Étude sur la couleur naturelle de Source végétale

Colors can be divided into synthetic colors and Couleurs naturelles. Natural colors are colors that are extracted from natural organisms and then purified and refined artificially. Natural colors can be divided into plant pigments (also known as plant-derived natural colors), animal pigments, microbial pigments and mineral pigments according to their source[1]. Animal and microbial pigments are mainly derived from insects and microorganisms. The most famous animal pigment is carmine (a red natural dye). Carmine is a pigment obtained by drying female cochineal insects that parasitise cactus-like plants. Its chemical composition is carminic acid[2]. Most mineral pigments are harmful to the human body and therefore cannot be used for colouring in the food industry. Plant pigments are mainly derived from plant tissues such as flowers, fruits, leaves, stems and seeds. Natural colors are derived mainly from plant tissues, such as flowers, fruits, leaves, stems and seeds. Most of the so-called natural colors come from plant materials[3], and the plant species involved span many families and genera. According to incomplete statistics, there are currently more than 80 known natural colors[4], and more than 30 plants have been used in the development and research of natural colors[5]. Because plant-derived natural colors are safe and non-toxic, they are often used to improve the appearance and color of foods, medicines, cosmetics, etc.

Synthetic colorants are organic pigments obtained by artificial chemical synthesis. They are generally made from chemical products such as benzene, toluene and naphthalene as the main raw materials, and are formed through a series of reactions. Most synthetic colorants are organic synthetic pigments, and common ones include carmine, indigo and sunset yellow. Synthetic colorants have many advantages. Their colors are generally bright, they are stable, and they are not easily affected by environmental factors such as light, heat and oxygen. Synthetic pigments have strong coloring power and can be used as colorants or dyes, which are easy to dye food or textiles. In addition, the production process and process of synthetic pigments are easy to control, and their industrial production costs are low [6]. However, synthetic pigments themselves have no nutritional value, and most pigments are toxic to human health and even have the risk of causing teratogenic and carcinogenic effects. With the improvement of people' S et en particulier les divers problèmes de sécurité alimentaire causés par les pigments synthétiques, les personnes et les#La demande en matière de sécurité des additifs alimentaires augmente. Les pigments naturels, avec leurs attributs naturels et sains, sont non toxiques et remplaceront inévitablement les pigments synthétiques, et sont largement utilisés dans l’alimentation, les produits pharmaceutiques et l’industrie légère.

1 histoire et caractéristiques de l’utilisation des colorants naturels d’origine végétale

1.1 historique de l’utilisation des colorants naturels d’origine végétale

Les couleurs naturelles ont été les premiers pigments utilisés par les humains. Dès le 10ème siècle av. J.-c., les peuples de l’ancienne grande-bretagne fabriquaient des bonbons roses à partir du jus de plantes de garance. C’est le premier enregistrement de l’utilisation de couleurs naturelles par les peuples anciens. Dans l’egypte ancienne, les marchands utilisaient des extraits de plantes naturelles et du vin pour améliorer la couleur des bonbons. En Chine, il existe également une longue histoire d’utilisation de couleurs naturelles, qui sont largement utilisés dans la teinture de tissus, colorants alimentaires, et la production de rouge et de maquillage. Par exemple, le rouge qui était populaire chez les femmes chinoises anciennes depuis la dynastie Shang était fabriqué à partir du pigment dans les pétales de safran. Par exemple, la garance et le gardénie utilisés pour la préparation des teintures étaient déjà cultivés à grande échelle dans la dynastie Zhou orientale (221 av. J.-c.) [8]. En aujourd’hui' S société, les types et la portée d’utilisation de la couleur naturelle ont été continuellement augmentés, et il a de larges perspectives d’application.

