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Ecole Nationale Supérieure Agronomique

(Ex - INA El Harrach - Alger)

ACADEMIE D'AIX-MARSEILLE

UNIVERSITE D'AVIGNON ET DES PAYS DE VAUCLUSE

Ecole doctorale ED 306, Sciences des procédés, sciences des aliments UMR A 408 INRA, Sécurité et Qualité des produits d'Origine Végétale

THESE EN CO-TUTELLE

Présentée pour obtenir le grade de Docteur en Sciences de L'Université d'Avignon et des Pays de Vaucluse & Ecole Nationale Supérieure Agronomique

SPECIALITE : Chimie

Par

Nabil BOUSBIA

Soutenue le 10 / 07 / 2011 devant un jury composé de

Président :

Mr. Youyou A. Professeur E.N.S.A. (Algérie)

Directeur de thèse :

Mr. Meklati B.Y. Professeur U.S.T.H.B. (Algérie)

Mr. Chemat F. Professeur U.A.P.V. (France)

Examinateurs :

Melle Boutekedjiret C. Professeur E.N.S.P. (Algérie) Mme Ferhat Z. Maître de conférences E.N.S.A. (Algérie) Mr. Baaliouamer A. Professeur U.S.T.H.B. (Algérie)

Avant-propos

Une partie des travaux relatés dans ce manuscrit de thèse a donné lieu à la publication de deux

articles scientifiques dans des journaux internationaux à comité de lecture. Ces travaux ont

également été valorisés scientifiquement par une communication orale et une communication

par affiche. Publications scientifiques dans des revues à comité de lecture

1. Journal of Food Engineering 90 (2009) 409 - 413.

A New Process for extraction of essential oil from Citrus Peels:

Microwave Hydrodiffusion and Gravity.

BOUSBIA N., VIAN M.A., FERHAT M.A., MEKLATI B.Y., CHEMAT F.

2. Journal of Food Engineering 90 (2009) 409 - 413.

Comparison of two isolation methods for essential oil from rosemay leaves : Hydrodistillation and microwave hydrodiffusion and gravity. BOUSBIA N., VIAN M.A., FERHAT M.A., PETITCOLAS E., MEKLATI

B.Y., CHEMAT F.

Communication orale

1. Séminaire international sur la biotechnologie au service du secteur agroalimentaire

(Tipaza, les 17 - 18 juin 2008, Algérie). Etude de l'activité antimicrobienne de quelques huiles essentielles. Recherche Agronomique (INRA Algérie) - Actes du séminaire international sur la biotechnologie au service du secteur agroalimentaire (Tipaza, les 17 - 18 juin 2008) - Numéro Spécial, pp : 73 - 78. BOUSBIA N., BOUTALEB A., NACER-BEY N., MEKLATI B.Y.,

CHEMAT F.

Communication par affiche

1. GIFC 2010 : Franco-Italian Chemistry Journey, April 26-27th,Genova, Italy.

Microwave Hydrodiffusion and Gravity (MHG) : A Solvent free extraction of essential oils. BOUSBIA N., ABERT VIAN M., MEKLATI B.Y., CHEMAT F. " A la lumière de la connaissance, l'heureux résultat semble presque aller de soi ; tout étudiant (...) peut l'appréhender sans trop de difficulté. Mais les longues années de tâtonnements, de recherches dans le noir, avec leur lancinante tension, l'alternance des périodes de confiance et de découragement, puis finalement la sortie vers la lumière, seuls ceux qui ont prouvé cela peuvent le comprendre. »

A. Einstein (1934).

" La distillation n'est rien d'autre que l'art de séparer le subtil de l'épais et l'épais du subtil, de rendre le fragile ou destructible indestructable, la matière immatérielle, la physique spirituel, le laid plus beau. »

Hieronymus Brunschwig (1512).

" Tout vient à point à qui sait attendre. »

Adage populaire.

REMERCIEMENTS

Louange à Allah, nous Le glorifions, Lui demandons aide et invoquons Son pardon contre

le mal de nos pechés, celui qui fut guidé personne ne peut l'égarer et celui qui est égaré personne ne

peut le guider. Je témoigne qu'il n'y a point de divinté digne d'adoration sauf Allah, l'Unique, qui

n'a point d'associé et je témoigne aussi que Muhammed est Son Serviteur et Son Messager, que la

bénédiction d'Allah soit sur Lui, sa famille, ses compagnons, et tous ceux qui le suivent sur le droit

chemin jusqu'au Jour Dernier. Ensuite...

