Le café est l'une des boissons les plus populaires à l'échelle mondiale. Entre 2017 et 2022, sa production a augmenté de 2,2% tandis que sa consommation a progressé de 7,7% d'après l'Organisation Internationale du Café. L'unique coproduit solide résultant de l'extraction aqueuse permettant d'obtenir la boisson chaude caféinée est le marc de café. Ce biodéchet représente environ 6 millions de tonnes chaque année. Chaque année, ce sont plusieurs millions de kilos de café qui sont consommés à travers le monde. Toutefois, cette boisson tant appréciée pour démarrer la journée présente également des bienfaits notables pour votre jardin, à condition de bien l’utiliser. Nous avons parfois tendance à jeter certains produits sans considérer les éventuelles utilisations que nous pourrions faire de ce dernier. C’est notamment le cas du marc de café. Vous avez bu votre café du matin et vous vous apprêtez à nettoyer la cafetière ? Nous allons voir les nombreuses possibilités qui s’offrent à vous avec le marc de café.
L'éco-extraction assistée par ultrasons du marc de café
L'objectif principal de cette thèse est de définir et d'évaluer une approche de valorisation en cascade du marc de café, visant à l'épuiser de manière progressive et efficace pour générer différents produits d'intérêt industriel. Pour atteindre cet objectif, deux procédés ont été sélectionnés. Tout d'abord, l'éco-extraction solide-liquide, notamment assistée par ultrasons (UAE), a été utilisée pour la récupération des composés phénoliques antioxydants du marc. La cascade de valorisation a été appliquée sur un marc qui a été collecté et stocké par la société Gecco (SCG-1), provenant de bars et de restaurants de la région Hauts-de-France. Un marc frais provenant du laboratoire d'accueil de la thèse (SCG-2) a également été étudié, pour une meilleure compréhension des contraintes industrielles liées au stockage.
La comparaison de deux méthodes d'extraction appliquées au SCG-1, une conventionnelle (CE) et une assistée par ultrasons (UAE), a permis de mettre en évidence l'influence positive des ultrasons sur la récupération des composés phénoliques antioxydants. L'UAE a permis d'extraire environ 30% de plus de polyphénols totaux (11,8 contre 9,1 mg GAE/g) et de réduire la consommation d'énergie d'au moins 3 fois (170 contre 630 Wh) dans les conditions optimales d'extraction (eau-éthanol 50-50 (v/v), 40 mL/g, puissance de 571 W/L pour l'UAE ou température de 70°C pour la CE). L'application de ces conditions optimisées sur le SCG-2 a permis d'obtenir 23% d'activité antioxydante supplémentaire (77,9 contre 63,5 µmol Trolox/g) dans l'extrait par rapport au SCG-1.
L'extrait de composés phénoliques obtenu à partir de SCG-2 dans les conditions d'UAE optimisées montre la présence d'acides chlorogéniques fréquemment retrouvés dans un marc de café avec 4,3 mg/g, 5,9 mg/g et 0,4 mg/g de 3-CQA, 5-CQA et 3,5-diCQA respectivement. Ces trois composés sont absents de l'extrait obtenu dans les mêmes conditions à partir de SCG-1, qui montre la présence d'autres composés aux propriétés antioxydantes formés lors du stockage par divers micro-organismes colonisateurs.
Fermentation en milieu solide et production enzymatique
Suite à l'isolement et l'identification d'une quarantaine de champignons filamenteux présents sur SCG-1, Penicillium solitum a été retenu pour l'optimisation d'une fermentation en milieu solide (FMS) en vue de la production d'un cocktail enzymatique. Puis, de manière séquentielle, la fermentation en milieu solide a été mise en œuvre sur le marc appauvri avec l'aide de Penicillium solitum pour la production d'un cocktail enzymatique hydrolytique.
Les conditions optimisées d'extraction (7 mL/g, 55 minutes) et de fermentation (74,1% d'humidité, 7 jours d'incubation et un inoculum de 10^7 spores/g) obtenues par modélisation, ont permis de produire un complexe enzymatique avec des activités lipase, mannanase et glucanase sur SCG-1. Au regard de la production de ces mêmes enzymes, les conditions optimales de fermentation sur SCG-2 ont été : (75% d'humidité, 7 jours d'incubation et un inoculum de 8,1x10^6 spores/g). Les activités calculées dans ces conditions par le modèle ont été de 65,3 et 49,5 U/g pour l'activité lipase, 948 et 939 mU/g pour l'activité mannanase, 295 et 206 mU/g pour l'activité glucanase respectivement pour les extraits obtenus à partir des fermentations sur SCG-1 et SCG-2.