1.2 caractéristiques de la couleur naturelle d’origine végétale

Natural colors from plant sources are produced as a result of the natural growth and metabolism of plant tissues, and have some advantages over synthetic pigments, such as: ① most plant-derived natural colors are non-toxic and have no side effects; some plant-derived natural colors with high safety can be widely used as pharmaceutical or food additives; ② plant-derived natural colors reflect the colors of the plants themselves, so the shades are very natural. As food additives or colorants, they can make the shades closer to the colors of natural objects, making it more acceptable; ③Many edible plant-derived natural colors contain essential nutrients that the body cannot synthesize on its own. These plant-derived natural colors not only improve the color of food, but also supplement the body' S nutritifs essentiels et ont même des effets préventifs et thérapeutiques sur certaines maladies. Par exemple, le β-carotène peut être transformé en vitamine A dans le corps humain, et la vitamine A A pour effet de traiter la sécheresse oculaire et de prévenir la cécité nocturne.

Bien que les colorants naturels d’origine végétale aient de nombreux avantages, ils ont encore quelques inconvénients: ① ils sont difficiles à purifier. Les colorants naturels d’origine végétale sont des composés qui existent dans les plantes et qui coexistent souvent avec d’autres substances complexes dans les plantes, ce qui rend le processus d’extraction compliqué. Les extraits pigmentaires obtenus contiennent souvent d’autres substances et sont relativement peu pures. En outre, en raison des principaux problèmes actuels dans le processus de production de couleurs naturelles d’origine végétale, tels que les procédés immatures et les équipements moins avancés, le taux d’extraction des couleurs naturelles d’origine végétale est faible et le prix est cher. ② la teinte des couleurs naturelles d’origine végétale est instable et change souvent en raison de facteurs environnementaux externes tels que la lumière, la température, l’oxygène, la valeur du pH et les ions métalliques, ce qui la rend moins stable [10]. De plus, les colorants naturels d’origine végétale sont facilement oxydés, ce qui réduit leur durée de vie. Ils doivent être souvent complétées avec des antioxydants ou des stabilisants pigmentaires, ce qui rend leur utilisation encombrante. ③ il existe de nombreux types de couleurs naturelles d’origine végétale, et leurs propriétés sont complexes. En particulier, leurs propres propriétés physiques et chimiques limitent leur champ d’application et les rendent hautement spécialisés.

2 Classification des colorants naturels d’origine végétale

En plus d’être classés selon leur source, les colorants naturels d’origine végétale peuvent être divisés en pigments liposolubles et en pigments hydrosolubles selon leurs propriétés de solubilité; Et selon leur structure chimique, ils peuvent être divisés en principaux types de pigments suivants: porphyrines, dérivés de pyrrole, quinones et xanthones, pigments de polyène et dérivés de polyphénol [9]. Selon leurs ingrédients fonctionnels, ils peuvent être divisés en anthocyanes, caroténoïdes, flavonoïdes, pyrroles et autres pigments majeurs [10].

2.1 les anthocyanes

Anthocyanins, also known as anthocyanidins, are a type of water-soluble pigment that generally exist in the form of anthocyanins in the flowers, leaves, fruits, stems and other parts of plants. According to incomplete statistics, 27 families and 72 genera of plants contain different amounts of anthocyanins[11]. Anthocyanins display different colors under different pH conditions, appearing red under acidic conditions, purple under neutral conditions, and blue under alkaline conditions. The different colors of red, purple, and blue displayed by plants are also the result of the coloration of anthocyanins under different pH conditions in the cell vacuole. Anthocyanins have high biological activity and are hydroxyl donors that can be used as free radical scavengers. Studies have shown that anthocyanins have pharmacological effects such as anti-oxidation and anti-aging, anti-inflammatory and anti-cancer, immunity enhancement, cardiovascular protection and disease prevention [12]. Many plants in nature are rich in anthocyanins. For example, black goji berries have the highest anthocyanin content of any plant discovered so far. Purple sweet potatoes are an ideal raw material for anthocyanin extraction because of their high anthocyanin content and high yield.

