La waide (Isatis tinctoria L.), plante historique des Hauts-de-France, source de métabolites spécialisés pour des applications colorantes et biologiques.

Woad (Isatis tinctoria L.), a historical plant from Hauts-de-France, a source of specialized metabolites for dyeing and biological applications.

• Auteur / Autrice : Romain Vauquelin
• Direction : Patrick Martin, Nathalie Pawlicki - jullian
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Molécules et Matière Condensée
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/11/2024
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences, Technologie, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UTA - Transformation et Agro-Ressources
• Jury : Président / Présidente : Vincent Sol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Martin, Nathalie Pawlicki-jullian, Nicolas Joly, Elodie Choque, Maryline Vian abert, Erika Clavijo, Florence Mathieu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maryline Vian abert, Florence Mathieu

Mots clés

Mots clés libres

Waide

Valorisation

Indigo

Antioxydants

Zéro déchet

Waide

Valorization

Indigo

Antioxidants

Zero waste

Résumé

La production d’indigo représente jusqu’à 80 000 tonnes dont plus de 50 % est destinée à l’industrie du denim. Aujourd'hui, elle est l'un des secteurs les plus représentatifs de la structure industrielle mondiale et se classe parmi les industries les plus polluantes, contribuant à près de 10 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre et jusqu’à 20 % de la pollution industrielle des eaux. Dans une démarche de développement durable, il devient urgent de repenser en profondeur la production d’indigo, notamment en explorant des alternatives biosourcés comme l’extraction d’indigo naturel depuis les feuilles d’Isatis tinctoria. Longtemps cultivée dans le nord de la France et connue sous son appellation régionale de « waide », elle a permis notamment de financer une partie de la cathédrale d’Amiens durant le Moyen-âge. L’objectif de ce projet est de proposer une production naturelle et locale, permettant aux producteurs d’extraire l’indigo et de teindre avec le pigment obtenu. Cette approche pourrait contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans une dynamique de chaîne d’approvisionnement courte, tout en soutenant une économie locale et circulaire. Notre premier objectif a été d’étudier un procédé d’extraction d’un site agricole existant, de l’adapter à l’échelle laboratoire et d’en réaliser son optimisation. L’indigotine, pigment bleu majeur, se forme à partir de précurseurs O-hétérosides : l’indican, l’isatan B et l’isatan A. Une fois extraits et hydrolysés lors de l’étape d’infusion, ces précurseurs permettent de former l’indoxyle, la molécule responsable de la formation de l’indigotine après une réaction à l’air lors de l’étape d’oxydation. En outre, l’isatine le produit d’hydrolyse, de l’isatan C et du glycoside de dioxindole forment avec l’indoxyle, l’indirubine, un pigment rubis isomère de l’indigotine. Afin de quantifier ces composés d’intérêts, une méthode d’analyse HPLC a été développée. L’optimisation de la phase d’oxydation a ensuite été réalisée afin de permettre une oxydation complète de l’indoxyle. Trois méthodes ont été réalisées : (i) une aération O2, (ii) une oxydation au tetrachloroferrate et (iii) une oxydation spontanée. L’oxydation par le tetrachloroferrate (III) a permis de réaliser l’optimisation de la phase d’infusion, dont l’objectif été de trouver les paramètres adaptés afin de maximiser la solubilisation de ces précurseurs. Dans ce cadre, cette oxydation réalisée en milieu HCl permettait une hydrolyse des précurseurs, maximisant la production d’indoxyle et in fine celle en indigotine / indirubine. Un plan d’expérience (2^4-1) a été mis en place pour déterminer les paramètres optimaux de cette phase. Dans une démarche de valorisation zéro déchet d’Isatis tinctoria, le second objectif a été d’évaluer les capacités antioxydantes de différentes parties de la plante afin de proposer des valorisations supplémentaires à celle de l’indigo. L'extrait aqueux, issu du surnageant du procédé indigo, a été identifié comme le principal extrait à valoriser, tandis que des extraits hydroalcooliques de feuilles fraîches, de racines et de résidus de feuilles séchées après extraction aqueuse ont également été étudiés. L’intérêt était de comparer d’une part l’extraction aqueuse et hydroalcooliques des feuilles fraîches afin de savoir si elles étaient en compétition. Et d’autre part d’identifiées si les extraits hydroalcooliques secondaires présentaient un intérêt à être valorisé. Quatre tests antioxydants (CUPRAC, FRAP, ABTS et DPPH) ont été réalisés, révélant que les extraits hydroalcooliques de feuilles fraîches présentaient les meilleures capacités antioxydantes. Les extraits aqueux de feuilles et hydroalcooliques de racines, ont montré respectivement des capacités antioxydantes intéressantes au test FRAP et CUPRAC. Tandis que les extraits de feuilles séchées se sont révélés moins actifs, suggérant une méthanisation comme voie de valorisation possible pour ces co-produits.

The production of indigo represents up to 80,000 tons, of which more than 50% is destined for the denim industry. Today, it is one of the most representative sectors of the global industrial structure and ranks as the second most polluting industry in the world. It is largely responsible for the consumption of non-renewable resources and contributes to nearly 10% of global greenhouse gas emissions and 20% of industrial water pollution. It has become urgent to thoroughly rethink indigo production and the dyeing techniques used. For natural indigo production, one alternative is to recover it through aqueous infusion with a biochemical transformation in an alkaline environment from Waide leaves. In this context, local producers can not only extract indigo from these plants but also carry out dyeing with the obtained product. This approach could help reduce greenhouse gas emissions through a short supply chain dynamic, while supporting the local and circular economy. Our first objective was to study the extraction process from an existing agricultural site and adapt it to the laboratory at three scales: 1 g, 200 g, and 3 kg of leaves. This process was then optimized following the three key steps of the process: the infusion phase, solubilization of precursors and indoxyl molecules, the hydrolysis phase of these precursors into indoxyl, and finally the oxidation step of indoxyl into indigotin/indirubin. A repeatable HPLC analysis method was developed for these two compounds of interest. The optimization of the infusion phase was initially carried out to enable complete oxidation of indoxyl molecules. Different methods were defined according to the needs (laboratory/industrial dynamics), with aeration using O2, oxidation with tetrachloroferrate, and spontaneous oxidation. Oxidation by tetrachloroferrate (III) enabled the optimization of the infusion phase, the objective of which was to find the suitable parameters to maximize the production of indigotin/indirubin. In this context, oxidation with tetrachloroferrate in an HCl medium hydrolyzed the precursors, thereby allowing the maximum production of indoxyl and thus indigotin/indirubin. Through a fractional factorial designs (2^4-1), we determined optimal parameters for this infusion step. As part of a zero-waste approach to valorizing Isatis tinctoria, the second objective was to evaluate the antioxidant capacities of different parts of the waide plant to propose additional valorization options beyond indigo. The aqueous extract corresponding to the supernatant recovered from the indigo process was identified as the main extract to be valorized. Other hydroalcoholic extracts from fresh leaves, roots, and co-products of dried leaves after aqueous extraction were also studied. And secondly, to identify whether the secondary hydroalcoholic extracts were of interest for valorization. Four antioxidant tests (CUPRAC, FRAP, ABTS and DPPH) were carried out, revealing that fresh leaf hydroalcoholic extracts had the best antioxidant capacities. Aqueous leaf extracts and hydroalcoholic root extracts respectively showed interesting antioxidant capacities in the FRAP and CUPRAC tests. Dried leaf extracts, on the other hand, proved less active, suggesting methanization as a possible recovery route for these co-products.