Innovations dans l'infusion à froid par sonication
Le café infusé à froid préparé à l'aide d'un sonicateur est un processus dans lequel les ondes ultrasoniques sont utilisées comme technique d'infusion à froid. Au lieu de la chaleur, de puissantes ondes ultrasonores extraient les composés aromatiques du marc de café. Le café infusé à froid offre un profil de saveur qui tend à être plus doux et moins acide. L'extraction par ultrasons est la méthode la plus efficace pour produire du café infusé à froid à partir de café moulu.
Le café infusé à froid par ultrasons est préparé en appliquant l'énergie ultrasonique pendant le processus d'infusion à froid. Par rapport aux méthodes traditionnelles d'infusion à froid, qui prennent beaucoup de temps, l'extraction du café à froid par ultrasons offre des avantages significatifs. Le principe de l'infusion à froid du café à l'aide d'ondes ultrasoniques est connu sous le nom d'extraction ultrasonique. Lorsque vous immergez du marc de café dans de l'eau et que vous appliquez des ondes ultrasoniques, ces ondes créent des bulles microscopiques dans le liquide. Lors de la cavitation acoustique, les bulles qui s'effondrent libèrent de l'énergie, ce qui entraîne la formation de micro-jets de liquide. Ces micro-jets pénètrent dans le marc de café, facilitant l'extraction des composés aromatiques plus efficacement que les méthodes traditionnelles.
Ultrasonic Homogenizer Sonicator Processor Cell Disruptor Emulsification and Nanoparticle Dispersion
La préparation du café à froid par ultrasons étant une méthode d'infusion plus rapide et plus efficace, le café à froid par ultrasons convainc par une saveur plus prononcée et plus douce. Des ingénieurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) à Sydney ont mis au point une technique utilisant des ondes sonores pour réduire le temps de préparation du café froid de plusieurs heures à quelques minutes seulement. Cette méthode innovante permet de préparer un café froid en moins de trois minutes, sans compromettre le goût. Le réacteur fonctionne en injectant des ondes sonores à une fréquence de 38,8 kHz à plusieurs points à travers ses parois, générant ainsi plusieurs régions de cavitation acoustique à l’intérieur du réacteur. Cette configuration permet de doubler le rendement d’extraction et la concentration en caféine par rapport aux échantillons non soniques.
Conversion du marc de café en biodiesel
Alors que les efforts mondiaux pour trouver des sources d'énergie durables et renouvelables s'intensifient, la production de biodiesel à partir de déchets a fait l'objet d'une attention particulière. Parmi ces matériaux, le marc de café usagé présente une opportunité prometteuse. Le marc de café usagé (MCU) est riche en ingrédients précieux, dont 15 à 20 % d'huile, dont le profil est comparable à celui des huiles végétales. La sonication est une méthode bien établie et scientifiquement prouvée pour améliorer l'extraction de l'huile des plantes ainsi que le processus de conversion du biodiesel.
L'extraction de l'huile du marc de café usagé est une étape cruciale du processus de production de biodiesel. Le marc de café usagé contient environ 10 à 20 % d'huile en poids, en fonction du type de grain de café et de la méthode d'extraction. La sonication par sonde permet d'augmenter considérablement le rendement des huiles extraites. En outre, la transestérification assistée par ultrasons joue également un rôle essentiel dans la conversion de l'huile de café extraite en biodiesel. Le processus de transestérification classique, qui consiste à faire réagir des huiles ou des graisses avec de l'alcool en présence d'un catalyseur, peut prendre beaucoup de temps et s'avérer moins efficace pour la production de masse.
Les sonicateurs Hielscher améliorent considérablement le rendement en huile pendant le processus d'extraction. La cavitation ultrasonique générée par les sonicateurs Hielscher accélère la réaction de transestérification en intensifiant le mélange des réactifs. La cavitation uniforme produite par les sondes ultrasoniques Hielscher assure une conversion cohérente et complète des triglycérides en biodiesel. Contrairement aux méthodes mécaniques traditionnelles qui nécessitent des temps de traitement prolongés et des apports énergétiques plus importants, la technologie ultrasonique de Hielscher fonctionne à des niveaux d'énergie inférieurs tout en fournissant des résultats supérieurs.
Usages domestiques et gestion des déchets
Comme vous le savez, lorsque vous venez de faire couler votre café, le marc de café peut aisément se faire oublier dans la machine. Il reste alors humide et peut avoir tendance à moisir ; auquel cas, il deviendra inutilisable. Vous l’aurez compris, la première étape sera donc de le faire sécher à l’air libre. Notez que de cette manière, il ne risque pas de former des « blocs » difficiles à manipuler et pourra donc aisément être réparti. Ensuite, se pose la question de la conservation. Pour une praticité à toute épreuve, sachez que le marc de café se conserve très facilement dans une boite hermétique.