2.2 caroténoïdes

caroténoïdes, also known as polyene pigments, are a class of fat-soluble terpenoid polymers, mainly divided into carotenes and carotenoids. Carotenoids are widely found in plant parts that appear yellow, orange-red or red. The carotenoids in chloroplasts are mainly carotene (orange-yellow) and lutein (yellow), which play an important role in photosynthesis. Vitamin A (retinol) is an important substance for maintaining normal visual function and maintaining healthy skin. Some carotenoids can be converted into vitamin A. These are called provitamin A. The most common of these is beta-carotene, which is converted into vitamin A when the body needs it. Not all carotenoids can be converted into vitamin A. Lycopene (found mainly in tomatoes, watermelons and guavas), for example, cannot be converted into vitamin A. Some plant-derived carotenoids that have been tested for safety can be added directly to foods such as pastries, dairy products, cold drinks, and candy as colorants.

2.3 flavonoïdes

Les flavonoïdes peuvent généralement être divisés en flavones et flavonols, dihydroflavonoïdes et dihydroflavonols. On les trouve largement dans de nombreux tissus végétaux, principalement jaune pâle ou même incolore, et quelques-uns sont orange vif. Parmi eux, les plus répandus dans le monde végétal sont les flavonoïdes et les flavonols, dont plus de 400 ont été découverts jusqu’à présent [13-14]. Les flavonoïdes ont des fonctions physiologiques importantes et jouent un rôle important dans la protection dela santé humaine par anti-oxydation, anti-mutation et retarder le vieillissement. De plus, lorsqu’ils sont utilisés en synergie avec les anthocyanes, les flavonoïdes peuvent réduire l’oxydation des anthocyanes et avoir un certain effet colorant. Le type de flavonoïde le plus courant est la curcumine, un pigment jaune que l’on trouve principalement dans les tubercules de curcuma et de safran. Il est largement utilisé dans la nourriture et la médecine en raison de ses fortes propriétés antioxydantes, anti-inflammatoires, anticancéreuses, colorantes et inhibiteurs de toxines.

2.4 Pyrrole

Les pigments de Pyrrole comprennent principalement la chlorophylle et ses sels de cuivre et de sodium, ainsi que le zinc et ses sels de sodium. Ils sont largement présents dans les chloroplastes des plantes vertes, en particulier dans les parties vertes des feuilles et des fruits des plantes supérieures, où ils se combinent avec des protéines pour former des chloroplastes. Ces pigments ont de nombreux effets pharmacologiques en médecine humaine, tels que la protection et la désintoxication antivirales, antiulcères, antibactériennes et hépatiques.

2.5 autres pigments

D’autres pigments comprennent principalement des pigments anthraquinone et des pigments de levure rouge de riz. Les pigments de l’anthraquinone comprennent principalement le carmin et le colorant laque, que l’on trouve dans les tiges et les racines souterraines des plantes et des betterave rouges. Ils ont des effets médicaux tels que l’antibactérien et la désintoxication [15].

3 méthodes d’extraction et de purification des colorants naturels d’origine végétale

Il existe de nombreuses méthodes pour extraire et purifier les colorants naturels d’origine végétale. Les méthodes d’extraction courantes comprennent l’extraction traditionnelle par solvant, l’extraction par fluide supercritique, l’extraction assistée par micro-ondes et l’extraction par solvant sous pression. Les méthodes courantes de purification comprennent la chromatographie sur colonne, la séparation membranaire et la chromatographie liquide. Ce qui suit décrit brièvement plusieurs méthodes pour extraire et purifier les colorants naturels d’origine végétale.

3.1 extraction traditionnelle au solvant

The traditional solvent extraction method is mainly used to extract both alcohol-soluble and water-soluble pigments. The method involves drying and crushing the raw materials, and then selecting a solvent to extract the pigments from the raw materials based on the solubility and polarity of the pigments and coexisting impurities. The crude pigment extract is then filtered, concentrated under reduced pressure, dried in a vacuum, and refined to obtain the finished product. The traditional solvent extraction method mainly includes the maceration method, the decoction method and the reflux extraction method. The traditional solvent extraction method has relatively simple equipment and process requirements, but the time taken for extraction and filtration is long, solvent consumption is high, the yield and purity of the product is low, and there is a risk of odors or solvent residues, which affects the quality of the product. Therefore, extracts obtained using the traditional solvent extraction method require further purification.

