Comment extraire et purifier les Colorants naturels?

1 Colorant naturel aperçu

Les Pigments peuvent être divisés en deux catégories principales:Colorants naturelsEt en plusPigments synthétiques....... Un de ces types est constitué de pigments chimiques synthétisés artificiellement, dont la plupart sont des composés de type azoïque. Certains d’entre eux peuvent être métabolisés dans le corps humain pour former la β-naphthylamine et l’α-amino-1-naphthol, qui ont certains effets secondaires toxiques sur le corps humain. L’autre type est celui des pigments dérivés de plantes naturelles, d’animaux, de micro-organismes, etc., appelés colorants naturels. Depuis les colorants naturels sont non toxiques et inoffensifs pour le corps humain, haute valeur nutritive, et certains ont certaines activités biologiques. Par conséquent, la recherche et le développement de Colorant naturel non toxique et inoffensif est également devenu la tendance du développement de pigment.

1.1 brève histoire du développement du colorant alimentaire naturel

Le colorant alimentaire naturel a une longue histoire en tant qu’agent colorant alimentaire. Des textes chinois anciens tels que Shijing et Qimin Yaoju contiennent des témoignages de coloration du vin et de la nourriture avec des pigments végétaux naturels. En egypte et en Inde, par exemple, les pigments du sorgho étaient utilisés pour teindre des objets. Au 4ème siècle av. J.-c., les peuples de l’ancienne grande-bretagne commencèrent à utiliser le pigment de madère pour colorer le vin [2].

En 1856, le Professeur W.H. Perkins du Royaume-Uni a inventé le monde et#39Le cas échéant, S premier pigment organique synthétique, "aniline violet", et de nombreux autres pigments organiques ont été synthétisés par la suite [1]. Parce que ces pigments sont lumineux dans la couleur, stable dans la nature, fort dans le pouvoir colorant, facilement soluble, uniforme dans la qualité, approprié au mélange de couleur, inodore et insipide, et peu coûteux, ils ont rapidement remplacé la plupart des colorants naturels.

Au xxe siècle, avec le développement continu de la toxicologie et de la chimie analytique, les humains ont progressivement compris le mécanisme de transformation des pigments synthétiques après avoir pénétré dans le corps humain, et ont réalisé que la plupart des pigments synthétiques entrant dans le corps humain peuvent causer une toxicité chronique et une tératogénicité et une cancérogénicité plus graves. En réponse, des pays du monde entier ont adopté des lois et des règlements pertinents pour restreindre strictement l’utilisation des pigments synthétiques. Par conséquent, il n’y a maintenant qu’un nombre limité de colorants alimentaires synthétiques disponibles. Par exemple, lorsque les couleurs synthétiques étaient le plus largement utilisées dans divers pays à travers le monde, il y avait plus de 100 variétés. Cependant, il n’y en a aujourd’hui que sept aux États-Unis, huit en Chine, et certains pays comme la Norvège ont complètement interdit l’utilisation de toute couleur synthétique [2]. Par rapport aux couleurs synthétiques, bien que la plupart des couleurs naturelles soient sensibles à diverses conditions dans les aliments, leurs couleurs sont moins vives, et ils sont également plus chers. Cependant, il est sûr, a une couleur claire, et donne un sentiment subtil sans colorant ajouté, qui répond aux besoins psychologiques des consommateurs. Avec les progrès de la science et de la technologie ces dernières années, la stabilité du Colorant naturel a été améliorée, et l’application du produit est plus commode et plus sûre. Par conséquent, l’industrie agroalimentaire et#Le choix de la coloration tend de plus en plus vers la coloration naturelle.

