Extraction du chitosane et élaboration d'un film alimentaire biosourcé

Informations

• Lucie Granjeon (L), Stéphanie Siek (S), Rozelin Yilmaz (R)
• 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 pour obtenir du chitosane est une alternative 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
• Tester et comparer la capacité du film à préserver un fruit par rapport au film en polyéthylène
• Évaluer la biodégradabilité du film et sa solubilité et comparaison avec les films en polyéthylène

Matériel

• Papier pH
  
• Barreau aimanté
• Plats de cuisine en verre borosilicaté trempé
• Mixeur/broyeur de cuisine
• Boîtes de pétri en verre
• Fritté (porosité 1)
• Fiole à vide
  
• Coupelles de pesée
• Spatule
• Pipette graduée de 10 mL
• Fioles jaugées
• Bécher en verre de 250 mL
• Micropipette 1000-5000 μL
• Flacons

Produits utilisés

• Chitosane de faible poids moléculaire (n° CAS : 9012-76-4)
• pastilles de NaOH (n° CAS :  1310-73-2)
• HCl 37% (n° CAS : 7647-01-0)
• Hypochlorite de sodium 14% Cl₂ en solution aqueuse (n° CAS : 7681-52-9)
• Acide lactique de qualité technique (n° CAS : 79-33-4)
• Glycérol anhydre (n° CAS : 56-81-5)
• acide acétique glacial pour analyses (n° CAS : 64-19-7)

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)

Étapes du projet

Étape 1 : Réaliser un film à partir de chitosane commercial ⁽¹⁾⁽³⁾

Étape 2 : Extraire le chitosane des déchets de crevettes ⁽²⁾

Étape 3 : Réaliser un film à partir de extrait de chitosane 

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 former des films à base de chitosane commercial en premier test pour avoir une idée de volume de solution à utiliser pour avoir une épaisseur de film satisfaisante ainsi que tester la façon de les décoller. 

• Protocole suivi pour la formation de 3 films avec chitosane commercial :
  • Préparer une solution acide dans une bécher en verre de 250mL :
    100mL eau distillée + 2 mL acide lactique prelevé à la pipette graduée 
    masse d'eau pesée : 100,4154 g 
    → l'acide lactique est un peu visqueux
  • Agitation magnétique de la solution pour homogénéiser (quelques minutes)
  • Ajouter 1g de chitosane commercial et laisser sous vive agitation pendant 1h à température ambiante
    masse de chitosane pesée : 1,0019g
    → la solution passe de trouble à presque limpide et a une certaine viscosité
  • Prélever 30 mL, 25 mL et 47 mL de solution à l'éprouvette graduée et verser chacun de ces volumes dans des plats de cuisine en verre borosillicaté. Veiller à ce que la solution recouvre toute la surface du moule. 
    → 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

Figure 1. Moules de cuisine en verres utilisés pour couler les 3 solutions de film. 

• • 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 un récipient et mélanger pendant 1 min, vider l'eau et recommencer. 
      → L'eau des premiers lavages est 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. 
  • 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 réglé sur 40°C, température à l'intérieur du four : 30°C, durée : 5h
    Durée totale du séchage : 9h
    → En milieu de séchage, les têtes ont été émiétées pour accélérer le séchage
    
• Résultat : 
  • • masse de caracasse récupérée après séchage : 20g → quantité insuffisante par rapport à la quantité estimée pour obtenir au moins 1g de chitosane (environ 70g de déchets)
      

Figure 2. Caracasses de crevettes après séchage

27/03/2024 (R) : 

Objectifs :   - préparer la solution de soude pour la 1ère 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 solvant solide de 1:6 est nécessaire. En attendant la masse finale des 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
    → préparation de nouvelles solutions à partir du chitosane commercial avec un peu plus de volume pour réussir à décoller
• 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. 
    
• Résultat : 
  • masse de poudre obtenue après broyage :
  • 
    
    Figure 3. Poudre de déchets de crevettes sèche 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 de séchage : 8h
• Résultats : 
  • masse de déchets avant séchage : 276g
  • masse déchets après séchage : 59,104g 
    → même espèce de crevettes mais plus gros calibre. La masse récupérée est supérieure à celle estimée, nous avons donc 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'eau 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 prelevés à l'éprouvette graduée (rapport 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
    → mélanger assez épais et visqueux
  • Filtrer sur fritté → 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 
  • Figure 4. Montage utilisé pour la filtration
    
• 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 éviter de la casser. 