Parmi les premières et principales qualités du marc de café, nous retrouvons sa composition. Utiliser son marc de café comme engrais est très simple. Il vous suffit de répartir ce dernier au pied de vos plantations, ou de le mélanger directement à la terre. Le marc de café vient alors nourrir et enrichir les plantes. Lorsque nous évoquons les avantages du marc de café, il est incontournable de préciser qu’il peut être utilisé comme répulsif anti-nuisible. En effet, la forte odeur du marc de café permet de repousser efficacement certains insectes, ce qui épargnera grandement votre potager. Enfin, vous pourrez tout simplement déposer votre marc de café dans votre compost. Riche en minéraux, il vient activer le compost de façon efficace, en particulier lorsque vous faites du lombricompostage. En effet, cela aide les vers dans leur digestion des matières organiques.
L'argument selon lequel l'acidité du marc de café pourrait repousser les taupes ne tient absolument pas. Bien qu’il n’y ait pas de preuve scientifique directe soutenant l’efficacité du marc de café pour repousser les taupes, certaines hypothèses, comme vu précédemment mais ici appuyées par l’université du Missouri, suggèrent bien que l’odeur forte du marc de café pourrait être désagréable pour ces animaux. En résumé, et pour faire simple : La structure moléculaire très différente des composés phénoliques empêche leur fixation potentielle sur les récepteurs des phéromones des animaux. Mais bon, si vous avez du marc de café sous la main : rien ne vous empêche d’en verser régulièrement dans les galeries fraîches!
Applications industrielles des capteurs à ultrasons
Lorsqu’un transformateur alimentaire californien a eu besoin d’une mesure fiable du niveau de son réservoir de stockage des eaux usées, il s’est adressé à Flowline. L’entreprise nettoie, torréfie, conditionne et expédie des grains et des moutures de café à des clients de marques privées. Un processus de lavage et de trempage de deux jours sépare la couche de pulpe collante externe des grains de café internes. Le flux de déchets qui en résulte est pompé vers un réservoir de stockage situé dans la rue, avant d’être transporté par camion-citerne vers une installation de traitement hors site. Les opérateurs se sont plaints que les capteurs de niveau de pression précédents se bouchaient fréquemment et nécessitaient une maintenance continue. Pour cette raison, Flowline a suggéré nos capteurs à ultrasons sans contact qui sont idéaux pour les eaux usées visqueuses, les revêtements et les écailles. Le capteur à ultrasons fournit des données de niveau fiables à l’automate, qui transfère les déchets et déclenche une alarme pour le ramassage par camion-citerne.
Propriétés de l'huile de café et durabilité
L'huile de café est un extrait riche en lipides dérivé des grains de café ou du marc de café usagé, contenant un mélange de triglycérides, d'acides gras libres et d'autres composés bioactifs. Elle se compose principalement d'acides gras insaturés tels que les acides linoléique et oléique, ainsi que de plus petites quantités d'acides gras saturés tels que l'acide palmitique. L'huile de café est appréciée pour son potentiel dans la production de biodiesel, les cosmétiques et les industries alimentaires en raison de sa teneur élevée en acides gras et de ses propriétés antioxydantes.
Le processus d'extraction implique généralement un pressage mécanique ou une extraction par solvant, le marc de café usagé étant une source abondante et durable. L'huile de café est utilisée dans diverses industries, notamment les cosmétiques, les produits pharmaceutiques et la production de biodiesel. En cosmétique, elle est appréciée pour ses propriétés hydratantes et antioxydantes, ce qui en fait un ingrédient courant dans les produits de soin de la peau et des cheveux. Dans le domaine pharmaceutique, l'huile de café est étudiée pour ses propriétés anti-inflammatoires et antimicrobiennes.
Oui, l'huile de café peut être considérée comme durable, en particulier lorsqu'elle est dérivée du marc de café usagé, qui est un déchet courant de l'industrie du café. L'utilisation du marc de café usagé pour l'extraction de l'huile favorise la valorisation des déchets en transformant un sous-produit abondant et sous-utilisé en une ressource précieuse, réduisant ainsi l'impact sur l'environnement et la dépendance à l'égard des huiles végétales vierges. Ce processus contribue à l'économie circulaire en minimisant les déchets et en fournissant une matière première alternative pour des industries telles que la production de biodiesel et les cosmétiques. L'extraction de l'huile de café par ultrasons est extensible, en particulier grâce à l'utilisation de réacteurs ultrasoniques avancés à écoulement continu, tels que ceux conçus par Hielscher Ultrasonics. Ces réacteurs sont conçus pour assurer un traitement continu à l'échelle industrielle, ce qui permet de surmonter bon nombre des difficultés liées à l'extension de la sonication. En permettant un flux continu de matériaux dans le réacteur, ils assurent une cavitation uniforme et un transfert d'énergie efficace, ce qui améliore le rendement en huile et l'efficacité de l'extraction.