3.2 extraction par fluide supercritique

L’état supercritique fait référence à l’état où l’interface gaz-liquide disparaît au-dessus d’une certaine température ou pression. Le fluide dans cet état est appelé un fluide supercritique. L’extraction de fluide supercritique (SFE) est une nouvelle technologie de séparation et d’extraction développée au cours des dernières années, qui utilise des fluides supercritiques comme agents d’extraction pour extraire des substances cibles. Le principe d’extraction de fluide supercritique est le suivant: le soluté est d’abord dissous dans le fluide supercritique sous haute pression, puis la pression du système est abaissée ou la température du système est augmentée, provoquant la précipitation du soluté dans le fluide en raison d’une diminution de la densité et de la solubilité. Les fluides supercritiques comprennent principalement le dioxyde de carbone, l’ammoniac, l’éthanol, l’oxyde nitrique, le toluène, le benzène, l’eau, etc.

La température supercritique du dioxyde de carbone (31 °C) est proche de la température ambiante, il est non toxique et non polluant, et il ne corrode pas l’équipement. Par conséquent, le dioxyde de carbone est le fluide supercritique le plus courant [16]. Les conditions optimales du procédé d’extraction pour différents types de fluides supercritiques naturels dérivés de plantes varient, mais le procédé d’extraction est généralement de l’ordre de 10 à 50 MPa, de 31 à 80 °C et de 3 à 20 h [17]. Par rapport aux méthodes traditionnelles d’extraction au solvant, l’extraction de fluide supercritique présente de nombreux avantages, tels que la basse température d’extraction, le taux d’extraction élevé, la vitesse rapide, aucun résidu de réactif d’extraction, aucune pollution, et beaucoup d’autres avantages. Cependant, la promotion et l’application de la technologie d’extraction de fluide supercritique sont limitées en raison de son investissement élevé en équipement et de ses coûts d’exploitation et de sa technologie imparfaite.

3.3 extraction assistée par micro-ondes

L’extraction assistée par micro-ondes, également connue sous le nom d’extraction assistée par micro-ondes (MAE en abrégé), est une technique de séparation et d’extraction qui combine le chauffage par micro-ondes, qui peut être utilisé pour chauffer sélectivement, avec la technologie d’extraction par solvant. Le principe de l’extraction assistée par micro-ondes est le suivant: le composant cible est chauffé sélectivement dans un champ micro-ondes, générant une grande quantité de chaleur en peu de temps, ce qui provoque la rupture des liaisons d’hydrogène entre les molécules dans la membrane cellulaire, détruisant ainsi la structure de la membrane cellulaire. Cela accélère la diffusion de la couleur naturelle dans la cellule vers le solvant, qui a une constante diélectrique plus faible et une capacité d’absorption des micro-ondes relativement faible, atteignant ainsi l’objectif d’extraction rapide de la couleur naturelle. L’extraction assistée par micro-ondes (MAE) présente de nombreux avantages pour l’extraction de colorants naturels d’origine végétale. Tout d’abord, il peut accélérer la dissolution des couleurs naturelles d’origine végétale dans le solvant d’extraction, améliorer l’efficacité d’extraction et réduire le temps d’extraction. Deuxièmement, il peut extraire simultanément plusieurs composants de l’échantillon, avec une petite quantité de solvant et une bonne répétabilité des résultats. Par conséquent, l’extraction assistée par micro-ondes présente de bonnes perspectives de développement et un grand potentiel d’application dans le développement et l’utilisation de colorants naturels d’origine végétale.

3.4 chromatographie sur colonne

The most common purification method for plant-derived natural colors is column chromatography. Column chromatography refers to the method of separating and purifying natural colors by filtering a mixed solution containing natural colors through a column containing different adsorbents or stationary phases. The main methods of column chromatography are macroporous resin column chromatography, gel chromatography, silica gel column chromatography, ion exchange resin method, activated carbon column chromatography and polyamide method. Among them, the most commonly used purification methods are macroporous resin column chromatography and gel chromatography.

