Le marc de café est le coproduit solide résidant de l’extraction aqueuse pour obtenir la boisson chaude, représentant environ 6 millions de tonnes par an.
L’objectif principal de cette étude est de définir et d’évaluer une approche de valorisation en cascade du marc de café, visant à l’épuiser de manière progressive et efficace pour générer différents produits d’intérêt industriel.
Pour atteindre cet objectif, deux procédés ont été sélectionnés : d’abord l’éco-extraction solide-liquide assistée par ultrasons pour récupérer les composés phénoliques antioxydants, puis de manière séquentielle la fermentation en milieu solide sur le marc appauvri avec Penicillium solitum pour la production d’un cocktail enzymatique hydrolytique.
Valorisation du marc de café : extraction et composition
L’UAE a permis d’extraire environ 30% de plus de polyphénols totaux (11,8 mg GAE/g contre 9,1 mg GAE/g) et de réduire la consommation d’énergie d’au moins 3 fois (170 Wh contre 630 Wh) dans les conditions optimales d’extraction (eau-éthanol 50-50, 40 mL/g, puissance de 571 W/L pour l’UAE ou température de 70°C pour la CE).
L’application de ces conditions optimisées sur le SCG-2 a permis d’obtenir 23% d’activité antioxydante supplémentaire (77,9 contre 63,5 µmol Trolox/g) dans l’extrait par rapport au SCG-1.
L’extrait de composés phénoliques obtenu à partir de SCG-2 dans les conditions d’UAE optimisées montre la présence d’acides chlorogéniques fréquemment retrouvés dans un marc de café avec 4,3 mg/g de 3-CQA, 5-CQA et 0,4 mg/g de 5-CQA et 3,5-diCQA respectivement, et ces composés ne sont pas présents dans l’extrait issu de SCG-1.
Le stockage du marc influence donc le profil des composés phénoliques et peut favoriser l’apparition d’autres composés antioxydants formés par des micro-organismes lors du stockage.
Fermentation en milieu solide sur marc appauvri
Suite à l’isolement d’une quarantaine de champignons filamenteux sur SCG-1, Penicillium solitum a été retenu pour optimiser une fermentation en milieu solide (FMS) en vue de la production d’un complexe enzymatique hydrolytique.
Les conditions optimisées d’extraction et de fermentation (7 mL/g, 55 minutes et 74,1% d’humidité, 7 jours d’incubation, inoculum de 10^7 spores/g) ont permis de produire un cocktail enzymatique avec des activités lipase, mannanase et glucanase sur SCG-1.
Les conditions optimales de fermentation sur SCG-2 ont été (75% d’humidité, 7 jours d’incubation et inoculum de 8,1x10^6 spores/g) avec des activités calculées par le modèle de 65,3 U/g pour l’activité lipase, 948 mU/g pour la mannase et 295 mU/g pour la glucanase pour l’extrait SCG-1, et 49,5 U/g, 939 mU/g et 206 mU/g respectivement pour SCG-2.
L’extrait de SCG-2 présente une activité antioxydante accrue et le profil de ces enzymes reflète l’impact du stockage et du substrat.
Profil des composants et bioinstruments
L’extrait de SCG-2 sous UAE optimisé contient des acides chlorogéniques typiques du marc de café et montre des teneurs spécifiques en 3-CQA, 5-CQA et 3,5-diCQA qui diffèrent de SCG-1, indiquant l’influence des conditions de stockage et de traitement sur la composition.
Les protéines, enzymes et métabolites présents dans ces extraits peuvent être exploités comme cocktails enzymatiques pour diverses industries, notamment l’alimentation, le textile et les détergents.
Applications de la fermentation en milieu solide
Les microorganismes tels que champignons filamenteux produisent un grand nombre d’enzymes (lipases, cellulases, xylanases, pectinases, protéases, phytases, etc.) utilisées dans l’industrie textile, alimentaire et des détergents, et la FMS offre des avantages économiques, technologiques et environnementaux.
La FMS est adaptée à la production d’enzymes industrielles, à la modification des substrats pour améliorer leurs qualités nutritionnelles, et à la production de biomasse fongique pour des applications de biocontrôle et de nutraceutiques.
La fermentation solide peut être utilisée pour augmenter les protéines totales et digestibles de matières végétales comme le tourteau de colza, et peut générer des enzymes utiles tout en réduisant l’utilisation d’eau et d’énergie par rapport à la fermentation liquide.
Enjeux et perspectives
La FMS est une technique ancienne mais en plein renouveau, stimulée par les exigences environnementales et la demande pour des produits « clean label » et des aliments fonctionnels.
Elle offre une alternative durable en termes d’utilisation des ressources, d’évacuation des effluents et de consommation d’eau et d’énergie, tout en permettant le développement de bioproduits et biomatériaux.
Des infographies et schémas pourraient illustrer la cascade de valorisation entre extraction des phénoliques et fermentation enzymatique, ainsi que les comparaisons UAE vs CE.
Explication de la fermentation en milieu solide | Types, bioréacteurs, exemples et avantages | Co...
Des applications futures incluent la production de biocarburants, biorémédiation, et le développement de matériaux à base de champignons, tout en renforçant les chaînes de valeur des sous-produits agricoles.
Cas pratiques et chaînes industrielles
Le marc collecté et stocké par Gecco (SCG-1) et SCG-2 provenant du laboratoire d’accueil offrent deux scénarios industriels pour tester les procédés et leurs contraintes logistiques liées au stockage.
La comparaison des méthodes d’extraction sur SCG-1, conventionnelle et assistée par ultrasons, met en évidence l’apport déterminant des ultrasons sur la récupération des composés phénoliques et la réduction des coûts énergétiques.
| Paramètre | SCG-1 | SCG-2 |
|---|---|---|
| Extraction CE | 9,1 mg GAE/g | - |
| Extraction UAE | 11,8 mg GAE/g | - |
| Activité antioxydante SCG-1 | - | 63,5 µmol Trolox/g |
| Activité antioxydante SCG-2 UAE | - |
Les résultats démontrent l’efficacité des procédés en cascade pour exploiter des substrats agro-industriels et ouvrent des perspectives industrielles pour la production d’enzymes et de biomolécules à haute valeur ajoutée.