Comment extraire la couleur naturelle?

De nombreux rapports de recherche biologique, nutritionnelle et médicale ont souligné que la couleur naturelle a des fonctions nutritionnelles et physiologiques pour la santé, tandis que les pigments synthétiques peuvent nuire à la santé humaine. Avec l’amélioration continue des personnes's living standards and the continuous development of the food industry, safe and green Couleur naturelle is becoming more and more popular and sought after. There are three main ways to produce and obtain pigments: direct extraction, artificial synthesis, and production using biotechnology [1]. Natural colours are unstable, and in order to maintain their physiological activity, the extraction of natural colours should generally use milder process conditions. With the rapid development of science and technology, the extraction process of natural colours is also rapidly updating, showing a development direction that is supplemented by common extraction methods and dominated by high-tech extraction technologies that are energy-saving, efficient and environmentally friendly.

1 méthodes traditionnelles d’extraction

 1.1 extraction au solvant

La méthode commune d’extraction par solvant est basée sur les différentes propriétés du pigment cible et des impuretés (principalement des différences de solubilité et de polarité), en utilisant le principe de dissout comme comme pour sélectionner différents solvants (les agents d’extraction couramment utilisés incluent l’eau, les solutions acidobasiques, les solvants organiques tels que l’éthanol et l’acétone), pour atteindre le but de séparer le pigment. Les principales méthodes d’extraction sont la macération, la percolation, le reflux et le reflux continu. Le processus principal est: criblage des matériaux - trempage - filtrage - concentration et séchage - produit fini. Korea Ting et al. [2] ont utilisé de l’acétate d’éthyle pour extraire le lycopène des tomates. Le rapport optimal du liquide de procédé était de 4:1 (mL/g), le temps était de 50 minutes, la température était de 45 °C, le nombre de fois était de 3 et le taux d’extraction du lycopène était supérieur à 85%.

Yao Yurong et al. [3] ont utilisé de l’acide formique comme extracteur pour extraire les anthocyanes des patates douces violettes. Le rendement en anthocyanes après trois extractions atteignait 95,6 %. Chen Tingchun et al. [4] ont extrait des pigments naturels de coquille de graines de coton blanc avec une solution de NaOH à 1% par masse et ont discuté des effets de la lumière, de la température, de la qualité de l’eau et du pH sur la stabilité des pigments. On a constaté que le pigment avait un fort pic d’absorption à 210 nm et qu’il était stable aux oxydants, à la lumière et à des températures inférieures à 100 °C. Cette méthode d’extraction est également souvent utilisée en combinaison avec d’autres méthodes pour améliorer le rendement et la qualité du produit. Par exemple, Sun Peidong et al. [5] ont utilisé une pression élevée pour prétraiter les tomates, puis ont extrait le lycopène avec de l’acétate d’éthyle comme solvant. Le taux d’extraction a donc été 4,8 fois supérieur à celui de l’échantillon non traité.

1.2 méthode de pulvérisation directe

Cette méthode n’est pas couramment utilisée, et le produit est obtenu principalement par séchage et pulvérisation du matériau. Le flux de processus est: matière première - criblage - lavage - séchage - pulvérisation - produit pigmentaire [6]. Ce procédé peut être utilisé pour préparer des pigments de fèves de cacao, du lycopène, etc., mais le produit obtenu est relativement brut.

1.3 méthode d’extraction enzymatique

Plant pigments are mainly found inside the cells and are surrounded by the cell wall, which is mainly composed of cellulose, hemicellulose and pectin. The poor permeability of the cell wall prevents the pigments from dissolving and reduces the extraction rate. The cell walls are hydrolyzed using enzymes, mainly cellulase and pectinase, which cause the cell walls to expand, rupture, and loosen, thereby facilitating the diffusion of pigments into the extracellular space and the diffusion and penetration of solvents into the cell, thus increasing the solubility of pigments and improving the pigment extraction rate. For example, Li Mengqing et al. [7] used cellulase to act on grape cob meal, which increased the extraction rate of proanthocyanidins by nearly 4 times. Chen He et al. [8] analyzed the effects of factors such as temperature, reaction time, pH, and hemicellulase dosage on the extraction of turmeric pigments through single factor and orthogonal experiments, and obtained the optimal extraction process: enzyme dosage 7.0 mg/g, pH 4.3, time 4.0 h, temperature 45 °C, compared with the common solvent extraction method, the pigment extraction rate was greatly improved.

