Extraction du chitosane et élaboration d'un film alimentaire biosourcé

Informations

Lucie Granjeon, Stéphanie Siek, Rozelin Yilmaz
lucie.granjeon@etu.sorbonne-universite.fr ; stephanie.siek@etu.sorbonne-universite.fr ; rozelin.yilmaz@etu.sorbonne-universite.fr
Licence 3 monodisciplinaire chimie
25/03/2024 - 12/04/2024

Contexte

A l'heure où la chimie a besoin de se détacher du prétrosourcé et alors que 8 millions de tonnes de déchets de crustacés sont produits par an, la valorisation de ces déchets en chitosane est une alernative prometteuse. Ce biopolymère présente en effet de nombreuses propriétés et applications potentielles, notamment la capacité de former des films, ce qui ouvre la voie à des applications aussi bien dans le domaine de l'agroalimentaire que dans le domaine médical.

Objectifs

Montrer que les déchets alimentaires sont une source de biopolymères qui peuvent être une alternative aux films alimentaires en polyéthylène
Test et comparaison de la capacité du film à préserver un fruit
Evaluation de la biodégradabilité du film et de sa solubilité, et comparaison avec les films en polyéthylène

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Matériel

Papier pH
Barreau aimanté
Plats de cuisine en verre borosilicaté trempé
Mixeur de cuisine
Boîte de pétri en verre
Creuset (taille : 125μm, porosité 1)
Fiole à vide
Coupelle de pesée
Spatule
Pipettes graudée de 10 mL
Fioles jaugées
Bécher de 250 mL
Micropipette 1000-5000 μL
Flacons

Produits utilisés :

Chitosane low molecular weight
pastilles de NaOH
HCl 37%
NaOCl

Machines utilisées

Sorbonne fixe
Centrifugeuse réfrigérée (modèle : Sirena ; fabricant : Afi)
Etuve universelle ventilée 112 litres (300°C) (modèle : XUE112 ; fabricant : France étuves)
Agitateur magnétique chauffant (fabricant : IKA RCT)
Pompe à vide (modèle : N022AN ; fabricant : KNF)
Balance d'analyse max 320 g à 0,1 mg (modèle : ABS 320-4M ; fabricant : Kern)
Spectromètre FT-IR (modèle : Spectrum Two ; fabricant : PerkinElmer)

Mode opératoire

Étape 1 : Réaliser un film à partir de chitosane commercial

Étape 2 : Extraire le chitosane de déchets de crevettes

Étape 3 : Réaliser un film à partir de chitosane extrait

Journal de bord

25/03/2024 : (R+L+S)

Objectif : préparer une solution pour obtenir des films à base de chitosane commercial en premier test pour voir comment ils se décollent

Protcole suivi pour la formation de 3 films avec chitosane commercial :
- Préparer une solution acide : 100mL eau distillée + 2 mL acide lactique
- Agitation de la solution pour homogénéiser (quelques minutes)
- Ajouter 1g de chitosane et laisser sous vive agitation pendant 1h
- Prélever 30 mL, 25 mL et 47 mL de la solution et verser chacun de ces volumes dans un plat de cuisine
- Laisser évaporer 48h à température ambiante sous sorbonne.

25/03/2024 Hors Fablab (S) :

Objectif : récupérer les déchets de crevettes et les faire sécher avant de commencer l'extraction de la chitine

Mode opératoire suivi :
- - Décortiquer 200g de crevettes entières cuites (penaeus vannamei) et récupérer les têtes et les carcasses
  - Effectuer 5 lavages avec de l'eau du robinet filtrée à température ambiante : immerger les carcasses dans les récipients et mélanger pendant 1 min, vider l'eau et recommencer.
    → L'eau des premiers lavages et très rose et trouble et n'est quasiment plus colorée au bout du 5e lavage
    → Le nombre de lavages a été déterminé en fonction de la couleur de l'eau de lavage
  - Rincer à l'eau déminéralisée : placer les carcasses dans une passoire et verser de l'eau déminéralisée de façon à bien rincer les déchets
- Egoutter et mettre à sécher : placer sur une plaque de four et mettre à sécher au four domestique dans les conditions suivantes :
  - consigne du four réglée sur 30°C, température à l'intérieur du four contrôlée avec un thermomètre 25°C, durée : 4h
  - consigne du four réglée sur 40°C, température à l'intérieur du four : 30°C, durée : 5h
  → En milieu de séchage, les têtes ont été émiétées pour accélérer le séchage
Résultat :
- - masse de caracasse récupérée après séchage : 20g → insuffisant par rapport à la quantité estimée (environ 70g)