La chromatographie sur colonne de résine macroporeuse est basée sur le fait que la résine macroporeuse a un bon effet d’adsorption et de crible sur la couleur naturelle, séparant et purifiant ainsi les pigments naturels. Cette méthode peut également éliminer efficacement les impuretés telles que les sels inorganiques, les sucres et le mucus de la couleur naturelle. Le fonctionnement de la chromatographie sur colonne de résine macroporeuse est relativement simple, incluant principalement les processus de chargement, d’élution et de rinçage. La purification des colorants naturels d’origine végétale à l’aide de la chromatographie sur colonne de résine macroporeuse présente de nombreux avantages, y compris une faible consommation de solvant, une capacité d’adsorption élevée, une vitesse d’adsorption rapide, une désorption facile et une réutilisation.

Another common method for purifying vegetable-derived natural colors is gel chromatography. The commonly used gels for this method are polyacrylamide gel, agarose gel, and dextran gel. The principle of gel chromatography is that when a natural pigment extract passes through gel particles with a porous, highly cross-linked structure, macromolecular substances can easily move downwards with the eluent through the gaps between the gel particles, while small molecules enter the interior of the gel particles through the pore size. Since entering the interior of the gel particles causes the small molecules to travel a long way and move slowly, the purpose of separating Natural Color is achieved using molecular size. Compared with other purification methods, gel chromatography is easy to operate, requires simple equipment, does not require regeneration after each chromatography, and fully preserves the biological activity of the separated substances. Therefore, gel chromatography is widely used in the purification process of plant-derived natural colors.

4 problèmes et perspectives

La plupart des colorants naturels sont généralement sûrs et non toxiques pour le corps humain, et ceux qui ont été consommés depuis longtemps sont relativement sûrs. Cependant, certains colorants naturels sont toujours toxiques (par exemple, la très toxique garcinia). Par conséquent, la sécurité des colorants naturels ne doit pas être ignorée. Par conséquent, la sécurité alimentaire est devenue la question principale dans le développement et l’utilisation des colorants naturels. En particulier, avec le développement ultérieur de la technologie, certains colorants naturels issus de plantes qui étaient auparavant considérés comme sûrs et dont l’utilisation avait été approuvée ont été révélés avoir certains effets mutagènes lors d’essais toxicologiques ultérieurs, comme le rose bengale. On constate qu’il existe un problème de retard dans l’évaluation toxicologique de la recherche sur les colorants naturels d’origine végétale. Par conséquent, il est nécessaire de se concentrer sur le développement de la recherche toxicologique sur les colorants naturels d’origine végétale et de renforcer l’évaluation toxicologique ultérieure des colorants naturels.

La Chine est un vaste pays avec de nombreuses ressources végétales riches en couleurs naturelles. Cela fournit une source riche de matériaux pigmentaires pour le développement et l’utilisation de couleurs naturelles d’origine végétale. Par conséquent, il est nécessaire d’utiliser pleinement cet avantage des ressources végétales, d’explorer davantage les ressources végétales caractéristiques qui peuvent être utilisées pour l’extraction et l’utilisation des couleurs naturelles, et d’améliorer continuellement l’équipement et les processus de production pour augmenter le rendement des couleurs naturelles et réduire les coûts de production. De plus, les déchets et les sous-produits de certaines cultures peuvent être pleinement utilisés comme matières premières pour l’extraction de colorants naturels, comme l’utilisation de la peau d’orange pour extraire l’hespéridine et l’utilisation de coques de sorgho pour extraire le pigment rouge du sorgho, etc., en empruntant une voie verte et respectueuse de l’environnement pour transformer les déchets en trésor et utiliser les ressources de manière globale.

Bien qu’il soit actuellement irréaliste de remplacer complètement les pigments synthétiques par des couleurs naturelles d’origine végétale, avec l’amélioration continue des personnes et#39; S niveau de vie et la sensibilisation à la santé, la demande pour les couleurs naturelles est en constante augmentation. Avec la maturité continue de la technologie naturelle de purification des couleurs et le développement continu de la recherche toxicologique, on pense que dans un proche avenir, les colorants naturels dérivés de plantes peuvent surmonter les nombreuses lacunes des pigments synthétiques et être largement utilisés comme colorants et additifs dans les industries alimentaire, pharmaceutique et cosmétique.

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