Zhao Yuhong et al. [9] ont utilisé la cellulase et la pectinase pour hydrolyser simultanément les résidus de bleuets pour en extraire les anthocyanes. Les paramètres optimaux du procédé ont été déterminés par des expériences à facteur unique et orthogonale. Les résultats ont montré que l’utilisation de l’hydrolyse complexe enzymatique double peut améliorer significativement le taux d’extraction de l’anthocyane par rapport à l’hydrolyse enzymatique simple. Afin d’améliorer le taux d’extraction de pigment, la méthode enzymatique peut également être combinée avec d’autres techniques. Par exemple, la combinaison de cellulase et d’ondes ultrasoniques peut être utilisée pour extraire le pigment des coquilles de noisettes. Les résultats montrent que la combinaison des deux peut effectivement améliorer le taux d’extraction du pigment (l’absorbance augmente d’environ 20%), et peut également réduire la quantité d’enzymes utilisées, ce qui permet d’économiser des coûts [10].

2 nouvelles techniques d’extraction

2.1 extraction par fluide supercritique

Fluide supercritique désigne un mélange gazeux, liquide ou gaz-liquide. Cependant, sous une certaine température et pression, le phénomène de disparition de l’interface gaz-liquide se produira, et le fluide sera dans un état supercritique qui est différent des états liquide, gaz et solide, et a certaines propriétés physiques et chimiques spéciales des liquides et des gaz (densité et solubilité proches des liquides, viscosité et propriétés de diffusion proches des gaz) [11]. Les fluides supercritiques courants comprennent le dioxyde de carbone, l’oxyde nitreux, l’éthane, l’éthylène, le propane, le méthanol, l’éthanol, le benzène, le toluène, l’ammoniac, l’eau, etc.; Le plus couramment utilisé est le dioxyde de carbone (conditions critiques proches de la température ambiante, non toxique et insipide, chimiquement stable, peu coûteux et facilement disponible). La technologie d’extraction de fluide supercritique est une technologie émergente d’extraction et de séparation qui utilise des fluides supercritiques comme agents d’extraction pour extraire et séparer les substances cibles.

Par exemple, Zheng Hongyan et al. [12] ont étudié les conditions de procédé pour l’extraction de la zéaxanthine du maïs en utilisant du CO2 supercritique à 23 MPa, 40 °C et 30% d’éthanol anhydre comme extractif. Le taux d’extraction était de 2,2% plus élevé que celui de la méthode d’extraction au solvant dans la condition d’un temps d’extraction de 3 h. Le taux d’extraction de la chlorophylle microalguale séchée à l’aide d’un fluide supercritique de CO2 à 40 MPa et 60 °C peut atteindre 0,2238% [13]. La concentration d’astaxanthine extraite des coquilles de crevettes à l’aide d’un fluide CO2 supercritique peut atteindre 8,331% [14]. Avec le développement continu de la science et de la technologie, l’extraction de fluide supercritique a été développée pour être utilisée en combinaison avec d’autres méthodes de haute technologie, telles que la distillation moléculaire, la chromatographie, la résonance magnétique nucléaire, la séparation par adsorption, l’ultrafiltration, et d’autres techniques, pour obtenir des avantages complémentaires et élargir le champ d’application.