Je tiens à exprimer mes sincères gratitudes à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à

la réalisation de ce travail. Mes remerciements vont en premier lieu à mes deux directeurs de thèse : - Mr Meklati Brahim Youcef, Professeur à L'Université de Sciences et Technologie Houari Boumedien (USTHB - bab ezzouar) pour m'avoir dirigé, conseillé, et encouragé, et m'accueillir en tant que chercheur associé au sein du Centre de Recherche Scientifique et Technique en Analyses Physico-chimiques (CRAPC) dont il est Directur Général, ainsi pour

sa bonne volonté, sa patience et ses précieux conseils qu'il m'a prodigués tout au long de ce

travail. - Mr Chemat Farid Professeur à L'université d'Avignon et des pays de vauculuse qui a su toujours trouver les mots pour m'amener à exprimer mon rêve, faire de la recherche et transmettre les connaissances ; il m'a soutenu, encadré tout au long de cette thèse, dans les bons moments, comme dans les périodes de découragement, de m'avoir acceuilli dans son laboratoire GREEN à Avignon. J'ai pu apprécier ses compétences professionnelles mais

aussi ses qulités humaines. Bien que très engagé dans les activités de direction et de gestion

de son laboratoire, au plan national et international, il a toujours su être présent Je remercie le Professeur Youyou A. pour son aide et pour avoir bien voulu présider le jury et examiner ce travail. J'exprime mes plus sincères remerciements aux membres de jury qu'ils ont accepté la lourde

tache de lire l'intégralité de ce manuscrit et de participer au jury de ma soutenance. Aussi je leur

suis reconnaissant de m'avoir accordé de leurs temps. Au sein du laboratoir Green de l'Uapv Avignon, j'ai pu rencontrer de très nombreuses

personnes qui m'ont apporté une aide considérable et je les en remercie : Maryline, Valérie, Anne,

Sandrine, karine, Christine et Julien sans oublier cheriki Manu et Cyril ; mes pensés vont aussi aux

doctorants et doctorantes que j'ai pu rencontrer au labo :, Mathieu, Sébastien, Abdelalah, Asma,

Muhammed, Huma, Khalida, Dunja, Daniela, Enfin j'ai eu la chance de bénéficier des compétences

professionnelles de Mme Isabelle Bornard (INRA - unité de Pathologie végétale, Domaine St Maurice, Montfavet, France), grâce à qui j'ai obtenu de magnifiques images par microscopie

électronique à balayage.

Je ne saurai jamais assez remercier toute ma famille, en particulier ma mère, mon père, mes

soeurs et frères, mes cousines et cousins, Tantes et Oncles pour les sacrifices et l'amour qu'ils ont

témoigné à mon égard.

Je tiens aussi à remercier notre défunt professeur Ayad G. qui m'a tellement aidé et épaulé

tout en m'a acueillant toujours avec son beau sourir qu'Allah lui fasse miséricorde. Je remercie également, Professeur Daoud Y., qu'il trouve ici mes vives remerciements et ma gartitude pour son aide si preciseuse et pour son encouragement tout le long de mon parcour. Je tiens aussi à remercier tous les enseignants, ingénieurs, techniciens et administrateurs du département de sciences alimentaires et, de l'Ecole Nationale Superieure Agronomique, qui m'ont

aidé, guidé et encouragé et tous les membres de l'équipe huiles essentielles et de microbiologie du

CRD SAIDAL que je ne saurai assez remercier pour tout ce qu'ils ont fait. Mes remerciements vont également à Mina, Mohamed & Mohamed, Baya, Fatima, Mebrouk Nadia, Lâarbi du département de technologie alimentaire, et à Redouane et Ammar du département de Pédologie de l'INA. Ma gratitude va à Mr Moualhi, Directeur de la station de l'ITAF - Boufarik, qui a accepté

de m'aider et de me fournir tous les échantillons de Citrus dont j'avais besoin. Ma gratitude va aussi

à Mr Boudtiche de SOMIVER qui m'a tellement aidé et épauler au cours de mon expérimentation.

Ma gratitude va également à tous mes amis(es) qui m'ont aidé par leur présence et leur amitié, particulièrement Mahrez, Ahmed, Mohamed Amine, Soraya, Amel, Fatiha, Arezki, Halima,

Nassima, Salah, Zakaria, Rabiaa, Ryad, Karim.