La coloration alimentaire naturelle est devenue le courant dominant du marché de la coloration....... La taille actuelle du marché du colorant alimentaire naturel est de 250 millions de dollars américains, et si des colorants naturels synthétiques sont ajoutés, la valeur du marché atteint autant que 440 millions de dollars américains. Sur la base de la hauteSécurité alimentaireEt une meilleure stabilité des colorants naturels, il est prévu que le taux de croissance annuel des colorants naturels à l’avenir sera de 5% à 10% [3]. Chine et#Le colorant naturel de l’aliment est d’environ 25 000 ans, le colorant caramel représente 80%, et le reste estExtraits de plantesEt produits de fermentation microbienne. Il existe 65 types de colorants alimentaires approuvés pour une utilisation en Chine, dont 48 sont des extraits de plantes [4]. La production est de 1,2 million de tonnes/an, avec 80% de colorants caramels et le reste d’extraits de plantes et de produits de fermentation microbienne. Il y a 65 colorants alimentaires approuvés pour utilisation en Chine, dont 48 sont des extraits de plantes [4].

1.2 Classification des colorants alimentaires naturels

Les colorants alimentaires naturels peuvent être classés selon leur structure chimique, leur origine morphologique et leur solubilité. La méthode la plus courante consiste à classer en fonction de la structure chimique. Les colorants naturels dans les plantes peuvent être divisés en quatre catégories selon leurs structures chimiques :5 dérivés de pyrrole; Polyènes (caroténoïdes); Pigments phénoliques; Et cétones et quinones.

1.3 caractéristiques et propriétés des colorants alimentaires naturels

Colorant alimentaire naturelPrésente les caractéristiques suivantes [6]:

(1) la plupart des colorants naturels proviennent de tissus animaux et végétaux, ils sont donc non toxiques et ont une sécurité élevée. La plupart des pigments naturels des plantes sont des anthocyanes, des flavonoïdes et des caroténoïdes. Par conséquent, le colorant alimentaire naturel est non seulement non toxique et inoffensif, mais contient également de nombreux nutriments essentiels au corps humain ou est lui-même une vitamine ou une substance de type vitaminique, telle que la riboflavine, le lycopène, etβ-carotène;

(2) les colorants naturels ont une teinte plus naturelle et peuvent mieux imiter les couleurs des substances naturelles. La teinte de la coloration est plus naturelle.

(3) en raison des différentes structures chimiques deColorants naturels, les propriétés de divers pigments sont également différentes.

2 Extraction de colorants naturels

2.1 méthode d’extraction

Il s’agit actuellement de la méthode la plus couramment utilisée pour extraire les colorants naturels. Le principe est de séparer les composants cibles en fonction de leurs différentes solubilités dans différents solvants. Le processus d’extraction comprend le séchage et le broyage des matières premières, suivi par l’extraction avec un solvant, la séparation, la concentration, le séchage et le raffinement pour obtenir le produit fini. prendrePigments caroténoïdesA titre d’exemple. La plupart des caroténoïdes sont hautement lipophiles, facilement solubles dans des solvants tels que le chloroforme et l’acétone, et presque insolubles dans l’eau, l’éthanol et le méthanol. Les caroténoïdes d’hydrocarbures sont encore plus lipophiles et peuvent être dissous dans l’éther de pétrole ou les alcanes. Si la structure d’un caroténoïde contient des groupes contenant de l’oxygène, la lipophilie diminue et l’hydrophilie augmente avec l’augmentation du nombre de groupes contenant de l’oxygène. La solubilité dans l’éther de pétrole diminue, tandis que la solubilité dans l’éthanol et le méthanol augmente. Différents solvants d’extraction doivent être choisis en fonction des différentes propriétés du pigment pendant l’extraction.

