Synthèse enzymatique d’esters de sucres à potentialité tensioactive

La formation d’esters d’acides gras et de sucres par voie enzymatique est un procédé très recherché, notamment la production d’agro-tensioactifs . Ces molécules à squelette amphiphile sont biodégradables, non toxiques et possèdent des propriétés physicochimiques qui permettent leurs applications dans des domaines variés tels que la détergence  ou la cosmétique  , l’industrie alimentaire  , l’industrie du cuir, des peintures ou encore du textile. Jusque dans les années 1980, les tensioactifs étaient synthétisés à partir de ressources fossiles. De nos jours l’utilisation des ressources végétales pour la synthèse de produits chimiques s’intègre parfaitement dans le concept de chimie verte. Parmi ces ressources, les sucres sont particulièrement étudiés comme précurseurs de molécules plateformes, de tensioactifs verts. Dans ce contexte les esters de sucres  sont des molécules tensioactives de type non-ioniques produites à partir du greffage d’un sucre (hydrate de carbone) sur un acide gras. Dans ce système, la synthèse par une enzyme est possible. La catalyse enzymatique est en effet de plus en plus appréciée des industriels du fait des conditions douces de mise en œuvre. De plus, les biocatalyseurs immobilisés présentent une stabilité augmentée, des changements dans l’activité enzymatique, le pH optimum et l’affinité pour le substrat ont été observés.

Les premiers esters de sucres décrits dans la littérature sont : les esters de saccharose , les esters de sorbitan et les alkylpolyglycosides, APGly .

Dans ce cadre, nous avons étudié l’influence des différents paramètres réactionnels sur l’avancement de la réaction d’acylation enzymatique de substrats osidiques. Cette étape consiste à déterminer la fonction mathématique permettant de décrire le phénomène étudié avec les facteurs influents. Une démarche basée sur l’utilisation de la méthodologie de surface de réponse (RSM) a été proposée pour aborder les problèmes d’optimisation. Cette méthodologie est simple, efficace et facile à utiliser. Elle permet d’extraire le maximum d’informations avec un minimum d’essais expérimentaux (l’expérience coûte cher en temps et en moyens) afin de caractériser un processus de manière la plus précise possible. La RSM constitue le second volet de la méthode des plans d’expériences, qui permet de mieux comprendre et d’optimiser les paramètres de la réaction afin d’atteindre des réponses souhaitables. Ce comportement de la surface de réponse a été expliqué par un modèle polynomiale complet du second degré qui permet l’estimation des effets linéaires, quadratiques et des effets d’interaction. Pour cela, un logiciel de plan d’expériences, MINITAB version 14, offrant une multitude de possibilités statistiques et graphiques a été utilisé pour planifier les expérimentations, identifier les facteurs influents et optimiser les modèles.

Synthèse enzymatique d’esters de sucres à potentialité tensioactive

Les tensioactifs sont des molécules utilisées dans de nombreuses industries. Dans ce contexte, une élaboration à partir de ressources naturelles présentes dans la biomasse répond à des enjeux permanents. Les esters de sucres répondent à ces critères. De plus, leurs caractéristiques fonctionnelles, comme la Concentration Micellaire Critique (CMC) et la Balance Hydrophile-Lipophile (BHL), peuvent être formulées en modifiant la partie sucre et / ou la partie acide gras des esters de sucres. En effet, en variant la nature du sucre et la longueur de la chaîne grasse, il est possible d’obtenir un ensemble de molécules possédant une gamme très large de propriétés fonctionnelles intéressantes (tensioactifs moussants, fluidifiants, solubilisants, émulsionnants). Ils présentent également des avantages en matière de pureté, d’activité biologique (effet bactéricide), de biocompatibilité et de biodégradabilité. Actuellement, les esters de sucres sont employés dans les domaines agro-alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques.

Tensioactifs

Définitions

Les tensioactifs ou surfactants sont des molécules possédant deux parties opposées, une chaîne à caractère lipophile (ou queue hydrophobe) liée à un groupement à caractère hydrophile (appelée tête polaire). C’est l’antagonisme de cette structure qui lui donne son caractère amphiphile .