02/02/2024 : (R)

Objectifs : - fin de la déprotéinisation 
- 2e étape de l'extraction : déminéralisation

• Mode opératoire suivi pour la fin de l'étape de déprotéinisation : 
  • • filtration à l'aide d'un filtré → échec 
    • Centrifuger les solutions à 3500 tr/min pendant 20 minutes à 25°C
    • Jeter le surnageant
    • Récupérer le résidu solide et le laver à l'eau distillée jusqu'à pH neutre, centrifuger entre chaque lavage, 10 lavages réalisés, perte de produit
• Mode opératoire suivi pour préparer la solution d'HCl 1.5M 
• Mode opératoire suivi pour l'étape de déminéralisation : Ajouter tout le solide dans une solution de HCl 1.5M avec un ratio solide solvant de 1:12

03/04/2024 (S) : 

Objectif :  - Etape de décoloration 
                - Repréparer une solution de formation de film avec le chitosane commercial pour tester la reproductibilité

• Préparation de la solution de NaOCl 5% :  dilution de la solution par 2,5
  • Dans une éprouvette graduée de 25mL, verser 25mL de solution de NaOCl 14% et compléter jusqu'à 15mL avec de l'eau distillée 
• Résultats de la déminéralisation après une nuit à l'étuve :
  • masse obtenue : 2,1509g
    → grosse perte de produit bien supérieure à celle attendue.... 
  • Figure  5. Chitine obtenue après une nuit de séchage à l'étuve
    
• Mode opératoire suivi pour l'étape de décoloration : 
  • Mélanger la totalité de la poudre de chitine obtenue dans 25mL de solution de NaOCl 5% ( ratio solide : solvant de 1:10)
  • Agiter pendant 30 min à température ambiante
    • • • • • • • • • • 
                        Figure 6. Solution décolorée après 30min d'agitation 
  • Centrifuger la solution pour récupérer le solide : 10 000rpm à température ambiante pendant 10 min
    
  • Laver à l'eau distillée pour retirer l'excès de NaOCl puis recentrifuger pour récupérer le solide
    → la vitesse et la durée de rotation de l'étuve sont à adapter de façon à ce que le moins de solide possible reste dans le surnagent. Le retrait du surnagent se fait le plus délicatement possible et est terminé à la pipette pasteur en plastique de façon à perdre le moins de produit. Le reste d'eau difficile à être éliminer sans trop perdre de produit est évaporé à l'étuve. 
  • Placer dans une boîte de pétri en verre et mettre à sécher à l'étuve à 85°C toute la nuit
• Résultats : La décoloration a fonctionné 
• Mode opératoire suivi pour la solution de formation du film : 
  même mode opératoire suivi que le 25/03/2024, solution coulée dans 2 boîtes de pétri en verre et un plat de cuisine

04/04/2024 (S) : 

Objectifs : - préparation d'une solution de NaOH 60% 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
• Résultats de l'étape de décoloration après une nuit à l'étuve :
  • La poudre est bien décolorée
  • Figure 7. Chitine décolorée après une nuit à l'étuve
  • masse obtenue : 1,5682g 
    → perte de masse attribuée au lavage par centrifugation et au transfert du tube à centrifuger dans la boîte de pétri
• Mode opératoire suivi pour l'étape de déacétylation :
  • Dans un bécher, ajouter toute la chitine obtenue dans 15mL de solution de NaOH 60% prélevée à l'expériencette graduée (ratio solide : solvant 1:10)
  • Agiter pendant 1 h à température ambiante avec un agitateur magnétique
  • Centrifuger et laver le mélange à l'eau distillée jusqu'à pH neutre :  10 000rpm pendant 10min 
     → manque de temps, seulement 2 rinçages réalisés et pH encore très basique (14 avec papier pH)
    → durées et vitesses de centrifugation variables pour optimiser au mieux le temps et la quantité de solide récupérable au fond du tube
    → Les mêmes précautions que pour la décoloration sont prises pour éliminer le surnagent
  • Placer le solide obtenu dans une boîte de pétri en verre et placer pendant une nuit à l'étuve à 85°C 
    
• Mode opératoire suivi pour la préparation de films avec le nouveau protocole à base de glycérol : 
  Nous testons un autre protocole pour faire un film à partir de chitosane qui utilise du glycérol pour voir si nous arrivons mieux à le décoller ⁽³⁾
  • Dans une coupelle de pesée, peser 2g de chitosane commercial
  • Dans un bécher en verre de 250mL : peser 0,6g de glycérol prélevé à la pipette pasteur en plastique 
    → très visqueux
  • introduire dans le bécher 100mL d'eau distillée prélevée à l'éprouvette graduée
  • Ajouter dans le bécher 1mL d'acide acétique glacial à la micropipette
  • Ajouter la poudre de chitosane commercial dans le bécher
  • Agiter pendant 1h à 60°C 
    → consigne de l'agitateur magnétique chauffant réglée à 65°C et 380 rpm 
  • Verser 20mL de solution dans 2 boîtes de pétri en verre et 40mL de solution dans le plat de cuisine en verre
    