2.2 méthode d’extraction par micro-ondes

Le flux de procédé de la technologie d’extraction assistée par micro-ondes pour l’extraction de colorants naturels est: prétraitement des matières premières → mélange de solvant et de matières premières → extraction par micro-ondes → refroidissement → filtration → filtrat → séparation du solvant et des composants extraits → composants extraits [". Yao Zhongming et al. 8 ont déterminé les conditions d’extraction du pigment jaune gardenia par extraction à micro-ondes à l’aide d’expériences à facteur unique: puissance d’extraction 210W, agent d’extraction 500g/L de solution d’éthanol aqueuse, durée d’extraction 80 %, série d’extraction 2 et rapport liquide/matière 1:12. Dans ces conditions, le taux d’extraction de pigment a atteint 98,2%, avec une valeur de couleur de 56,94. Des expériences ont montré que l’extraction par micro-ondes de gardeniaPigment jauneA les avantages du rendement élevé de pigment, de la valeur élevée de couleur, du solvant et du gain de temps, et de l’équipement simple comparé aux méthodes traditionnelles d’extraction. Il a de larges perspectives d’application dans le processus d’extraction des colorants naturels. Par rapport à la technologie traditionnelle d’extraction par chauffage, la technologie d’extraction par micro-ondes présente les avantages de temps d’extraction court, de basse température, de faible consommation d’énergie et de haute qualité. Les résultats réels de l’utilisation de cette technologie pour extraire des colorants alimentaires naturels montrent que la technologie d’extraction par micro-ondes est un nouveau processus avec de bonnes perspectives de développement. Bien que l’extraction par micro-ondes des colorants alimentaires naturels ait obtenu des résultats importants dans les travaux expérimentaux, son champ d’application est limité en raison de ses caractéristiques. Il n’en est actuellement qu’au niveau de l’expérimentation à petite échelle et il reste encore beaucoup à faire avant de pouvoir être appliqué industriellement.

2.3 extraction par fluide supercritique

Fluide supercritique (SF) désigne un fluide dont l’état thermodynamique est supérieur au point critique. SF est un fluide dans un état spécial entre les états gazeux et liquide lorsque l’interface gaz-liquide est dans un état critique. Il a des propriétés physico-chimiques très uniques. Les fluides supercritiques ont une viscosité proche de celle d’un gaz, une densité proche de celle d’un liquide et un coefficient de diffusion entre celui d’un gaz et d’un liquide. Ils ont les avantages des gaz et des liquides, étant aussi facilement diffusés que les gaz et ayant une forte solubilité comme les liquides.

L’extraction de fluide supercritique (SCFE) est un nouveau type de technologie d’extraction et de séparation. Au cours des vingt dernières années, la technologie SCFE a été largement utilisée dans les industries chimiques, pharmaceutiques et alimentaires. Ces dernières années, des tentatives ont été faites pour appliquer la technologie SCFE à l’extraction de colorants naturels. Shao Wei et al.] ont réalisé une étude préliminaire sur l’extraction du pigment de levure rouge de riz par CO₂ supercritique, et ont obtenu les conditions optimales de fonctionnement pour l’extraction du pigment de levure rouge de riz par CO₂ supercritique: température d’extraction 50%, température d’extraction 50%, pression d’extraction 20MPa, débit de CO₂ 10kg/h, temps d’extraction 4h. Li Shoujun [12] a utilisé l’extraction supercritique de CO₂ pour extraire les pigments rouges naturels du goji. L’expérience a confirmé que le degré de broyage de l’échantillon, la teneur en humidité de la matière première, le temps d’extraction, la température, la pression et le débit sont des facteurs importants influant sur le taux d’extraction, et les conditions optimales du procédé ont été déterminées: l’échantillon est broyé à 40 maille, la teneur en humidité de la matière première est d’environ 5%, le temps d’extraction est de 100 min, la température d’extraction est de 35 °C, la pression d’extraction est de 35 MPa, et le débit du fluide supercritique CO₂ est de 25 kg/h. Le taux d’extraction dans les conditions optimales est d’environ 88%. Cependant, le principal problème qui affecte actuellement son application est le coût d’investissement élevé des équipements d’extraction supercritiques.

