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japonaisÉtude sur la technologie de séchage de la couleur naturelle
Pigment is a general term for dyes, pigments and all substances that can absorb light waves in the range of 400–700 nm [1]. Pigments can be divided into synthetic pigments and Couleurs naturelles. Since W illian invented the first synthetic pigment, aniline violet, in 1856 [2], synthetic pigments have been used in large quantities. They have the advantages of being bright in color, strong in coloring power, highly stable, odorless and tasteless, easily soluble, easy to mix, and low in cost, and are therefore also used as food coloring. Food coloring is an edible substance that colors food to improve its hue and color, and it is a major category of food additives [3].
Cependant, les pigments synthétiques sont pour la plupart des substances à base de goudron qui n’ont aucune valeur nutritive et sont nocifs pour le corps humain. Certains pigments synthétiques présentent un risque de cancer s’ils sont consommés en excès, de sorte que la sécurité des pigments synthétiques est sérieusement discutable. Les colorants naturels, en revanche, sont principalement extraits de plantes, d’animaux et de micro-organismes. Par rapport aux pigments synthétiques, les colorants naturels sont plus sûrs et ont une activité physiologique. Ils ont également certains effets nutritionnels et certaines fonctions pharmacologiques, de sorte que le développement de colorants naturels est particulièrement important [4].
Cependant, en raison de sa sensibilité élevée à la lumière, à la chaleur et au pH, ainsi que sa sensibilité à l’oxydation, à la réduction et à l’action microbienne, la couleur naturelle est facilement affectée par des conditions extérieures pendant le traitement et la circulation, conduisant à l’oxydation et à la décomposition. De plus, la présence de composants coexistants fait que certaines couleurs naturelles développent des odeurs et des odeurs particulières [5], ce qui affecte sérieusement la valeur de la couleur par produit unitaire et la durée de conservation de la couleur naturelle.
As an important part of the processing of natural colors, the development and application of drying technology is an important way to solve these problems. For example, Du Minhua et al. [6] used vacuum freezing technology to process strawberry puree, which greatly reduced the loss rate of strawberry pigments and VC and better preserving the nutrients and color of the food. Jin Feng et al. [7] used spray drying technology to microencapsulate corn pigments, and Valduga et al. [8] extracted anthocyanins from grape pomace and microencapsulated the extract to obtain a powdered Natural Color, effectively solving problems with the processing, preservation and reproduction of its nutrients and natural flavor. Although a variety of drying techniques have been used in the processing of Natural Color, there has been relatively little research on the application of low-temperature vacuum drying in this area. However, the drying characteristics of low temperature and vacuum are very conducive to ensuring the quality and yield of pigment processing, which makes the research on low-temperature vacuum drying of Natural Color of great practical significance.
1 extraction et traitement naturels de couleur
La couleur naturelle est principalement employée pour colorer ou changer la couleur de la nourriture pour stimuler et pour augmenter les gens et#39; S appétit. En outre, la couleur naturelle a certaines fonctions pharmacologiques et nutritionnelles, telles que le curcuma et#39; S effet anticancéreux, carthame jaune et#39; S effet antihypertenseur, paprika rouge ' S effet antioxydant, levure rouge rice' S effet hypolipidemique et chlorophylle du thé#39; S effet régulateur de lipides sanguins [9], il est donc largement utilisé dans les industries alimentaires, pharmaceutiques et cosmétiques. En outre, la chlorophylle peut également être utilisée dans les graisses, les savons, les huiles et les cires, etc. [10].
La qualité de la couleur naturelle se reflète principalement dans la valeur de couleur par produit unitaire, la durée de conservation du produit et les ingrédients efficaces. Le processus de traitement comprend principalement le concassage, l’extraction, la séparation et la purification, la concentration et le séchage. En raison de l’instabilité de la couleur naturelle, chaque processus dans le traitement affectera la qualité de son produit. L’utilisation de la haute technologie pour améliorer la technologie conventionnelle ou développer de nouvelles technologies est devenue une orientation importante de la recherche. Cao Yanping [11] croit que la couleur naturelle peut actuellement être étudiée du point de vue de la technologie d’extraction, de la technologie de séparation et de purification, et de l’identification de la structure des pigments et de la recherche sur la performance.
