bioactive components.The technical-economic assessment shows that the successive application of electro-technologies (pre-treatment of grape pomace in dry environment by PEF followed by a pressing step assisted by ohmic heating) lead to an improvement of extraction yields of about 30 % compared to the conventional method. This mass improvement offset the increased production costs (+ 2.7 % compared to the conventional process) by reducing the total production costs of the extract (7.3 €/kg vs 9.4 €/kg for the conventional process)