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japonaisÉtude sur le colorant alimentaire bleu naturel en Chine
Pigments are substances that can color the object being dyed. They are also known as colorants and have a wide range of applications in production, life, and scientific research. The history of pigment development and application around the world is also very long. Since the British W. H. Perkins synthesized the organic pigment aniline violet for the first time in the world in 1856, synthetic pigments have dominated the pigment market due to their excellent performance, low price, and ease of use. However, since countries or institutions such as the United Kingdom (1967), the United States (1973), and the World Health Organization (1984) have successively questioned the safety of synthetic pigments (tar pigments) on the human body, and there have been more and more reports on the research of the hazards of pollutants such as arsenic and lead that may be brought in during the synthesis process, the variety of products using these pigments in various countries is gradually decreasing. The number of synthetic food colors permitted for use in China has also been reduced from more than 30 in the past to 10 at present, and the rapid development of natural pigments will be an inevitable trend [2].
Pigments naturels generally refer to pigments made by using substances that exist in nature (such as plant and animal materials) or secondary metabolites produced by cultivation methods and undergoing certain processing. Due to their advantages of being safe and reliable, non-toxic and having no side effects, natural hues and versatility, they have been widely used with the development of the food industry, pharmaceutical industry, daily chemical industry and aquaculture industry. Currently, 43 types of natural pigments are permitted for use in food in China. Natural pigments have already dominated the food coloring market and are growing at a rate of 10% per year [3]. The raw materials for processing natural pigments come from a wide range of sources (from animals and plants, microorganisms, minerals, etc.), and there are many types (as of 2004, there were about 600 recorded types [4]).
Cependant, les pigments naturels fabriqués à partir de ces matériaux sont principalement des tons rouges et jaunes, et les pigments bleus sont très rares. Ils sont souvent mentionnés dans la littérature avec des mots tels que «précieux», «très peu» et «rare» [5-7]. Parmi les 56 pigments répertoriés dans China' S GB2760-2007 "normes d’hygiène pour l’utilisation des additifs alimentaires", il n’y a que deux pigments bleus: le pigment bleu gardenia et la phycocyanine (c.-à-d. le pigment blanc d’oeuf bleu d’algues). Le bleu est l’une des trois couleurs primaires et peut être utilisé pour mélanger une variété de teintes. Cependant, les pigments bleus naturels sont en pénurie sur les marchés intérieurs et internationaux en raison de leur rareté. Par conséquent, la recherche et le développement actifs de pigments bleus naturels sont d’une grande importance pratique et ont une perspective de marché attrayante [8].
1 sources naturelles de pigments bleus naturels
Pigments bleus naturels are rare among natural pigments, and their natural sources are also very limited. Organic natural Pigments bleus are mainly derived from plants and microbial materials. The leaves of plants in the genus Indigofera, such as indigo, tea blue, horse blue, Wu blue and woad, can be used to make indigo dye [4]. Gardenia blue is made from gardenia glycoside in the fruits of Gardenia jasminoides [8]. Plant sources such as Ophiopogon japonicus fruit [9–10], Peristrophe baphica [11], Brassica oleracea [12], and purple and blue-grained wheat seeds [13] are used to produce the corresponding blue pigments. Although it has been reported that genetically modified cotton and genetically modified roses can produce blue pigments, these genetically modified plant materials cannot be used to produce natural blue pigments at present due to their rare sources [14–15]. Algae such as spirulina, cyanobacteria and chlamydomonas can be used to produce algin blue pigments [16-18]. The oyster shell algae Haslea ostrearia can produce the blue malachite pigment, which increases the economic value of oysters [19]. Garlic (Allium sativum) can turn green after being pickled in vinegar, and blue pigment can be isolated [20-21]. Some microorganisms such as Streptomyces sp., Pseudo- monas sp., Pseudoalteromonas sp., Duganella sp., Aureobasidium sp., purple non-sulfur bacteria, etc., can produce different kinds of blue pigments during growth using a culture medium. Some genetically engineered strains can produce indigo blue pigments [22-23].
2 Structure et couleur des pigments bleus naturels
Although natural blue pigments are similar in hue, their color-producing mechanisms are different. Ultimately, the different color-producing mechanisms are determined by differences in the chemical structure or spatial structure of the pigment molecules. The molecular structures of natural blue pigments prepared from different raw materials or by different methods may be different, and the physical and chemical properties and application scope of the pigments may also differ accordingly. The structures and related properties of common natural blue pigments are shown in Table 1.