• Manipulations concernant le séchage des films :
  moule de solution de film réalisé la veille placé 2h à l'étuve pour accélérer le séchage 
  
  
• Caractérisation IR-ATR de la chitine : Nous repérons la bande caractéristique de de la chitine :  l'élongation CO amide à 1621,54cm^-1

05/04/2024 : (L+S)

Objectifs : - Caractérisation IR du produit obtenu après déacétylation
- Démoulage des films préparés le : 

• Caractérisation IR ATR du produit obtenu : 
  
  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 l'extrait de chitosane que le commercial, 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 :  - Démoulage des films réalisés le : 
- préparation de nouvelles solution de films avec et sans glycérol avec 0.5g de chitosane commercial pour choisir le protocole et tester les meilleures conditions avant la réalisation du film avec le chitosane extrait

• Démoulage des films : Les films en glycérol se décollent beaucoup plus facilement comme le montre le vidéo : https://youtu.be/W0EesuDGnuk 
• Plusieurs formations de films lancées avec 0,5 g de chitosane commercial dans chaque cas :
  • Avec glycérol :
    • Masse de chitosane : 0,5 g
    • Masse de glycérol : 0,15 g
    • Masse d'eau distillée : 25 g
    • Masse d'acide acétique : 250 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 tr/min tout en chauffant à 60°C
    • Verser la solution dans la boîte de pétri. Veiller à ce que la solution recouvre toute la surface du moule.
    • Placer cette boîte à l'étuve pendant 3h à 45°C
  • Sans glycérol : 
    • Masse de chitosane : 0,5 g
    • Masse d'eau distillée : 50 g
    • Masse d'acide lactique : 1 mL (prélevé à la pipette graduée)
      → l'acide lactique est un peu visqueux
    • Verser dans un bécher muni d'un barreau aimanté, l'eau distillée et l'acide lactique
    • Agiter la solution pendant quelques minutes pour homogénéiser
    • Ajouter le chitosane commercial et laisser sous vive agitation pendant 1h à température ambiante
      → la solution passe de trouble à presque limpide et a une certaine viscosité
    • Verser la solution obtenue dans une boîte de pétri. Veiller à ce que la solution recouvre toute la surface du moule.
    • Placer cette boîte à l'étuve pendant 3h à 45°C

04/04/2024 : (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 tr/min 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

•  préparation 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 différent 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 qu'il est possible de faire des films alimentaires à partir de chitosane commercial et que le protocole qui utilise du glycérol est celui qui nous a permis d'obtenir les meilleurs résultats. 
• Nous avons aussi réussi à extraire la chitine des déchets de crevettes et à la déacétyler partiellement en chitosane. Cependant, il serait utile de recommencer l'extraction en utilisant une autre technique que la centrifugation pour les rinçages et partir d'une masse de déchets beaucoup plus importante pour que l'impact des pertes de masses lors des rinçages soit négligable. De plus, l'étape de déacétylation est la plus cruciale et sensible aux conditions expérimentales. Il s'agit de l'étape la moins détaillée des publications que nous avons trouvées. Il pourrait être pertinent de tester de nouvelles conditions de déacétylation en jouant sur la concentration en NaOH et/ou la température dans le but de mieux déacétylé le chitosane obtenu et réussir à former un film.

Références :

1. Cazón, P., Morales-Sánchez, E., Velázquez, G., & Vázquez, M. (2022).
   Measurement of the water vapor permeability of chitosan films: a laboratory experiment on food
   packaging materials. Journal of Chemical Education, 99(6), 2403–2408.
   https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.2c00449
2. Aldila, H., Asmar, Fabiani, V. A., Dalimunthe, D. Y., & Irwanto, R. (2020). The effect of
   deproteinization temperature and NaOH concentration on deacetylation step in optimizing extraction
   of chitosan from shrimp shells waste. IOP Conference Series, 599(1), 012003.
   https://doi.org/10.1088/1755-1315/599/1/012003

3. Siripatrawan, U., Vitchayakitti, W. (2016). Improving functional properties of chitosan films as active food packaging by incorporating with propolis, Food
   Hydrocolloids 61 (695-702) https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2016.06.001