Pour conclure, je souhaite adresser mes remerciements à tout l'ensemble du personnel du Centre de Recherche Scientifique et Technique en Analyses Physico-chimiques (CRAPC) et du laboratoire d'Analyse Organique Fonctionnelle (LAOF) de la faculté de Chimie - USTHB où les analyses chromatographiques (CPG et CG/SM) ont été effectués.

Enfin, ne pouvant citer tous ceux et celles qui m'ont été d'un apport petit ou grand, je leur adresse

mes remerciements les plus sincères.

Liste des abréviations

ATCC : American Type Collection Culture

ACL : Antioxidant Capacity of Lipophilic soluble compounds BHA : HydroxyAnisole Butylé BHT : HydroxyToluène Butylé BSAC : British Society for Antimicrobial Chemotherapy CE : Communaté Européenne CEI : Communaté des Etats Indépendants cfu/mL : unités de colonies formés / millilitre CIRAD : Centre de coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le

Développement

CG : Chromatographie en phase gazeuse CG/SM : Chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse COV : Composé Organique Volatil CO 2 : Dioxyde de carbone CP : Expression à froid CPG : Chromatographie en phase gazeuse 20 20 d : Densité relative DIC : Détente instantanée contrôlée EPA : Agence Américaine pour la protection de l'Environnement ESSAM : Extraction Sans Solvant Assistée par Micro-ondes FDA : Food and Drug Administration Fig. : Figure g/L : gramme / litre GHz : Giga Herz GRAS : Generally Recognized as Safe HD : Hydrodistillation HE : Huile Essentielle HFC : Hydrofluorocarbures HFE : Hydrofluoroéthers INA : Institut National Agronomique INRA : Institut National de la Recherche Agronomique I R : Indice de rétention ITAF : Institut des Techniques d'Arboriculture Fruitière kcal : kilo calories Log : logarithme m²/s : mètre carré par seconde MAE : Microwave Assisted Extraction MAP : Microwave Assisted Process mbar : milli bar MHG : Hydro-diffusion assistée par micro-ondes et gravité M HE : Masse en huile essentielle MHz : Méga Herz mol/L : mole/litre MVS : Masse de la matière végétale sèche O 2 : Oxygène P : Pression p : Para

PFC : Perfluorocarbures

PC : Pression critique pH : Potentiel d'hydrogène Rdt : Rendement SV : Sous vide T : Température t : temps t/ha : tonnes / hectare TC : Température critique t R : Temps de rétention $ US : Dollar américain V : volume VMHD : Vaccum Microwave htdroDistillation W : Watt v/v : volume / volume

Liste des Tableaux

Tableau 1 : Paramètres mise en oeuvre dans les opérations d'extraction................. 6

Tableau 2

: Production mondiale (2008) des plus importantes huiles essentielles....... 28

Tableau 3

: Les plus importants genres d'huiles essentielles produits dans la famille la famille des Rutaceae.............................................................. 45

Tableau 4

: Taux des constituants les plus importants des huiles essentielles issues des peaux de fruits d'agrumes...................................................... 48

Tableau 5

: Les principaux pays importateurs et exporatateurs d'agrumes dans le monde ................................................................................. 51

Tableau 6

: Prix ($ US/ pound) de l'huile essentielle du romarin importé par les Etats

Tableau 7

: Importation (en US $) de l'HE de romarin par les Etats-Unis durant la période 1998-2002.............................................................. 59

Tableau 8

: Caractéristiques des solvants, des réactifs et produits chimiques utilisés... 60

Tableau 9

: Présentation des variétés étudiées et provenant de l'ITAF de Boufarik...

Tableau 10

: Conditions opératoires des analyses par chromatographie en phase 65

Tableau 11

: Conditions opératoires des analyses en CG/SM ............................... 66

Tableau 12

: Programmation des taux de solvants utilisés au cours de l'analyse par 68

Tableau 13

: Liste et caractéristiques des microorganismes testés .......................... 71

Tableau 14

: Préparation du milieu réactionnel du test PCL..................................72

Tableau 15

: Concentrations des solutions standrads..........................................73

Tableau 16

: Rendements en huiles essentielles de la variété Valencia Late selon trois

(3) méthodes d'extraction.............................................................................