La gamme de pH dans laquelle la rubixanthine devient bleue est très étroite, de sorte qu’il ne peut techniquement pas être considéré comme un pigment bleu naturel.
3 pigments bleus naturels microbiens
Bien que la plupart des pigments bleus naturels soient encore actuellement produits à partir de matériaux animaux et végétaux, la disponibilité de ces matériaux est limitée par des facteurs tels que la saison, le climat et le lieu d’origine, ce qui rend les pigments bleus naturels très limités en approvisionnement et donc coûteux et difficile à utiliser. Les microorganismes se développent rapidement et il existe une multitude d’espèces dans la nature qui peuvent produire des pigments. L’utilisation de ressources microbiennes pour produire des pigments naturels n’est fondamentalement pas limitée par les ressources, l’environnement, le temps ou l’espace, et présente donc des avantages qui sont inégalés par l’utilisation de matériaux d’origine végétale ou animale pour produire des pigments naturels. L’utilisation de micro-organismes pour produire des pigments naturels finira par devenir la principale source de pigments naturels [24].
The use of microbial fermentation methods to produce a variety of natural pigments such as blue pigments and red yeast pigments has also become a reality [25]. In fact, the production of the main natural blue pigments on the market currently requires the participation of microorganisms. For example, the preparation of indigo blue pigments and gardenia blue pigments requires the participation of microorganisms in the fermentation process, while the cyanobacteria, spirulina, and chlorella that produce phycocyanin pigments are themselves microorganisms. In addition, there are still many microorganisms in nature that can produce natural blue pigments, but most of the work on using microbial fermentation to produce natural blue pigments is still at the laboratory stage [7]. There is still a long way to go before the industrial production of natural blue pigments using these microorganisms directly fermented culture medium can be realized. The reported blue pigment-producing microorganisms and their pigment-related properties are shown in Table 2.
La recherche sur l’utilisation de micro-organismes pour produire des pigments bleus comporte principalement plusieurs aspects: 1. Le dépistage et l’identification des microorganismes produisant des pigments bleus; 2. Détermination des propriétés physicochimiques et de certaines propriétés toxicologiques du pigment bleu, comme les effets de la température, de la lumière, du pH, des ions métalliques, de l’oxygène, des composés complexes et des additifs sur la stabilité du pigment; Les propriétés spectroscopiques du pigment bleu, sa capacité antioxydante et réductrice, activité antibactérienne, (cancer) cytotoxicité, et la capacité de récupérer les radicaux libres; 3. Criblage et optimisation des milieux de culture de pigment bleu de fermentation. La structure moléculaire de certains pigments bleus et les mécanismes métaboliques des microorganismes produisant des pigments bleus aux niveaux physiologique, biochimique et moléculaire ne sont pas encore clairs. Afin de mieux orienter la production industrielle, de nombreuses recherches approfondies sont nécessaires pour fournir une base théorique pour le développement industriel des pigments bleus de fermentation microbienne.
4 Extraction, séparation et post-traitement de pigments bleus naturels
Le pigment bleu Gardenia et le pigment bleu algues sont les deux pigments bleus dominants sur le marché des colorants alimentaires naturels. Les cyanobactéries et les algues rouges sont les deux principales sources de pigments bleus algaux, la spiruline étant la matière première préférée et la plus rentable pour la production de pigments bleus algaux. Les méthodes de traitement utilisées pour libérer des pigments bleus d’algues à partir des algues sont principalement l’ajout d’inhibiteurs de corrosion, suivi de la congélation et du dégel (ultra) à basse température, puis de l’homogénéisation [17,40], ou l’utilisation d’une combinaison de dissolution d’enzymes et d’homogénéisation à haute pression pour briser les cellules des algues [39]. Pour les algues de plus grande taille comme Nostoc, l’homogénéisation est effectuée à l’aide d’un homogénéisateur tissulaire à grande vitesse, suivi d’une lyse enzymatique (obtenue par fermentation microbienne et autolyse des algues) [18]. Les phycobiliprotéines de l’homogénéat cellulaire peuvent être séparées et purifiées par chromatographie sur colonne sur gel de silice [17] ou en extrayant d’abord les pigments jaunes à l’aide d’un fluide CO2 supercritique, puis en utilisant un extractif aqueux pour séparer et purifier les phycobiliprotéines [41].