27/03/2024 (R) :

Objectifs : - préparer la solution de soude pour la 1ere étape de l'extraction
- Broyer les déchets de crevettes
- Décoller les films en chitosane et relancer une autre préparation

Mode opératoire suivi pour la préparation de la solution de NaOH 2M :
→ Un ratio solide solvant de 1:6 est nécessaire. En attente de la masse finale de déchets obtenus, nous avons préparé 250mL de solution de NaOH 2M (pour environ 40g de déchets séchés estimés)
- Peser 17,664 g de pastilles de NaOH dans un flacon de 250mL
- Peser 220,82 g d'eau distillée dans un bécher
- Ajouter l'eau dans le flacon, boucher et agiter
Démoulage des films réalisés le 25/03/2024 (chitosane commercial) :
- 25 mL : épaisseur trop fine pour pouvoir décoller le film
- 30 mL : pas assez épais donc cassant
- 47 mL : bonne épaisseur mais difficile de le décoller
  → repréparation de nouvelles solutions à partir du chitosane commercial

27/03/2024 Hors Fablab (S) :

Objectif : Récupérer plus de déchets de crevettes pour l'extraction

Mode opératoire suivi : même protocole que le 25/03/2024
- Température : consignée réglée sur 40°C, température à l'intérieur du four : 30°C
- Durée séchage : 8h
Résultats :
- masse déchets avant séchage : 276g
- masse déchets après séchage : 59,104g

28/03/2024 :

Broyage des carcasses de crevettes avec le mixeur de cuisine :
- Masse avant broyage : 59,104 g
- Masse après broyage : 58,836 g
Préparation de solution de NaOH 2M pour 30 g de carcasses :
- Peser 13,331 g de NaOH
- Peser 164,90 g d'H₂O
- Additionner l'eau et la soude dans un même bécher
- Conserver la solution dans un flacon

29/03/2024 :

Etape de déprotéinisation :
- Additionner la poudre et la solution de NaOH 2M dans un bécher
- Ajouter un barreau aimanté et laisser sous agitation pendant 1 h
- Filtrer sur creuset et laver à l'eau distillée jusqu'à pH neutre

03/04/2024 :

Remarque : La pompe utilisée n'était pas assez puissante et les pores du creuset se sont obstrués lors des manipulations. Nous avons donc testé la filtration avec un papier filtre mais ce n'était pas optimal. Comme ces deux techniques n'ont pas fonctionné, nous avons décidé d'utiliser la centrifugeuse.

Etape de déprotéinisation :
- - Centrifuger les solutions à 3500 rpm pendant 20 minutes à 25°C
  - Jeter le surnageant
  - Récupérer le résidu solide et le laver à l'eau distillée jusqu'à pH neutre

04/04/2024 :

Etape de déminéralisation :
- Peser la masse de résidu solide :
- Préparation d'une solution de HCl 1,5 M
Etape de déacétylation :
- Ajouter la chitine obtenue dans une solution de NaOH 60%
- Agiter pendant 1 h à température ambiante
- Centrifuger et laver le mélange à l'eau distillée
- Sécher le mélange à 85°C pendant une nuit à l'étuve
Préparation de solution

05/04/2024 :

Caractérisation du produit obtenu par spectromètre FT-IR
Formation du film avec le chitosane obtenu :
- Masse de chitosane :

08/04/2024 :

Plusieurs formations de films lancées :
- Avec glycérol :
- Sans glycérol :

09/04/2024 :

Décollement des différents films :
- Le film avec le glycérol se décolle plus facilement que celui sans glycérol. On choisit donc de réaliser le film à partir de notre chitosane avec le protocole comportant du glycérol.
Formation du film à partir de notre chitosane :
- Masse de chitosane : 0,43 g
- Masse de glycérol : 0,129 g
- Masse d'eau distillée : 21,5 g
- Masse d'acide acétique : 215 μL
- Verser dans un bécher muni d'un barreau aimanté, le glycérol, l'eau distillée, l'acide acétique et le chitosane
- Agiter pendant 45 min à 380 rpm tout en chauffant à 60°C
- Verser la solution dans la boîte de pétri
- Placer cette boîte à l'étuve pendant 3h à 45°C