Développement historique de l'analyse des matières grasses
Tout comme la détermination des protéines et des fibres, la détermination des matières grasses totales est un élément important de l'analyse nutritionnelle et de l'évaluation de la qualité des produits alimentaires et de l'alimentation animale, car les graisses comptent parmi les principales sources d'énergie pour les hommes et les animaux. Mais la détermination de la teneur en matières grasses ne joue pas seulement un rôle important dans le secteur de l'alimentation humaine et animale. Dans l'industrie de transformation, la teneur en matières grasses des matières premières est également déterminée afin d'évaluer la pertinence de certains procédés de fabrication et dans le cadre du contrôle de la qualité. Même dans le secteur de l'environnement, la teneur en matières grasses dans l'eau et les eaux usées est déterminée pour évaluer la pureté des eaux.
Cependant, une grande partie des graisses et des substances associées aux graisses qui doivent être analysées sont liées chimiquement et physiquement. C'est pourquoi une minéralisation de l'échantillon est nécessaire pour une détermination des matières grasses totales. Au fil du temps, différentes méthodes classiques de chimie humide se sont développées à cet effet et ont fait preuve d'une étonnante longévité. En effet, bien qu'il existe désormais des méthodes modernes de détermination rapide telles que la spectroscopie NIR (spectroscopie dans l'infrarouge proche) ou la RMN (résonance magnétique nucléaire), les méthodes chimiques par voie humide restent les méthodes de référence en matière d'analyse des matières grasses.
Aperçu du développement historique de l'analyse chimique des matières grasses par voie humide
| Minéralisation | Extraction | Évaluation | Nom | Introduction |
|---|---|---|---|---|
| Aucun | Extraction solides-liquides | Gravimétrique | Soxhlet | 1879 |
| Hydrolyse à l'acide chlorhydrique | Extraction solides-liquides | Gravimétrique | Weibull-Stoldt | 1892 |
| Hydrolyse alcaline (ammoniac) | Extraction solides-liquides | Gravimétrique | Röse-Gottlieb (Mojonnier) | 1893 |
| Hydrolyse à l'acide sulfurique | Extraction solides-liquides | Gravimétrique | Gerber | 1938 |
En général, pour la détermination des matières grasses totales ou brutes, on peut distinguer les méthodes de référence, les méthodes chimiques rapides et les méthodes spectroscopiques rapides ou secondaires. Les méthodes classiques, gravimétriques et chimiques par voie humide sont toutefois considérées comme des méthodes de référence.
Les méthodes gravimétriques et chimiques par voie humide appartiennent toutes à la catégorie des extractions solides-liquides :
Extraction solides-liquides
L'extraction solides-liquides consiste à isoler de manière ciblée une substance ou un groupe de substances d'un mélange de solides à l'aide d'un solvant liquide. L'extraction à chaud classique, dans laquelle l'échantillon est transféré dans un manchon de cellulose puis positionné dans un solvant bouillant, a été la première extraction de ce type. Cependant, l'extraction à chaud ne permet généralement pas d'extraire complètement l'échantillon car un équilibre s'établit entre le solvant et l'échantillon. Toutefois, les réglementations et les normes en vigueur dans le secteur de l'alimentation humaine et animale sont devenues de plus en plus strictes au fil du temps, ce qui explique l'intérêt croissant pour des méthodes d'extraction des graisses plus précises et plus efficaces. C'est pourquoi on a poursuivi le développement de l'extraction à chaud classique, ce qui a donné naissance à de nouvelles extractions solides/liquides. Les trois extractions solides/liquides les plus connues sont
- l'extraction Soxhlet,
- l'extraction de Butt et Twisselmann et
- l'extraction Randall.
L'extraction Soxhlet
En 1879, Franz von Soxhlet a mis au point un appareillage en verre pour l'extraction continue des graisses. Cet appareil, appelé appareil de Soxhlet classique, permet d'effectuer automatiquement plusieurs cycles d'extraction avec un seul échantillon.
Le solvant est chauffé dans un ballon jusqu'à son point d'ébullition, puis la vapeur de solvant s'élève via un tube latéral jusque dans le réfrigérant. La vapeur s'y condense et tombe ensuite dans la chambre d'extraction. Dans cette chambre, l'échantillon à extraire se trouve dans un manchon de cellulose. Le solvant qui retombe s'accumule dans la chambre d'extraction jusqu'à la hauteur de la courbure du siphon, au-dessus de laquelle il est ensuite renvoyé avec l'extrait dissous dans le ballon inférieur par l'effet de siphonnage. La répétition continue de ce processus permet d'obtenir une extraction quantitative. Après l'extraction, le solvant doit être mis à part dans un appareil séparé et la graisse isolée doit être séchée pour la pesée.
Par rapport à l'extraction à chaud classique, où l'extraction de l'échantillon se fait directement dans un solvant bouillant, la température dans la chambre d'extraction est plus basse, ce qui rend le processus d'extraction dans l'appareil Soxhlet beaucoup plus laborieux. Le temps nécessaire à une extraction quantitative Soxhlet dépend de l'échantillon à extraire et peut aller jusqu'à 8 heures, voire plus.
