Approches de bioraffinage pour la valorisation d'une biomasse macroalgale : Application à l'espèce Halopteris scoparia

Biorefining approaches for the valorization of a macroalgal biomass : Application to the species Halopteris scoparia

• Auteur / Autrice : Farah Hadjkacem
• Direction : Guillaume Pierre, Slim Abdelkafi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Biologique
• Date : Soutenance le 10/07/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...) en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Ghribi Dhouha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Michaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ingrid Arnaudin-Fruitier, Monica Mironescu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotechnologie

Biomasse végétale

Mots clés libres

Halopteris scoparia

Fucoidane

Alginate

Fucoxanthine

Beta-Carotène

Energie

Halopteris scoparia

Fucoidan

Alginate

Fucoxanthin

Beta-Caroten

Energy

Résumé

Le développement de bioprocédés de bioraffinerie à partir de biomasses reste un sujet d'actualité où les bioressources marines ont un rôle majeur à jouer afin d'atteindre l'objectif d'une production durable et efficiente d'une grande variété de biomolécules. Ce travail s'adosse au projet PHC MAGHREB « EXPLORE » (19MAG36, 2019-22) visant à identifier des polymères biologiquement actifs à partir de plantes et macroalgues marines du Maghreb. Les biopolymères extraits de macroalgues présentent ainsi des propriétés techno-fonctionnelles et biologiques originales et spécifiques, qui peuvent être exploitées dans différents domaines. Ce travail s'est donc focalisé sur la purification et la caractérisation de deux polysaccharides matriciels (fucoïdanes et alginates), ainsi que de deux pigments (fucoxanthines et β-carotènes) extraits d'une macroalgue brune collectée dans la région de Tabarka (Tunisie) : Halopteris scoparia.Les polysaccharides ont été obtenus après des extractions acide et basique.Une extraction et purification de la fucoxanthine et du β-carotène a été réalisée. Les analyses biochimiques ont montré que les fucoïdanes (fraction FHS) étaient riches en oses neutres (64%) et en groupements sulfate (7,26%), et composés majoritairement de fucose et de galactose. FHS était caractérisée par une masse molaire de 8,14 × 105 g/mol. La caractérisation des alginates (fraction AHS) a révélé une teneur élevée en oses acides (53%), avec un ratio ManA/GulA<1, une masse molaire d'environ 2,52 × 105 g/mol et de ce fait une capacité à former un gel rigide (η=1,5). Le comportement rhéologique en solution de AHS a été caractérisé. Une étude par spectroscopie RMN a permis par ailleurs d'identifier la répartition des homo- et hétéroblocs.Des analyses par chromatographie (CCM, HPLC) ont permis d'identifier et qualifier la qualité des pigments.Puis, le « potentiel biologique » des fractions a été évalué. A une concentration de 2 mg/mL, FHS et AHS ont révélé des capacités antioxydantes intéressantes, toutefois relatives en comparaison aux témoins antioxydants. FHS et AHS possédaient également des activités anti-inflammatoires (CI50=1 mg/mL) et antidiabétiques (inhibition de l'activité α-amylase et de trypsine avec des CI50 0,1 mg/mL et 0,4 mg/mL) significatives. FHS a confirmé le potentiel des fucoïdanes comme agents anticoagulants, avec des valeurs d'activités obtenues supérieures à celle de l'héparine (à des concentrations de de 0,625-10 mg/mL). FHS et ses oligo-fucoïdanes ont montré d'excellentes activités antivirales avec des CE50 variant de 19,44 à 27,84 µg/mL, respectivement, pour une MOI de 0,001 DI50/cellules. Enfin, AHS et ses oligo-alginates ont montré des activités élicitrices contre la fusariose infectant des modèles de plants de tomates, avec des augmentations des concentrations en polyphénols et de l'activité Phénylalanine ammonia-lyase variables dans les racines et les feuilles. Les fractions de fucoxanthines et β-carotènes ont présenté des effets antidiabétique (CI50=300 et 500 µg/mL pour l'inhibition de l'α-amylase) et antimicrobien (112,5-225 µg/mL pour le β-carotène contre L. monocytogenes, S. aureus ou S. enterica).Enfin, la macroalgue et les coproduits générés pendant les procédés d'extraction ont été utilisés comme substrats afin de produire du bioéthanol, du bioH2 et des acides gras volatils via plusieurs procédés microbiens. Ces différentes ressources étaient susceptibles d'être converties, sans optimisation des procédés : 0,35 g de bioéthanol /g MS, 1,3 mL de bioH2 /g MS associés à une production d'aides gras volatils de 612 mg de butyrate/ 10g MS, 225 mg acétate/ 10g MS, 11 mg de propionate/10g MS ainsi que 30,5 g de lipides/ 2g MS.En conclusion, ce travail contribue au développement des approches de bioraffinerie et de valorisation des macroalgues au Maghreb afin de fournir des alternatives socioéconomiques et environnementales, éco-raisonnées, aux procédés de synthèses chimiques de molécules actives et/ou d'énergie.