2.2 extraction assistée par ultrasons

Le principe de l’extraction ultrasonique est d’utiliser les effets spéciaux des ondes ultrasoniques, tels que l’effet fort de cavitation, l’effet interfacial, l’effet de concentration d’énergie et l’accélération élevée, aussi bien que les effets à plusieurs étages résultants tels que l’oscillation, l’écrasement, la diffusion et l’effondrement, pour détruire des cellules, accélérant ainsi la diffusion et la pénétration de l’agent d’extraction dans les cellules, et accélérant également la dissolution de la substance extraite dans l’agent d’extraction, Et améliorant le taux d’extraction et la pureté du pigment [15]. Les principaux facteurs qui influencent ce processus sont: le type et la concentration du solvant, le rapport liquide/matériau, la puissance et la fréquence des ultrasons, le temps de traitement et la température. Wang He-cai [16] a utilisé des ultrasons pour extraire le pigment violet de la patate douce. Les résultats ont montré que l’effet de l’extraction du pigment de la patate douce pourpre sous l’action des ultrasons était meilleur que celui de la méthode conventionnelle dans les mêmes conditions. L’efficacité d’extraction était environ 1,3 fois supérieure à celle de l’extraction conventionnelle, et le procédé optimal était: de l’eau distillée avec un pH de 1,0 comme agent d’extraction, 250W par ultrasons, rapport liquide/matière 3:300, extraction à 70°C pendant 35 min. Liu Pinghuai et al. [17] ont utilisé la technologie de recyclage par ultrasons pour extraire les pigments des écorces d’ananas éliminées, et ont obtenu des pigments avec une valeur de couleur élevée (quatre fois celle du pigment de chair d’ananas) et un procédé d’extraction optimal. Le taux d’extraction a été considérablement augmenté, ce qui fournit également une référence pour le traitement en profondeur des écorces d’ananas.

2.3 méthode d’extraction assistée par micro-ondes

L’extraction par micro-ondes est une nouvelle technique de séparation et d’extraction qui combine des micro-ondes, qui peuvent chauffer sélectivement, avec la technologie d’extraction par solvant. Il utilise la différence de capacité d’absorption des micro-ondes dans le champ micro-ondes pour chauffer sélectivement certaines régions ou composants dans le système d’extraction, dissoudre ainsi les composants cibles de la matière première et les transférer à un extrant avec une plus petite constante diélectrique et une capacité d’absorption des micro-ondes relativement faible, afin d’atteindre l’objectif d’une extraction rapide à court terme [18-19]. Chen He et al. [20] ont utilisé la technologie micro-ondes pour aider à l’extraction du pigment de curcuma, et ont obtenu le processus optimal grâce à une expérience orthogonale: 60% d’éthanol comme agent d’extraction, puissance micro-ondes 450W, temps d’extraction 180s, et rapport matériel-liquide 1:35. Par rapport à la méthode traditionnelle d’extraction au solvant, le rendement en pigments a augmenté de 80,3 %. Jia Yanju et al. [21] ont étudié les effets de la puissance des micro-ondes et du temps d’irradiation sur l’extraction du pigment des éclos de poisson. L’analyse de la variance a montré que les effets des deux étaient significatifs et que la puissance optimale et le temps d’irradiation étaient respectivement de 640 W et 150 S. Cependant, par rapport à la méthode d’extraction par secousse, l’effet d’extraction du pigment des écaille de poisson était faible, ce qui peut être dû à l’influence de la structure des tissus des écaille de poisson.

2.4 méthode d’adsorption de la résine

La résine d’adsorption est une sorte d’adsorbant polymère poreux et hautement réticulé avec une grande surface spécifique (principalement la surface à l’intérieur des pores). Selon les principes de la chimie de surface, la surface a une capacité d’adsorption, de sorte qu’elle peut adsorber certaines substances de la phase gazeuse ou liquide. Les résines d’adsorption utilisent principalement les forces de van der Waals, les interactions dipole-dipole et la liaison d’hydrogène aux substances adsorbantes. L’adsorption est sélective en fonction des propriétés de surface et du champ de force de surface. Cette méthode utilise principalement les différentes propriétés (principalement la polarité) des composants du mélange pour sélectionner la résine d’adsorption et l’éluent appropriés, et sépare sélectivement et purifie les substances par adsorption et désorption. Selon leur polarité, les résines d’adsorption peuvent être divisées en quatre catégories: les résines d’adsorption non polaires, les résines d’adsorption moyen-polaires, les résines d’adsorption polaires et les résines d’adsorption polaires fortes. Les résines non polaires sont souvent utilisées pour adsorber des substances non polaires à partir de substances polaires, tandis que les résines polaires conviennent pour adsorber des substances polaires à partir de substances non polaires.