Et bien qu'il existe aujourd'hui des méthodes d'extraction nettement plus rapides, dans lesquelles l'extraction de l'échantillon a lieu directement dans un solvant bouillant, la méthode Soxhlet est toujours la méthode la plus fréquemment décrite pour la détermination des matières grasses dans les aliments pour animaux et les produits alimentaires.
L'extraction de Butt et Twisselmann
L'appareil de Butt, datant de 1914, constitue un perfectionnement et une simplification de la méthode classique de Soxhlet (à gauche). Dans cet appareil, les tubes latéraux sont supprimés par rapport à l'appareil de Soxhlet classique et l'échantillon est extrait dans un tube droit.
Dans l'extraction de Butt, le manchon de cellulose avec l'échantillon qu'il contient se trouve au-dessus du solvant à chauffer, les vapeurs chaudes du solvant passent donc devant l'échantillon et entrent ainsi en contact direct avec lui. Ensuite, les vapeurs montent vers le réfrigérant, s'y condensent et traversent l'échantillon pour retourner dans le ballon. L'échantillon est alors extrait en continu par les vapeurs et le solvant qui retombe en goutte à goutte. Grâce au processus d'extraction continu à des températures plus élevées, l'échantillon peut généralement être complètement extrait en quelques heures.
Une fois l'extraction terminée, le solvant est éliminé de la graisse extraite par distillation puis par séchage sous vide, et la graisse extraite est équilibrée. L'extracteur Twisselmann (à droite) - un développement du tube Butt - possède en plus un robinet d'arrêt permettant de séparer le solvant entre le récipient d'échantillon et le réfrigérant. Une fois l'extraction terminée, le robinet d'arrêt peut ainsi être fermé et le solvant récupéré.
L'extraction Randall
Le principe de l'extraction Randall combine la rapidité de l'extraction à chaud et l'efficacité de l'extraction de Twisselmann ou Butt. Ce principe est également utilisé dans le SOXTHERM et est représenté schématiquement dans l'image suivante :
Dans la première étape, la cartouche d'extraction avec l'échantillon se trouve directement dans le solvant bouillant (1). Cela permet d'extraire très rapidement - généralement en 30 minutes - une grande partie de la graisse à extraire. Dans une deuxième étape, le niveau du solvant est abaissé de sorte que la cartouche avec l'échantillon ne soit plus immergée dans le solvant liquide (2). Cela permet d'éviter qu'un équilibre des graisses dissoutes ne s'établisse entre l'échantillon et le solvant. Lors de la troisième étape, l'échantillon est extrait dans la vapeur chaude du solvant ou par le solvant qui retombe en gouttes (3). La durée de cette deuxième phase d'extraction dépend fortement du type d'échantillon, mais elle est généralement d'environ 1 heure. Une fois la deuxième phase d'extraction terminée, le solvant continue à s'évaporer et est récupéré (4). Il peut ainsi être réutilisé, ce qui permet d'économiser non seulement des ressources, mais aussi des coûts. Dans une dernière phase, on peut enfin procéder à un séchage en douceur (5). L'ensemble de l'extraction dure généralement 2 heures environ, ce qui est nettement plus rapide que le procédé Soxhlet classique.
Extraction liquides-liquides
Le principe de l'extraction liquides-liquides repose sur les différentes solubilités de deux solvants non miscibles. En général, on utilise pour cela un solvant polaire (par exemple l'éther diéthylique) et un solvant non polaire (par exemple l'éther de pétrole). L'extraction de l'échantillon fonctionne alors selon le principe « qui se ressemble s'assemble » : les composants polaires de l'échantillon se dissolvent donc dans le solvant polaire, tandis que les composants non polaires se dissolvent dans le solvant non polaire. L'ampoule à décanter ou le tube Mojonnier sont des exemples de transformations à l'aide d'appareils.
SFE - Supercritical Fluid Extraction (Extraction par un fluide supercritique)
L'extraction par un fluide supercritique (SFE) consiste à séparer l'agent d'extraction de la matrice de l'échantillon, en utilisant des fluides supercritiques comme solvant d'extraction. L'extraction se fait généralement à partir d'une matrice d'échantillons solide, mais peut également se faire à partir d'échantillons liquides. L'extraction SFE peut être utilisée aussi bien comme étape de préparation des échantillons à des fins analytiques qu'à plus grande échelle. Dans ce cas, elle est appliquée soit pour éliminer des substances indésirables d'un produit, comme par exemple pour la décaféination du café, soit pour obtenir un produit souhaité, comme par exemple l'extraction d'huiles essentielles.
Le dioxyde de carbone (CO2) est le fluide supercritique le plus couramment utilisé. Les conditions d'extraction du dioxyde de carbone supercritique sont supérieures à la température critique de 31 °C et à la pression critique de 74 bars. Dans ces conditions, le CO2 se comporte comme un liquide et est donc apte à servir de solvant et à dissoudre les composants solubles de la matrice de l'échantillon. L'extrait est ensuite ramené à des conditions normales, le CO2 se volatilisant et étant éliminé.