The development of biorefinery bioprocesses from biomass remains a hot topic where marine bioresources have a major role to play in order in achieving the goal of sustainable and efficient production of a wide variety of biomolecules. This work is part of PHC MAGHREB project ''EXPLORE'' (19MAG36, 2019-22) which aimed to identify biological active polymers from plants and marine macroalgae of Maghreb origin. Thus, extracted biopolymers from macroalgae present original, specific techno-functional and biological properties, which can be exploited in different fields. Therefore, this work focused on the extraction, purification and characterization of two matrix polysaccharides (fucoidans and alginates), as well as two pigments (fucoxanthin and β-carotene) from a brown macroalga collected from Tabarka city (Tunisia): Halopteris scoparia. Both polysaccharides were obtained after acid and base extractions. In parallel, a homogenous extraction and purification of fucoxanthin and β-carotene were carried out. The biochemical analyzes showed that the fucoidans (FHS fraction) were rich in neutral oses (64%) and sulfate groups (7.26%). It was composed mainly of fucose and galactose. FHS was characterized by a molar mass of 8.14 × 105 g/mol. The characterization of the alginates (AHS fraction) revealed a high content of acid monosaccharides (53%), with a ManA/GulA ratio of less than 1, a molar mass of around 2.52 × 105 g/mol and therefore the ability to form a rigid gel (η=1.5). NMR spectroscopy was also carried out to identify the distribution of homo- and heteroblocks. Finally, chromatography analyses (CCM, HPLC) were done to identify and characterize purified pigments. Then, the “biological potential” of the fractions was evaluated. At a concentration of 2 mg/mL, FHS and AHS revealed interesting antioxidant capacities, which were relative in comparison to the antioxidant controls. FHS and AHS also showed anti-inflammatory (IC50 of approximately 1 mg/mL) and antidiabetic activities (inhibition of α-amylase and trypsin activity with significant IC50 which was around 0.1 mg/mL and 0 .4 mg/mL). FHS is endowed with an anticoagulant activity higher than that of heparin (at concentrations of 0.625-10 mg/mL). In addition, FHS and its oligo-fucoidans showed excellent antiviral activities with EC50s ranging from 19.44 to 27.84 µg/mL, respectively, for an MOI of 0.001 ID50/cells. Moreover, AHS and also its oligo-alginates showed eliciting activities against Fusarium wilt infecting tomato plant models, via increases in polyphenol concentrations and variation in phenylalanine ammonia-lyase activity in roots and leaves. Otherwise, the fractions enriched in fucoxanthins and β-carotenes showed antidiabetic activities (IC50 of the order of 300 and 500 µg/mL for the inhibition of α-amylase) and antimicrobial potential (antibacterial activity of the order of 112.5-225 µg/mL for β-carotene) against L. monocytogenes, S. aureus and S. enterica. For biorefining purposes, the macroalga and their co-products generated during the extraction processes have been used as substrates to produce bioethanol, bioH2 and volatile fatty acids via several microbial processes. These different resources were likely to be converted, without process optimization: 0.35 g of bioethanol/g DM, 1.3 mL of bioH2/g DM associated with a production of volatile fatty acids (612 mg of butyrate/10g MS, 225 mg acetate/10g MS, 11 mg propionate/10g MS) as well as 30.5 g lipids/2g MS. In conclusion, the present work contributes to the development of biorefinery approaches and the valorization of macroalgae from the Maghreb region to provide socioeconomic and environmental alternatives, eco-reasoned, chemical synthesis processes of active molecules and/or energy.