Optimisation de l`extraction de la caféine sur phase solide (SPE)

Optimisation de l’extraction de la caféine sur phase solide (SPE)
J. Guervenou1, P. Giamarchi2, J.P. Donval3, J. Echnanga3, E. Lozachmeur3, L. Stephan4
1
ERCS LCHO ; 2UMR 6521 ; 3Master Professionnel « OPEx : Optimisation des Protocoles Expérimentaux »;
4
Département de Chimie.
UFR Sciences & Techniques, 6 avenue Le Gorgeu, CS 93837, 29238 Brest Cedex 3
[email protected]
O
RESUME
Après avoir identifié les facteurs expérimentaux
les plus significatifs, l'approche méthodologique
des plans d'expériences a permis d'optimiser
l'extraction de la caféine contenue dans une
percolation de café par la technique SPE (Solid
Phase Extraction).
Pour ce faire, un modèle quadratique a été
postulé et une matrice de Doehlert a été utilisée.
La mesure des rendements d'extraction a été
effectuée
par
une
analyse
en
CLHP
(Chromatographie Liquide Haute Performance)
équipée d’une détection par barrette de diodes.
INTRODUCTION
L’analyse de traces de molécules organiques
dans les matrices aqueuses est le plus
souvent réalisée par chromatographie.
Cependant la sensibilité des détecteurs
utilisés ne permet pas toujours l’analyse
directe des échantillons et une étape de
concentration avant l’analyse est parfois
nécessaire. Aussi, pour atteindre les limites
de détection requises pour les matrices
aqueuses considérées, de nombreuses
méthodes ont été récemment développées.
La technique d’extraction sur phase solide
(SPE) permet de piéger sur un support solide
les analytes traces recherchés.
Ainsi, dans cette étude, l’utilisation de la SPE
permet d’atteindre simultanément 2 objectifs,
préalables à l’analyse quantitative de la
caféine dans une boisson :
o Concentration de la caféine à une
teneur plus facilement détectable,
o Purification de l’échantillon par élution
sélective de la molécule caféine.
H3C
CH3
N
N
O
N
N
CH3
Caféine (ou théine)
TECHNIQUES ANALYTIQUES MISES
EN OEUVRE
Extraction sur Phase Solide (SPE)
Analogue de la chromatographie d’élution, la
SPE est basée sur l’utilisation de supports
d’extraction de nature variée et permet la
concentration, ainsi que la purification de
traces de molécules organiques dans les
matrices aqueuses.
Chromatographie
Performance (CLHP)
Liquide
Haute
Utilisant notamment des phases stationnaires
et mobiles évoluées, la Chromatographie
Liquide Haute Performance (CLHP) permet
l’analyse de composés thermosensibles, très
polaires ou encore de masses moléculaires
élevées.
Dans cette étude, une CLHP dite « de
partage à polarité de phase inversée » est
mise en œuvre, utilisant donc une phase
stationnaire de la famille des silices greffées
C18 et un éluant de type aqueux.
Un détecteur « à barrette de diodes » (DAD
ou spectrophotométrique polychromatique),
permet la détection des composés en sortie
de colonne, dans un domaine UV/visible.
OPTIMISATION
La présente étude a été menée partir d’un
protocole standard pour l’extraction de la
caféine, qui peut être résumé comme suit :
conditionnement de la cartouche SPE par
addition de méthanol, puis d'eau ultra-pure ;
addition de la solution échantillon ; élution par
une solution ammoniacale, puis par une
solution d’acide acétique.
Le nombre élevé de facteurs potentiels à
étudier nous a conduits à faire des choix pour
tenir compte du temps imparti à la réalisation
de l’étude (projet de 40 heures). Finalement,
4 facteurs potentiellement influents ont été
retenus : volume de solution ammoniacale
utilisé, proportion d’ammoniaque dans la
solution, volume d’élution, proportion d’acide
acétique dans l’éluant.Une seule réponse
expérimentale a pu être suivie : l’aire du pic
« caféine », mesurée sur le chromatogramme
issu de la CLHP.
Les phénomènes régissant la SPE étant
supposés a priori complexes, nous avons
postulé un modèle quadratique et opté pour
une matrice de Doehlert, comportant 34
expériences, dont 10 répétitions et 4 points
au centre du domaine. La matrice et le plan
d’expériences ont été bâtis à l’aide du logiciel
Nemrodw.
Les résultats obtenus nous ont permis de
valider le modèle, puis de rechercher un
optimum.
L’étude du chemin optimal a été conduite sur
le logiciel Nemrodw. Les graphiques obtenus
présentent les courbes d’iso-réponses et
permettent d’atteindre les valeurs optimales
correspondant à une aire de pic maximale.
% acide acétique
Des points de vérification ont aussi été
effectués, en vue de tester la prédictivité du
modèle. Les aires mesurées, comprises dans
l’intervalle de confiance défini par le modèle
autour de l’aire optimale calculée, ont montré
que la modélisation était correcte.
Points de vérification
Opti 1
Opti 2
Facteur
% ammoniaque
Volume sol. ammoniacale
Volume éluant
Valeur optimale
80.6 %
3.6 mL
7.0 mL
1 890.103 ± 240.103
1 925.103 ± 240.103
Aire optimale calculée : 2 148.103
CONCLUSION
L’optimisation des conditions expérimentales
de la SPE a permis d’atteindre un optimum
du rendement d’extraction. Ainsi, sur les
cartouches Supelco® DSC-18 utilisées, le
rendement d’extraction observé est d’environ
94.7 %, ce qui reste cohérent avec le
rendement de 93.7 % annoncé.
BIBLIOGRAPHIE
J Goupy « Introduction aux plans d’expériences »,
Editions Dunod (2001)
J Goupy « Pratiquer les plans d’expériences »,
Editions Dunod (2002)
D. Matthieu, R. Phan Tan Luu « NEMROD-W
Software » Univ. Aix-Marseille III (1999)
Courbes d’iso-réponses obtenues
Valeurs optimales retenues
1.8 %