Extraire, c'est transférer une espèce chimique d'un mélange de départ vers un solvant dans lequel elle est plus soluble. Ce chapitre présente les grandes familles d'extraction utilisées en biologie : solide-liquide, liquide-liquide avec son coefficient de partage, entraînement à la vapeur, fluide supercritique et phase solide. Les définitions et le calcul de rendement d'extraction reviennent chaque année à l'examen.
1. Principe général et choix du solvant
L'extraction consiste à faire passer un composé d'une phase initiale (solide ou liquide) vers un solvant d'extraction, par différence de solubilité. Un bon solvant doit être liquide aux conditions de l'extraction, non miscible avec le milieu initial (pour une extraction liquide-liquide), capable de dissoudre fortement le composé recherché et le moins possible les autres, volatil pour être éliminé ensuite par évaporation, et si possible peu toxique et peu coûteux. Sa polarité est choisie selon la règle du semblable : eau ou alcools pour les composés polaires (sucres, acides aminés, polyphénols), hexane, éther ou chloroforme pour les composés apolaires (lipides, pigments, huiles essentielles).
2. Extraction solide-liquide
Elle dissout sélectivement un ou plusieurs composés d'une phase solide (poudre de plante, tissu broyé, graine oléagineuse) par un solvant. Trois modes traditionnels : la macération (séjour prolongé du solide dans le solvant à froid), l'infusion (le solvant est versé bouillant puis on laisse refroidir) et la décoction (le solide est maintenu dans le solvant en ébullition). La préparation du café en est l'exemple quotidien : les arômes (soluté) passent dans l'eau (solvant) et la poudre épuisée reste dans le filtre (phase stationnaire). En pratique, une partie du soluté reste toujours dans le solide et une partie du solvant reste adsorbée, d'où l'intérêt de répéter l'opération.
Pour une extraction rapide et complète, le solvant a besoin de grandes surfaces d'échange et de courts chemins de diffusion, ce qu'on obtient par broyage ; une granulométrie trop fine forme cependant des grumeaux qui gênent la percolation. L'extracteur de Soxhlet automatise le procédé : le solvant est distillé, se condense sur la cartouche contenant le solide, s'accumule puis est siphonné vers le ballon, et le cycle recommence avec du solvant toujours pur ; il sert classiquement au dosage des lipides totaux à l'hexane ou à l'éther. On parle de dissolution fractionnée quand on utilise successivement des solvants de polarité croissante pour séparer des familles de composés.
3. Extraction liquide-liquide et coefficient de partage
Le composé, d'abord en solution aqueuse, est transféré vers un solvant organique non miscible en agitant les deux phases dans une ampoule à décanter ; après séparation, la phase la plus dense est en bas (l'eau sous l'éther ou l'hexane, mais au-dessus du dichlorométhane ou du chloroforme). À l'équilibre, le rapport des concentrations du soluté dans les deux phases est constant : c'est le coefficient de partage K = Corg / Caq. Plus K est grand, plus l'extraction est efficace. Pour un même volume total de solvant, plusieurs extractions successives avec de petits volumes récupèrent davantage de composé qu'une seule extraction avec un grand volume.
On module K en jouant sur le pH (un acide faible non ionisé passe dans la phase organique, sa forme ionisée reste dans l'eau) ou par relargage (ajout de NaCl qui diminue la solubilité des composés organiques dans l'eau). La phase organique est ensuite séchée sur un déshydratant (Na2SO4 ou MgSO4 anhydre), filtrée, puis le solvant est évaporé à l'évaporateur rotatif. L'extraction des lipides selon Folch ou Bligh et Dyer (chloroforme-méthanol-eau) est une application biologique majeure de ce principe.