Chen Zhiqiang et al. [22] studied the adsorption of astaxanthin by seven different macroporous resins and screened AB-8 macroporous resin as the one with better adsorption. The adsorption capacity of astaxanthin was about 24.17 mg/g, the desorption rate was 95.2%, and the maximum sample amount (1 g of dry resin) was 23.0 mg of astaxanthin. and it was determined that 8 times the volume of the bed of the column of ethyl acetate was used as the eluent, and the purity of the purified astaxanthin was 14.73%. Ding Jie [23] used orthogonal experiments, adsorption capacity and desorption rate indicators to analyze the main influencing factors in the adsorption and separation of mulberry red pigment by AB-8 type macroporous resin. The results showed that the elution effect was best when 80% ethanol (pH 2.0) was used as the eluent at a dosage of 2BV and an elution rate of 1BV/h. It was also found that the pigment had good stability under acidic conditions and at a temperature of 60°C, but was easily decomposed under alkaline conditions and in the presence of light.

2.5 séparation des membranes

La technologie de séparation par Membrane est une nouvelle technologie d’économie d’énergie développée dans les années 1970 et qui n’implique pas de changements de phase. Il utilise la différence dans les propriétés de perméation sélective des membranes polymères naturelles ou synthétiques pour les composants dans un mélange pour réaliser la séparation, la purification et la concentration de substances à l’aide de différences de potentiel chimique ou la force motrice de l’énergie externe. Les forces motrices sont les différences de concentration, les différences de pression et les différences potentielles. Les mécanismes impliqués comprennent la filtration mécanique, la dissolution-diffusion et le transfert de masse [24]. Il est principalement basé sur les différences de poids moléculaire, la taille des particules, et la forme entre les composants pour les séparer. Selon la taille moléculaire de la substance à séparer, la séparation de membrane peut être divisée en microfiltration, dialyse, ultrafiltration, nanofiltration, osmose inverse, électrodialyse, séparation de membrane liquide, etc.

Li Yuanyuan et al. [25] used ceramic membrane microfiltration to extract and purify gardenia Pigment jaune, and studied the effects of different membrane pore sizes and operating pressures on the quality of the pigment. The results showed that the quality of the gardenia yellow pigment obtained by microfiltration was higher when the pore size was 200 nm and the operating pressure was 0.125 MPa. The gardenia yellow extract was then subjected to nanofiltration using a polyamide membrane, the filtrate can be concentrated more than three times. The membrane surface flow rate and membrane filtration flux have a significant effect on pigment separation. Guo Hong et al. [26] used ultrafiltration and reverse osmosis technology to purify and concentrate the pigments of roselle and purple back-daylily, respectively, and studied the effects of extraction temperature, time, frequency, material ratio, and raw material quality on the pigment extraction rate. The results showed that ultrafiltration and reverse osmosis technology can reduce the loss of pigments during purification and concentration.

2.6 méthode de séparation par chromatographie sur Gel

Les billes de gel utilisées en chromatographie sur gel ont une structure de réseau poreuse et fortement réticulée, et le degré de réticulation ou la taille des pores des billes de gel détermine la gamme de masse moléculaire relative du mélange qui peut être séparé par le gel. Le principe est l’effet de tamis moléculaire, qui utilise la différence de taille moléculaire pour séparer et purifier les substances. Les gels couramment utilisés comprennent: le gel de dextran (Sephadex), le gel de polyacrylamide (Bio-gel P) et le gel d’agarose (Sepharose ou Bio-gel A). En raison des différences de poids moléculaire, de taille et de forme des différentes substances dans le mélange, lorsque le mélange est élué à travers la colonne, les grandes molécules ne peuvent pas entrer à l’intérieur des perles de gel parce que leur diamètre est plus grand que les pores du gel, et sont exclues des espaces entre les particules de gel.

Ils se déplacent vers le bas avec l’éluent, de sorte que le processus est court, le débit est rapide, et ils sortent de la colonne en premier; Alors que les petites molécules ont un diamètre plus petit que les pores du gel, peuvent se déplacer librement dans et hors des pores du gel, de sorte que le processus est long et la vitesse de mouvement est lente, et finalement il coule hors de la colonne. De cette façon, les molécules de tailles différentes sont séparées en raison de leurs différentes voies, et les substances macromoléculaires sont élues en premier, suivies par les petites molécules. Lv Xiaoling et al. [27] ont analysé les facteurs influant sur le processus d’affinage du pigment jaune gardenia par chromatographie sur gel au moyen d’expériences à facteur unique. Les recherches montrent que dans les conditions optimales du procédé: gel de glucan comme support, une seule colonne de 30 cm de haut, 2 cm de diamètre, 1,8 mL d’échantillon, eau distillée comme éluant, élution tandem double colonne, débit 4 mL/min, rendement en pigment jusqu’à 48,9 %.