2.4 méthode d’extraction par ultrasons

Li Yunyang et al. [13] ont constaté dans une étude sur l’utilisation des ultrasons pour aider à l’extraction des pigments des coquilles de châtaignier que l’extraction améliorée par ultrasons présente les avantages de temps d’extraction plus courts et de taux d’extraction des pigments plus élevés que l’extraction conventionnelle, ce qui peut grandement améliorer l’efficacité de la production. Wang Zhenyu et al. [14] ont également étudié le procédé d’extraction ultrasonique des pigments du kai à grandes fleurs. Les paramètres optimaux du procédé d’extraction ont été déterminés comme suit: une fréquence ultrasonique de 30 kHs, un agent d’extraction de dilué H₂SO₄ à 2% en masse, un temps de traitement de 40 min et un taux d’extraction de 50 °C. Dans l’extraction du lycopène, on a utilisé une puissance de 320 W, le temps d’extraction était de 6 minutes, le temps ultrasonique était de 3 S, le temps d’intervalle était de 4 S, le rapport solid-liquide était de 1:2 et l’extraction a été répétée deux fois. Le taux d’extraction du lycopène était de 96,83 %. Par rapport à l’extraction supercritique de CO₂, il est à faible coût, à faible investissement et à haute efficacité d’extraction [15]. Wang Qiufen et al. [16 ont étudié l’utilisation des ultrasons pour améliorer l’extraction du limonène avec des solvants organiques. Les résultats expérimentaux ont montré que l’extraction par ultrasons augmentait non seulement la durée d’extraction par rapport à l’extraction par agitation, mais aussi la vitesse d’extraction. L’essai d’extraction de la curcumine a montré que l’extraction améliorée par ultrasons avait le taux d’extraction le plus rapide, et son taux d’extraction était légèrement plus élevé que celui de la méthode Soxhlet [17].

3 purification de Pigment

Le produit liquide obtenu par concentration de l’extrait obtenu par un procédé d’extraction classique, ou le produit solide obtenu par séchage du liquide, est un colorant naturel brut. Sans purification, le produit a une faible valeur de couleur, une teneur élevée en impureté, et certains ont une odeur spéciale de la matière première elle-même, tandis que d’autres ont une forte absorption d’eau et ne peuvent pas être utilisés. Ceux-ci affectent directement la stabilité et les propriétés colorantes des pigments naturels, limitant leur application. Par conséquent, la technologie avancée de séparation et de purification devrait être introduite dans le processus de production de colorants naturels pour le raffinement, ce qui peut améliorer la performance des colorants naturels comestibles et élargir leur champ d’application.

3.1 méthode de raffinement par Ultrafiltration

Le processus de purification pourColorants naturelsPeut utiliser une membrane d’ultrafiltration avec une taille de pores appropriée, de sorte que des molécules d’eau et même de petites impuretés moléculaires peuvent passer à travers la membrane d’ultrafiltration, tandis que les principes actifs dans le solvant sont séparés, purifiant ainsi le pigment dans une certaine mesure et le concentrant plusieurs fois. Des colorants naturels ont déjà été purifiés à l’aide de membranes d’ultrafiltration à l’étranger, et des recherches dans ce domaine sont également menées en Chine. He Chongyan et al. [18 ont utilisé une méthode d’ultrafiltration et de nanofiltration en deux étapes pour séparer, purifier et concentrer efficacement le pigment rouge de betterave, et la qualité du produit était conforme aux normes nationales (GB8271-87) et aux normes internationales (FAO/ oms).

3.2 méthode de purification de la résine d’adsorption

La résine d’adsorption est un type de polymère qui se caractérise par l’adsorption et a pour effet de concentrer et de séparer la matière organique. Il est largement utilisé dans la séparation, la préparation et la purification de la matière organique. Les caractéristiques d’adsorption de la résine d’adsorption pour les substances dépendent principalement des propriétés chimiques, de la surface spécifique et de la taille des pores de la surface du matériau adsorbant. Selon les propriétés de surface de la résine, les résines d’adsorption sont généralement divisées en trois catégories: non polaire, moyen-polaire et polaire. Les résines d’adsorption non polaires conviennent pour adsorber des solutés non polaires de solvants polaires, des résines d’adsorption neutres peuvent être utilisées pour adsorber des solutés non polaires de solvants polaires et aussi pour adsorber des solutés avec une certaine polarité de solvants non polaires. Les résines d’adsorption polaires conviennent à l’adsorption de solutés polaires à partir de solvants non polaires. Le fonctionnement d’une résine d’adsorption comprend généralement des procédés tels que l’adsorption, l’élution ou la régénération, et le rinçage. Le matériau de résine adsorbante approprié et l’adsorbant et l’éluent spécifiques sont choisis en fonction de la nature des différents pigments. L’adsorption et la désorption peuvent être utilisées pour raffiner les pigments [19].