4. Hydrodistillation et entraînement à la vapeur
Très utilisée pour les huiles essentielles des plantes aromatiques (thym, lavande, menthe, romarin, abondants au Maroc), l'hydrodistillation consiste à faire bouillir le matériel végétal dans l'eau : la vapeur d'eau entraîne les composés volatils, se condense dans un réfrigérant et le distillat est recueilli dans un appareil de Clevenger. Dans l'entraînement à la vapeur, la vapeur produite séparément traverse la plante sans ébullition directe, ce qui ménage les molécules fragiles. Le distillat se sépare par décantation en une phase aqueuse (hydrolat, en général plus dense, en dessous) et une phase organique surnageante : l'huile essentielle. L'ajout de sel favorise le relargage de l'huile, et un séchage sur déshydratant élimine l'eau résiduelle. Le rendement se calcule en masse d'huile par masse de plante sèche.
5. Extraction par fluide supercritique
Au-delà de sa température et de sa pression critiques, un fluide est supercritique : il a la densité et le pouvoir solvant d'un liquide, mais la viscosité faible et la diffusivité d'un gaz, ce qui lui permet de pénétrer les matrices solides. Le CO2 est le fluide de choix car son point critique est bas (31 °C et 74 bar) : il dissout préférentiellement les composés apolaires (lipophiles). Il suffit ensuite d'abaisser la pression pour que le CO2 redevienne gazeux et que les composés extraits précipitent, sans aucun résidu de solvant. Le gaz est naturel, non toxique, inodore, recyclable, et la basse température préserve les molécules thermosensibles. La décaféination du café et l'extraction d'arômes ou d'huiles alimentaires en sont les applications industrielles.
6. Extraction en phase solide (SPE)
La SPE (solid phase extraction) remplace le solvant liquide par une cartouche remplie d'un adsorbant (silice greffée C18, échangeur d'ions). Le protocole comporte quatre étapes : conditionnement de la cartouche, dépôt de l'échantillon (l'analyte est retenu, la matrice passe), lavage des interférents, puis élution de l'analyte par un petit volume de solvant approprié. La SPE concentre et purifie en même temps, consomme peu de solvant et prépare directement l'échantillon pour l'HPLC ; elle est très employée pour les hormones, médicaments et pesticides dans les fluides biologiques.
Rapport, à l'équilibre et à température donnée, des concentrations d'un soluté entre deux phases non miscibles (K = Corg / Caq) ; il mesure l'efficacité d'une extraction liquide-liquide.
État d'un corps pur au-delà de sa température et de sa pression critiques, intermédiaire entre gaz et liquide, doté d'un fort pouvoir solvant modulable par la pression.
| Technique | Phase initiale → réceptrice | Force motrice | Exemple |
|---|---|---|---|
| Macération, décoction, Soxhlet | Solide → liquide | Solubilité dans le solvant | Lipides totaux, polyphénols |
| Liquide-liquide | Liquide aqueux → solvant non miscible | Coefficient de partage K | Lipides (Folch), alcaloïdes |
| Hydrodistillation | Solide → vapeur → distillat | Volatilité | Huiles essentielles |
| CO₂ supercritique | Solide → fluide supercritique | Pouvoir solvant selon la pression | Décaféination |
| SPE | Liquide → adsorbant solide | Adsorption puis élution | Hormones dans le sérum |
Les techniques d'extraction en un coup d'œil
- Extraction = transfert d'un composé vers un solvant où il est plus soluble ; le solvant doit être non miscible, sélectif et volatil.
- Solide-liquide : macération (froid), infusion (versé chaud), décoction (ébullition), Soxhlet (continu au solvant pur).
- Liquide-liquide : K = C org / C aq ; plusieurs petites extractions valent mieux qu'une grande ; séchage sur Na₂SO₄ puis évaporation.
- Hydrodistillation : la vapeur d'eau entraîne les huiles essentielles, récupérées par décantation dans un Clevenger.
- CO₂ supercritique (31 °C, 74 bar) : solvant apolaire propre, éliminé par simple dépressurisation.
Attends-toi à un exercice de coefficient de partage : calculer la fraction extraite après une ou plusieurs extractions, et conclure qu'il vaut mieux fractionner le volume de solvant. Les questions de cours portent sur les critères de choix d'un solvant et la différence macération, infusion, décoction. Ne confonds pas hydrodistillation (plante dans l'eau bouillante) et entraînement à la vapeur (vapeur produite à part), et n'oublie pas de préciser la position de la phase organique selon sa densité.