The purified phycocyanin is vacuum-concentrated, and then freeze-dried or spray-dried to obtain a dry pigment powder. Microencapsulation before drying can improve the heat resistance of the pigment [18]. There are currently two processes for preparing gardenia blue pigment from gardenia fruit powder: one is a one-step process in which gardenia blue pigment is produced by fermenting gardenia fruit powder aqueous extract with an enzyme-producing strain; the other is a two-step process in which gardenoside is first separated and concentrated from gardenia fruit powder aqueous extract, and then gardenia blue pigment is produced by enzymatic reaction.
Le premier procédé produit gardenia blue avec une couleur terne et une faible valeur de couleur. Il est difficile de séparer et de purifier le produit à un stade ultérieur et le rendement est faible. Le second processus résout mieux ces problèmes [42-43]. La gardenine se trouve dans le liquide résiduel restant après l’extraction du pigment jaune gardenia de l’infusion d’eau en poudre de fruits gardenia à l’aide d’une colonne de résine d’adsorption macroporeuse (telle que HPD100). Le liquide résiduel est ensuite concentré et enrichi par des techniques telles que la filtration sur membrane (microfiltration (0. 1 μm) clarification et nanofiltration (concentration de 100 Dalton) [44], extraction à deux phases [45], et chromatographie à contre-courant à grande vitesse (HSCCC) [46] pour préparer le pigment de haute qualité gardenia blue. Le pigment préparé est purifié et affiné par des techniques telles que l’ultrafiltration [47], la chromatographie sur colonne dérivée du chitosan [44], ou la chromatographie sur colonne de résine d’adsorption macroporeuse (D301) [48].
En raison des inconvénients communs de la mauvaise stabilité et de la dégradation facile des pigments naturels, la recherche visant à améliorer la stabilité des pigments naturels augmente. Le pigment bleu gardenia soluble dans l’eau a été estérifié avec de l’anhydride acétique pour obtenir un pigment bleu gardenia hydrophobe, qui élargit sa gamme d’application et améliore également sa stabilité dans une certaine mesure [49-50]; La résistance à la chaleur et à la lumière du pigment bleu de chou violet s’est considérablement améliorée après avoir été acylé avec de l’acide férolique et de l’acide salicylique [51], mais en général, il existe encore peu d’études sur la modification des pigments bleus naturels.
5 Les perspectives
Parmi les 43 pigments naturels autorisés pour une utilisation en Chine et#39;s current GB2760-2007 edition of Hygienic Standards for Uses of Food Additives, there are only two kinds of blue pigments: gardenia blue pigment and Pigment bleu spiruline....... Chine et#39; S la production de gardénie et de spiruline séchée occupe la première place au monde [16,42], mais la qualité du pigment bleu de gardénie chinois est encore de 20 ans en retard sur celle du Japon, au niveau des années 1980. Gardenia red est sur le marché japonais depuis 25 ans, mais la Chine est toujours vierge [8]. Bien que 98% du pigment bleu de gardénia produit en Chine soit actuellement exporté, la production globale de pigments bleus naturels en Chine n’est pas élevée, et l’approvisionnement de ces pigments en Chine est toujours en pénurie [46].
Face à l’énorme marché des pigments naturels qui croît à un rythme annuel de 10%, le développement des pigments naturels en Chine fait face à des problèmes tels que le manque de variétés de pigments, un manque relatif de sources et des coûts élevés [52]. Dans ce contexte, l’accent devrait être mis à l’avenir sur les domaines suivants: 1. Amélioration des processus de production et des normes techniques, augmentation de la production et de la qualité des pigments bleus, promotion de la transformation des produits bas de gamme en produits haut de gamme, et augmentation de la valeur ajoutée des produits. 2. Utiliser des matières premières existantes pour développer de nouveaux pigments naturels, comme gardenia red. Troisièmement, une grande importance est accordée à la recherche et à l’utilisation des ressources microbiennes naturelles pour le pigment bleu, et de nouvelles souches de pigment bleu sont mises au point pour saisir l’initiative dans la recherche internationale sur les pigments bleus naturels. Ceci est d’une grande importance pour changer la situation où les pigments bleus naturels produits à partir de matériaux d’origine animale et végétale ne peuvent pas répondre à la demande du marché.
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