Bipolaire Chitosane

Optimisation et rationalisation de la transformation du chitosane en oligomères par électrodialyse avec membranes bipolaires.

Les biopolymères d'origine marine représentent une ressource immense de composés bioactifs de par la grande quantité de produits de la mer transformés chaque année. Parmi ces composés d'intérêt, le chitosane, un polysaccharide produit à partir de la chitine des carapaces de crustacés, présente des propriétés structurelles et fonctionnelles qui ont été mises à profit dans de nombreuses applications telles que l'alimentation et la nutrition, la médecine, la biotechnologie, l'agriculture et la protection de l'environnement (Kim et Mendis, 2006). Cependant, la viscosité élevée et la faible solubilité à pH neutre du chitosane limitent l'utilisation de ce polymère dans l'alimentation et les industries pharmaceutiques. C'est pourquoi un intérêt croissant a été porté ces dernières années sur la transformation du chitosane en oligomères, puisque ces derniers possèdent des propriétés fonctionnelles et biologiques améliorées et présentent une meilleure absorption par le système digestif humain (Kim et Rajapakse, 2005). Les oligomères de chitosane peuvent être produits par une méthode chimique ou enzymatique. La méthode chimique, basée sur l'hydrolyse acide, présente l'inconvénient de nécessiter une grande quantité de produits chimiques industriels potentiellement dangereux. Au contraire, l'hydrolyse enzymatique est une méthode utilisant des conditions plus douces et permettant l'obtention d'oligomères de taille spécifique avec un meilleur rendement (Izume et Ohtakara, 1987). L'ensemble du procédé de préparation des oligomères de chitosane implique la solubilisation du chitosane par acidification et l'hydrolyse enzymatique du chitosane par action de la chitosanase (Boucher et al., 1992). Cependant, l'utilisation de produits chimiques au cours des diverses étapes de ce procédé provoque l'augmentation de la teneur en minéraux des oligomères et donc une diminution de leur degré de pureté.

L'électrodialyse est un procédé membranaire dont la force de transfert, basée sur une différence de potentiel électrique, permet la séparation des espèces ioniques en solution selon leur charge électrique. Plus récemment, le domaine de l'électrodialyse a connu un nouvel essor grâce au développement des membranes bipolaires. Ces dernières ont la capacité de dissocier les molécules d'eau sous l'effet d'un champ électrique pour produire des ions H+ et OH- pouvant être utilisés respectivement pour l'acidification ou la basification de fluides sans ajout de réactifs chimiques. L'électrodialyse avec membranes bipolaires (ÉDMBP) a depuis fait l'objet de nombreuses études et toutes ces études ont démontré la faisabilité de l'ÉDMBP pour la fabrication de produits alimentaires de haute valeur ajoutée sans ajout de produits chimiques, et améliorant les procédés conventionnels.

L'ÉDMBP a été utilisée afin de développer une méthode originale de préparation des oligomères de haute pureté. L'optimisation et la rationalisation de la préparation électrodialytique des oligomères ont permis d'établir les conditions optimales de solubilisation du chitosane, de l'inhibition de l'activité hydrolytique de la chitosanase, et de la déminéralisation des oligomères par un système intégré d'électrodialyse avec membranes bipolaires (ÉDMBP) à 3 compartiments.

Lors de l'électroacidification du chitosane, la configuration bipolaire / anionique et une alimentation du chitosane en plusieurs étapes ont mené à un rendement de solubilisation de 91% en 60 minutes en utilisant une intensité de 20 mA/cm2. Un colmatage des cadres séparateurs et des membranes monopolaires a été constaté pendant le procédé de solubilisation du chitosane. Cette limitation était due à la précipitation de chitosane à pH alcalin. Le phénomène de dissociation des molécules d'eau à l'interface des membranes monopolaires a été identifié comme étant responsable de l'insolubilisation du chitosane en présence d'ions hydroxyles. La réduction du colmatage de chitosane a été réalisée par l'emploi d'une solution de HCl dans le compartiment de basification ou par l'utilisation d'une densité de courant de 4 mA/cm2 ne dépassant pas le courant limite. Dans ces conditions, un rendement de solubilisation de 98 % a été atteint à la fin du traitement d'électroacidification.
Les études portant sur la stabilité et l'activité de l'enzyme chitosanase ont montré que celle-ci était stable pour les pH allant de 3 à 8 pendant au moins 7 h. L'électrobasification a été utilisée pour contrôler la cinétique d'hydrolyse du chitosane par la chitosanase. Il a été démontré que l'activité catalytique de la chitosanase en présence de chitosane diminuait après ajustement du pH par électrobasification. La vitesse de réaction a été réduite de 50 % après ajustement du pH de 5.5 à pH 6, tandis que la réaction a été complètement inhibée pour des valeurs supérieures à pH 7. La diminution de la vitesse de réaction a été attribuée à l'insolubilisation du substrat de chitosane et à la dénaturation de la chitosanase à pH alcalins.
La déminéralisation des oligomères de chitosane a été réalisée dans le compartiment central de diluat du système d'ÉDMBP. Un taux de déminéralisation de 53 % a été atteint au bout de 60 minutes de traitement. Le système intégré d'ÉDMBP a permis de rationaliser la production d'oligomères de chitosane de haute pureté en proposant un procédé global qui réalise simultanément la solubilisation du chitosane, l'inhibition de l'activité hydrolytique de la chitosanase, et la déminéralisation des oligomères.