La méthode d’adsorption de résine macroporeuse est de plus en plus largement utilisée dans le raffinement des pigments en raison de sa faible consommation de solvant organique, faible consommation d’énergie, grande capacité d’adsorption, vitesse d’adsorption rapide, désorption facile, et réutilisabilité. Par exemple, l’institut de l’industrie légère de Tianjin a utilisé la résine d’adsorption pour raffiner le Colorant naturel rouge radis, et la valeur de la couleur a augmenté de plus de 15 fois [2]; Bi Hongxia et al. [21] ont utilisé la résine d’adsorption AB-8 pour raffiner le pigment rouge de prune européenne, et le taux de récupération des cristaux de pigment était de 61,8 %, et la valeur de la couleur atteignait 15,48; Peng Yongfang et al. [22] ont utilisé de la résine d’adsorption macroporeux pour séparer le pigment jaune de Melia azedarach, et la qualité du produit a été grandement améliorée; Ma Yinhai et al. 23 ont utilisé de la résine d’adsorption pour adsorber et séparer le pigment rouge du chou frisé. 48; Peng Yongfang et al. [22 ont utilisé une résine d’adsorption macroporeuse pour séparer le pigment jaune de la fleur de chèvreille, et la qualité du produit a été grandement améliorée; Ma Yinhai et al. 23 ont utilisé de la résine d’adsorption pour adsorber et séparer le pigment rouge du chou frisé et ont également obtenu de bons résultats.

3.3 chromatographie sur Gel

Le principe de la chromatographie sur gel pour séparer les solutions pigmentaires est que lorsqu’une solution de pigment passe à travers une colonne de gel, les molécules de pigment qui sont plus petites que les pores du gel peuvent librement entrer à l’intérieur du gel, tandis que les molécules qui sont plus grandes que les pores du gel ne peuvent pas entrer à l’intérieur du gel et peuvent seulement passer à travers les espaces entre les particules de gel, de sorte que les taux de migration sont différents. Les Substances à grosses molécules ne sont pas exclues et avancent avec la phase mobile, tandis que les Substances à petites molécules sont retenues en raison de la diffusion dans les pores et se déplacent derrière la phase mobile, séparant ainsi les deux [24]. La chromatographie en Gel présente les avantages d’un équipement simple, d’un fonctionnement commode, d’une régénération inutile pour chaque chromatographie et d’une protection efficace de l’activité des substances séparées. La chromatographie en Gel est devenue une technique indispensable non seulement pour séparer et purifier les macromolécules biologiques telles que les protéines, mais aussi pour purifier les pigments. Lu Xiaoling et al. [25 ont utilisé un gel de dextran comme support dans l’étude du raffinage du gardeniaPigment jauneEt a obtenu un bon effet de raffinage avec un rendement de 48,9%.

4 Conclusion

Les ingrédients colorants alimentaires naturels sont largement disponibles et viennent dans une large gamme de couleurs. La tâche urgente des chercheurs est de sélectionner celles qui sont abondantes en ressources, peu coûteuses, stables, vibrantes en teinte, non toxiques et inoffensives, et qui sont en demande sur le marché. Des recherches approfondies sont nécessaires pour extraire de nouveaux pigments de nouvelles ressources, développer efficace et économiqueColorant naturelLes techniques d’extraction et de séparation, et améliorent la stabilité des Colorants naturels existants à la lumière, à la chaleur, au pH, et aux ions métalliques.

Références:

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