On peut diviser les tensioactifs en plusieurs catégories (nombre, nature et disposition des têtes hydrophiles et des queues hydrophobes au sein de la molécule). On peut avoir des tensioactifs mono-, bi- ou tri- caténaires selon le nombre de chaines hydrophobes greffées sur la même tête polaire. Plusieurs têtes hydrophiles peuvent être reliées à une ou plusieurs chaines hydrophobes donnant ainsi les tensioactifs bolaformes ou géminés .

Différentes classes de tensioactifs

Dans la littérature, on rencontre diverses structures de tensioactifs, variant notamment selon la nature de leur tête polaire. Il existe quatre grandes familles  qui sont les tensioactifs anionique, cationique, amphotères (zwitterionique) et non ionique.

Les tensioactifs anioniques 

Les tensioactifs anioniques possèdent un ou plusieurs groupes fonctionnels. En solution aqueuse, ils se dissocient pour donner des ions amphiphiles chargés négativement. Ces composés sont les plus utilisés à l’échelle industrielle, on les retrouve principalement dans les produits cosmétiques comme le savon, dont la partie hydrophile est un sel de sodium ou de potassium d’un acide carboxylique (R COO- M+ ). A titre d’exemples, on peut citer les composés sulfonés (RSO3-,Na+ ) tels que les sulfates d’alkyles et les sulfonates d’alkylbenzène, qui constituent la matière première tensioactive la plus utilisée dans la détergence .

Les tensioactifs cationiques 

Les tensioactifs cationiques sont caractérisés par une partie hydrophile chargée positivement. Le plus souvent ce sont des sels d’ammonium quaternaires triméthylés par exemple le bromure de cétyltriméthylammonium CTAB utilisé dans le domaine de la détergence .

Les tensioactifs amphotères 

Les tensioactifs zwitterioniques, ou amphotères, possèdent sur la partie hydrophile à la fois une charge positive et une charge négative. Ils sont par conséquent électriquement neutres. Cette structure dipolaire peut alors aisément devenir cationique ou anionique selon le pH de la solution. De nombreuses substances naturelles comme les bétaïnes entrent dans cette classe de tensioactifs .

Les tensioactifs non ioniques 

Les tensioactifs non ioniques ne se dissocient pas en solution aqueuse. Ils constituent la classe la plus récente de surfactants. Leur caractère hydrophile provient de la présence, dans leur molécule, d’un groupement polaire de type éther, alcool ou même amine . Les polyoxyéthylènes tels que le Brij ® 35 ou les polyglucosides d’alkyle (APG), utilisés en détergence ou en cosmétique en sont des exemples .

L’utilisation de la réaction d’estérification d’un acide gras par des polyalcools naturels comme les sucres a permis l’émergence des tensioactifs issus de matières premières naturelles.