75

Tableau 17

: Composition des huiles essentielles de l'orange Valencia Late obtenues par MHG, HD et CP ............................................................... 77

Tableau 18

: Rendement en HE des huit variétés d'agrumes (g d'HE/ g de fruit de 82

Tableau 19

: Composition chimique des HE des variétés Eurêka et Villa França extraites par MHG, HD et CP ..................................................... 83

Tableau 20

: Composition chimique des HE des variétés Lime et Marsh Seedless extraites par MHG, HD et CP ...................................................

Tableau 21

: Composition chimique des HE des variétés Tarocco et Valencia late extraites par MHG, HD et CP ...................................................

Tableau 22

: Composition chimique des HE des variétés Washignton Navel et Tangel

Tableau 23

: Valeurs propres et pourcentage de variance .................................

Tableau 24

: Rendement en HE de romarin selon deux méthodes d'extraction ...........94

Tableau 25

: Composition des huiles essentielles de Romarin obtenues respectivement par MHG et par HD................................................................. 96
Tableau 26 Propriétés physiques de l'huile essentielle de romarin extraite par MHG

Tableau 27

: Résultats de l'activité antioxydante de l'huile essentielle de romarin obtenu par MHG et HD ........................................................... 103

Tableau 28

: Diamètre des zones d'inhibition en mm des micro-organismes testés....

Tableau 29

Evaluation sensorielle des huiles essentielles de romarin extraites par HD

Tableau 30

: Résultats de la modélisation de la cinétique d'extration....................... 116

Tableau 31

: Caractéristiques de deux composés de l'HE de romarin extraites par MHG et HD......................................................................... 117

Tableau 32

Proportions des polyphénols dans le romarin frais et dans l'eau résiduelle

Tableau 33

: Comparaison énergitique des deux méthodes d'extraction................... 126

Liste des Figures

Fig. 1 : Principales opérations industrielles d'extraction ................................................ 7

Fig. 2

: Schéma de l'appareil d'hydrodistillation, et d'entraînement à la vapeur d'eau..

Fig. 3

: Schéma des différents Sfumatrices..................................................... 14

Fig. 4

: Photo d'une pelatrice et d'une centrifugeuse séparatrice de l'essence de citrus des eaux résiduelles........................................................................ 14

Fig. 5

: Schéma représentatif de l'extraction par FMC in Line.... .........................

Fig. 6

: Schéma représentatif de l'extraction par pression.................................... 15

Fig. 7

: Schéma du procédé d'hydrodiffusion...................................................... 16

Fig. 8

: Schéma du principe d'une extraction par CO 2 supercritique......................... 17

Fig. 9

: Schéma de l'extraction par Flash Détente............................................. 19

Fig. 10

: Schéma d'une unité de Détente Instantanée Contrôlée (DIC) et son cycle de 21

Fig. 11

: Schéma démonstratif de la cavitation ultrasonore...................................22

Fig. 12

: Spectre électromagnétique .............................................................. 23

Fig. 13

: Schéma du procédé d'extraction MAP TM en continu et photo d'une unité pilot

Fig. 14

: Schéma du procédé d'extraction par entrainement à l'air assisté par micro- 25

Fig. 15

: Schéma du procédé VMHD, Evolution des principaux paramètres, Photo d'une unité pilote du procédé............................................................

Fig. 16

: Schéma de l'hydrodistillation assistée par micro-ondes............................26

Fig. 17

: Schéma du procédé d'extraction sans solvant assistée par micro-ondes.......... 27

Fig. 18

: Répartition des taux de production d'HE (en partie estimée) par pays à travers le monde durant l'année 2008.................................................. 29

Fig. 19

: Limites climatiques de l'agrumicole et les principales régions productrices dans le monde............................................................................. 32

Fig. 20

: Coupe transversale d'une orange....................................................... 33

Fig. 21

: Les 10 pays principaux producteurs d'orange dans le monde durant la période

2007 - 2010................................................................................

49

Fig. 22

: Les 10 pays principaux consommateurs d'oranges fraîches dans le monde durant la période 2007 - 2010 ........................................................ 50

Fig. 23

: Les 5 pays principaux transformateurs d'orange dans le monde durant la période 2007 - 2010

Fig. 24

: Photo des feuilles, et des fleurs du romarin .........................................

Fig. 25

: Photo et Schéma du montage expérimental de la MHG............................. 62

Fig. 26

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