2.7 méthode de séparation par distillation moléculaire

La technologie de séparation par distillation moléculaire est une technologie spéciale et avancée de séparation liquide-liquide développée dans les années 1930. C’est une sorte de distillation de non-équilibre, également connu sous le nom de distillation à voie courte. Il s’agit d’une distillation sans équilibre, également connue sous le nom de distillation courte, qui est effectuée à une certaine température (beaucoup plus faible que le point d’ébullition normal) et à une pression (0,133 à 1 MPa). Les composants à séparer sont chauffés et évaporés, débordant ainsi la surface du liquide. Les substances sont ensuite séparées et purifiées en raison des différentes voies libres moyennes du mouvement moléculaire de différentes substances. Le chemin libre du mouvement moléculaire fait référence à la distance parcourue par une molécule entre les collisions avec des molécules voisines.

La voie libre moyenne du mouvement moléculaire d’une molécule spécifique sur une certaine période de temps est appelée la voie libre moyenne du mouvement moléculaire. Une fois que le système à séparer est chauffé pour gagner suffisamment d’énergie, les molécules débordent de la surface du liquide. Le chemin libre moyen des molécules légères est grand, tandis que celui des molécules lourdes est petit. Une plaque de condensation est placée à la surface du liquide (entre les voies libres moyennes des molécules légères et lourdes). Les molécules légères peuvent atteindre la plaque de condensation et se condenser et se déplacer, tandis que les molécules lourdes ne peuvent atteindre la plaque de condensation et retourner dans le système gaz-liquide [28-29]. Zhong Geng [30] et d’autres ont utilisé la technologie de distillation moléculaire pour extraire des caroténoïdes à haute teneur en chroma et sans solvants organiques de l’huile d’orange douce déparaffinée. Batistella [31] et d’autres ont utilisé la technologie de distillation moléculaire pour séparer les caroténoïdes et le biodiesel de l’huile de palme, le rendement en caroténoïdes atteignant 3000mg/kg. L’utilisation de la technologie de distillation moléculaire pour raffiner le pigment rouge brut de paprika obtenu par extraction au solvant a non seulement pour effet d’éliminer la piqûre, l’odeur et le solvant, mais améliore également la qualité du produit et réduit considérablement les coûts de production [32].

3 perspectives

With the rising call for “returning to nature and pursuing green safety,” the development and utilization of natural colors has also developed rapidly (growing at a rate of 4% to more than 10% per year). However, the research and development of natural colors still faces many problems: the extraction rate of natural colors is low and the cost is high; the stability of pigments is poor, and they are sensitive to external conditions such as light and heat; there are many types, and research and development Dispersé, manque de gestion unifiée et d’évaluation toxicologique.

La future direction de recherche et développement de la couleur naturelle est d’utiliser la biotechnologie telle que l’ingénierie cellulaire, le génie génétique, l’ingénierie de fermentation, l’ingénierie enzymatique, et l’ingénierie microbienne pour résoudre le problème de l’approvisionnement en matière première; Employez la technologie de microencapsulation, la technologie de modification de structure moléculaire de pigment, et la technologie de composition de production pour améliorer la stabilité de la couleur naturelle et pour augmenter son pouvoir naturel de coloration; Et utilisez l’extraction de fluide supercritique, la chromatographie de gel, la chromatographie d’affinité, la distillation moléculaire, l’extraction inverse de gel, l’extraction à deux phases, la séparation de membrane liquide et d’autres méthodes de haute technologie, ainsi que la combinaison de diverses méthodes de haute technologie, pour améliorer le rendement de la couleur naturelle, améliorer la qualité du produit et réduire les coûts de production. Avec les objectifs de recherche de nouveaux pigments fonctionnels, la recherche de nouvelles sources de matières premières, l’amélioration de la stabilité des pigments et l’augmentation des taux d’extraction des pigments, le développement et l’application de la couleur naturelle auront des perspectives encore plus larges.

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