Table des matières

Introduction générale
1ère Partie : Etude bibliographique
Chapitre 1: Synthèse enzymatique d’esters de sucres à potentialité tensioactive
I. Introduction
II. Tensioactifs
II.1. Définition.
II.2. Différentes classes de tensioactifs
II.2.1. Les tensioactifs anioniques
II.2.2. Les tensioactifs cationiques
II.2.3. Les tensioactifs amphotères
II.2.4. Les tensioactifs non ioniques
II.3. Domaine application des tensioactifs
II.3.1. Secteur de la détergence
II.3.2. Secteur de la cosmétique
II.3.3. Secteur industriel
III. La catalyse enzymatique
III.1. Structure des enzymes et fonction
III.2. classification
III.3. Dénaturation des enzymes
III.4. Facteur influençant l’activité enzymatique
III.4.1. La température
III.4.2.Le PH
III.5. Enzymes immobilisées
III.6. Différentes méthodes d’immobilisation
III.6.1. L’immobilisation par adsorption
III.6.2. L’immobilisation par inclusion
III.6.3.la réticulation
III.6.4. L’immobilisation par liaison covalente
IV. Les lipases
IV.1.Structure des lipases
IV.2.Mécanisme d’action des lipases
IV.3.Réaction catalyses par les lipases
V. Esters des sucres
V.1.Synthèse d’esters de sucres
V.2. Synthèse d’esters de sucres par voie enzymatique
V.3. Influence du milieu réactionnel sur la synthèse enzymatique des esters de sucres
V.3.1. Influence du solvant
V.3.2. Influence de la nature de l’enzyme
V.3.3. Influence de la température
V.3.4. Influence de la quantité de la lipase
V.3.5.Influence du temps de la réaction
V.3.6. Influence de la quantité du tamis moléculaire
VI. Conclusion
Chapitre 2: Généralités sur les plans d’expériences et les notions de statistiques
I. Introduction
II. Historique
III. Définition et domaine d’application des plans d’expériences
IV. Vocabulaire
IV.1. Facteur
IV.2. Réponses
IV.3. Domaine expérimental et domaine d’étude
IV.4. Matrice d’expérience
IV.5. Effet d’un facteur
IV.6. Interaction
IV.7. Modèle mathématique
V. Différents types des plans d’expériences
V.1. Plans de mélanges
V.2. Plans de criblage
V.2.1. Plans factoriels complets à 2 niveaux
V.2.2. Plans fractionnaires à deux niveaux
V.2.3. Les plans de Plackett-Burman
V.3. Plans de modélisation
V.3.1. Les plans de Doehlert
V.3.2. Les plans composites centrés
V.3.3. Les plans de Box-Behnken
V.3. 3.1. Avantage du modèle de Box-Behnken
VI. Logiciels des plans d’expériences
VII. Technique d’analyse
VII.1. Analyse de la variance
VII.2. Probabilité P
VII.3. Coefficients de détermination (R2 , R2 ajusté)
VII.4. Validation du modèle
VII.5. Courbes d’isoréponses et surfaces de réponses
VIII. Conclusion
2ème Partie: Optimisation et modélisation de la synthèse d’esters de sucres par les plans d’expériences
Chapitre 1: Optimisation de l’immobilisation de la lipase de Candida cylindracéa
I. Introduction
II. Immobilisation de la lipase de Candida cylindracea (CCL)
III. Estérification enzymatique de l’α-(+)-D-Glucose
IV. Résultats et discussion
IV.1. Résultats
IV.1.1. Influence du pH d’immobilisation de la CCL sur la conversion à T = 40°C
IV.1.2. Influence du pH d’immobilisation de la CCL sur la conversion à T = 60°C
IV.1.3. Influence du pH d’immobilisation de la CCL sur la conversion à T = 80°C
IV.2. Discussion
V. Intérêts des esters de sucres synthétisés
VI. Conclusion
Chapitre 2: Optimisation de la synthèse d’esters de D-Xylose par les plans d’expériences
I. Introduction
II. Préparation du plan d’expériences
II.1. Objectifs
II.2. Réponse
II.3. Détermination des facteurs et du domaine d’étude
II.4. Choix du Plan d’expérience
III. Plan de criblage (Plackett-Burman)
III.1 Réalisation des essais
III.2. Analyse statistique des résultats
III.2.1. Représentation graphique des effets
a. Diagramme de Pareto
b. Diagramme des effets principaux
III. 2.2. Détermination des effets significatifs et des coefficients du modèle
III.2.3. Equation du modèle mathématique
III.2.4. Analyse de la variance (ANOVA)
IV. Plan de Box-Behnken
IV.1. Résultats statistiques et interprétation
IV.2. Détermination du modèle mathématique
IV.3. Validation du modèle
IV.3.1. Validation primaire du modèle
IV.3.2. Représentation graphique des réponses théoriques en fonction des réponses mesurées
IV.4. Optimisation de la conversion
IV.5. Vérification
V. Conclusion
Chapitre 3: Optimisation de la synthèse d’esters de D-Glucose par les plans d’expériences
I. Introduction
II. Préparation du plan d’expériences
II.1. Objectifs
II.2. Réponse
II.3. Détermination des facteurs et du domaine d’étude
II.4. Choix du Plan d’expérience
III. Plan de Box-Behnken
III.1 Réalisation des essais
IV. Résultats statistiques et interprétation
IV.2. Détermination du modèle mathématique
IV.3.diagramme des effets d’interactions des facteurs sur la conversion
V. Validation du modèle
V.1. Représentation graphique des réponses théoriques en fonction des réponses Mesurées
V.2.Test de la normalité du plan Box-Behnken
V.2.1. Droite de henry des valeurs résiduelles
V.2.2. Valeurs Résiduelles en fonction des valeurs ajustées pour la conversion
V.2.3. L’histogramme des valeurs résiduelles de la conversion
V.2.4. Valeurs Résiduelles en fonction de l’ordre pour la conversion
VI. Optimisation de la conversion
VII. Vérification
VIII. Conclusion
Conclusion générale

Lire le rapport complet