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)

ModeEtapes opératoiredu projet :

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 

Étape 4 : Etude de la biodégradabilité (hors Fablab), de la capacité à préserver une banane (hors Fablab) et de la solubilisation du film dans l'eau

 

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
    → Ayant un protocole pour 100mL de solution, nous avons choisi d'utiliser toute la solution pour préparer des films en testant différents moules et différentes épaisseurs
  • Laisser évaporer 48h à température ambiante sous la sorbonne. 
    

 

25/03/2024 Hors Fablab (S) :

Objectif : récupérer des 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 
• Mode opératoire suivi pour la préparation d'une nouvelle solution de film avec le chitosane commercial : 
  
  • même protocole que celui du 25/03
  • répartition de la solution dans les moules : 
    - test de tremper la banane dans la solution → échec
    - 30mL de solution dans le moule de taille moyenne 
    - test de verser de la solution sur du papier cuisson → n'adhère pas 
    - 20mL dans une boîte de pétri en verre de 20cm de diamètre
• Broyage des déchets de crevettes : 
  • à partir d'un mixeur/broyeur de cuisine en plusieurs fois de façon à obtenir la poudre la plus fine possible
    masse après broyage : 
    

 

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 
    → même espèce de crevettes mais plus gros calibre, masse récupérée supérieure à celle estimée, besoin de repréparer de la solution de NaOH 2M pour la déprotéinisation

 

28/03/2024 (L) : 

Objectifs : - broyer la suite des déchets récupérés et séchés de la veille
- repréparer une solution de NaOH 2M pour la déprotéinisation pour en avoir suffisamment 

• Broyage des carcasses de crevettes avec le mixeur de cuisine :
  • Masse avant broyage : 59,104 g
  • Masse après broyage : 58,836 g
    → masse totale de déchets récupérés : 
• Mode opératoire suivi pour la préparation de la solution de NaOH 2M pour 30 g de carcasses :
  • Peser 13,331 g de pastilles de NaOH
  • Peser 164,90 g d'H₂O distillée 
  • Additionner l'eau et la soude dans un même bécher
  • Conserver la solution dans un flacon

 

29/03/2024 (R+S) : 

Objectifs : - 1ere étape de l'extraction : déprotéinisation
- Démoulage des films préparés le 27 mars 

• Mode opératoire suivi pour l'étape de déprotéinisation :
  • Additionner la totalité de la poudre de déchets de crevettes et      mL de solution de NaOH 2M (ratio solide solvant 1:6) dans un bécher en verre de 250mL 
  • Ajouter un barreau aimanté et laisser sous agitation pendant 1 h à 30°C sur un agitateur magnétique chauffant → mélange assez épais et visqueux
  • Filtrer sur creuset → la pompe chauffe rapidement et la solution bouche le fritté et manque de temps : tout rassembler dans un bécher recouvert de parafilm et choix d'une nouvelle méthode pour récupérer le solide la prochaine fois 
• Résultats du démoulage des films : film dans la boîte de pétri : difficultés à décoller, se déchire
  film dans le plat de cuisine : bords un peu difficiles et bien collés mais décollage du film quasi entier réussi
  mode opératoire pour décoller le film : faire les contours du film avec un outil pointu puis à l'aide d'une pince en métal décoller délicatement un bord, terminer de tirer le film hors du moule à la main est plus simple et évite de la casser. 

03/ 

02/04/2024 : (R)

RemarqueObjectifs : - fin de la déprotéinisation 
- 2e étape de l'extraction : 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.minéralisation

• 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 neutreneutre, centrifuger entre chaque lavage, 10 lavages réalisées, perte de produit

03/04/2024 (S) : 

Objectifs : Etape de décoloration 

04/04/2024 (S) : 

• Etape de déminéralisation

  Objectifs :

  -
  • Peser la masse de résidu solide :
  • Prépréparation d'une solution de HClNaOH 1,560% M
  pour
  l'étape
de
• déacétylation
  - Etape de déacétylation de la chitine en chitosane
  - Caractérisation IR de la chitine 
  - préparation de solutions de films avec le nouveau protocole qui utilise du glycérol
  • Mode opératoire suivi pour la préparation d'une solution de NaOH 60% : 
    • Peser 60g de pastilles de NaOH dans une fiole jaugée de 100mL 
    • Compléter au trait de jauge avec de l'eau distillée : → très exothermique !! 
    • Boucher et agiter → perte de volume donc rajouts réguliers d'eau distillée jusqu'au trait de jauge puis également juste avant l'utilisation de la solution
  • Mode opératoire suivi pour l'étape de déacétylation :
    • AjouterDans un bécher, ajouter toute la chitine obtenue dans une    mL de solution de NaOH 60% prélevée à l'éprouvette graduée 
    • Agiter pendant 1 h à température ambiante avec un agitateur magnétique
    • Centrifuger et laver le mélange à l'eau distillée jusqu'à pH neutre : 
      1. 10 000rpm pendant 10min 
       → manque de temps, seulement 2 rinçages réalisés et pH encore très basique (14 avec papier pH)
    • Sécher le mélange à 85°C pendant une nuit à l'étuve
  • PréMode opératoire suivi pour la préparation de solutionfilms avec le nouveau protocole à base de glycérol : 
  • Manipulations concernant le séchage des films :
  • Caractérisation IR-ATR de la chitine : 

  05/04/2024 : (L+S)

  Objectifs

  • : - Caractérisation IR du produit obtenu paraprès spectromètredéacétylation
    - FT-IR
  Démoulage des films préparées le : 
  
  • FormationCaractérisation IR ATR du filmproduit avecobtenu : 
    
    rouge : spectre IR-ATR du chitosane commercial
    noir : spectre IR - ATR du chitosane extrait 
    → on note une bonne superposition des 2 spectres qui confirme que le produit obtenu est bien du chitosane. La bande amide à 1622cm-1 est plus intense sur le chitosane obtenuextrait :que
    le
    • Massecommercial, il est donc moins déacétylé. Nous notons également la présence de "bandes supplémentaires" sur le chitosane :extrait qui semble indiquer que celui-ci n'est pas parfaitement pur. 
      

  08/04/2024 : (L+S) 

  Objectifs : 

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

  09/04/2024 : (L)

  • 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

  10/04/2024 : (L+S)

  Objectif :  - Voir si un film est obtenu avec le chitosane extrait 
  

  • 
    Le solvant s'est évaporé et le chitosane a reprécipité → pas de film obtenu
  • 
  •  repréparation d'une solution en laissant agiter plus longtemps et en ajoutant plus d'acide pour favoriser la solubilisation : meilleur aspect de la solution qui reste très différente de celle avec le chitosane commercial mais mélange quasi complètement homogène. 

  12/04/2024 : (S)

  Objectif : - voir les modifications de protocole ont permis d'obtenir un film avec le chitosane extrait

  • Pas de film obtenu avec le chitosane extrait → étude de la biodégradabilité et de la capacité à préserver une banane à partir des échantillons de films à base de chitosane commercial 
    

  Conclusion : 

  • Nous avons pu montrer que le 

  Références :

  1.