Dans l’étude de la technologie d’extraction, en plus de la méthode traditionnelle par solvant, les chercheurs ont également étudié et mis au point une série de méthodes de haute technologie telles que l’extraction par ultrasons, l’extraction par micro-ondes, l’extraction supercritique, l’extraction en plusieurs étapes ou en continu, l’extraction à haute pression et l’extraction assistée par des enzymes. Par exemple, Beatriz et al. [12] ont utilisé du CO2 supercritique pour extraire le lycopène de la peau et des graines de tomates; Katherin et al. [13] ont étudié l’effet des conditions d’extraction sur l’extraction du lycopène des pastèques à l’aide de fluides supercritiques; Chun et al. [14] ont également étudié l’effet des paramètres d’extraction de fluide supercritique sur le rendement et les propriétés antioxydantes du lycopène; Maier et al. [15] ont étudié la méthode enzymatique d’extraction des polyphénols du Marc de raisin, etc.
Dans l’étude de la séparation et de la purification: outre le gel de silice et l’alumine utilisés au début, le charbon actif est l’adsorbant le plus couramment utilisé et peu coûteux, et son effet de séparation est également relativement bon. En outre, les recherches récentes sur les technologies émergentes telles que les résines et les gels de chromatographie, ainsi que la chromatographie à contre-courant à grande vitesse, l’ultrafiltration et la technologie des membranes de nanofiltration, ont également été appliquées avec succès à la séparation, à la purification et à la concentration des pigments.
Les produits de couleur naturelle sont principalement disponibles en poudre et sous forme liquide. Même si la qualité est élevée après la séparation, des problèmes tels que l’oxydation et la décomposition existent toujours pendant la circulation, en particulier pour importantIngrédients de couleur naturelle, qui sont plus difficiles à exister et à stocker stablement pendant une longue période. De plus, la plupart des pigments sont sous forme liquide ou en pâte, ce qui n’est pas propice à l’entreposage et au transport. En production réelle, il est difficile de quantifier les produits en solution lorsqu’ils sont utilisés, et la valeur de couleur unitaire est faible, et la durée de conservation est courte, généralement 12 à 18 mois. Habituellement, la valeur de couleur de produit unitaire des poudres est haute et la durée de conservation est longue, ainsi le séchage est un moyen important de résoudre ce problème. Cependant, les différentes méthodes de séchage auront également une incidence directe sur la qualité du produit. De nombreux chercheurs nationaux et étrangers ont également effectué un grand nombre d’expériences sur le post-traitement des pigments en utilisant diverses techniques de séchage. Les méthodes de séchage comprennent le séchage par pulvérisation, le séchage sous vide, le séchage par micro-ondes, etc.
2 Application et comparaison des méthodes de séchage dans le traitement ultérieur de la couleur naturelle
2.1 Application des méthodes de séchage dans le traitement ultérieur des pigments
Différentes méthodes de séchage affectent directement la performance, la forme, la qualité et la consommation d’énergie lors de la production de couleur naturelle. Différentes méthodes de séchage ont été appliquées pour le traitement ultérieur des pigments, mais le degré d’impact sur la qualité du produit varie.
2.1.1 séchage par pulvérisation et microencapsulation
Le séchage par pulvérisation est une méthode de séchage dans laquelle un procédé unique pulvérise des solutions, des émulsions, des suspensions et des boues et évapore le solvant en contact avec de l’air chaud pour obtenir une poudre, une boule creuse ou un produit séché aggloméré [16]. Cependant, l’utilisation de températures élevées et d’air dans le séchage par pulvérisation affecte considérablement la qualité des matériaux sensibles à la chaleur tels que la couleur naturelle pendant le traitement. Le procédé qui consiste à utiliser la technologie de séchage par pulvérisation pour enfermer des substances solides et liquides dans une capsule minuscule, semi-perméable ou fermée est appelé microencapsulation. Cette technologie peut empêcher les ingrédients actifs de la préparation de s’oxyder, d’hydrolyser et de se volatiliser.
Jin Feng et al. [7] ont étudié le processus de préparation des microcapsules de pigment de maïs et ont obtenu la composition optimale du matériau de paroi des microcapsules de pigment: maltodextrine amidon microporeux avec un rapport massique de 1:1, 10% de pigment et 40% de solides totaux. Le procédé optimal pour le séchage par pulvérisation est: température de l’air d’entrée 140°C, température de l’air de sortie 80°C. Zhong Yaoguang et al. [17] ont utilisé le séchage par pulvérisation pour étudier la microencapsulation des pigments NFH. Les résultats ont montré que le matériau de la paroi était le maltose (55%), le hβ-CD (25% p/p) C et la gomme arabique (20%); Le débit d’alimentation pour le séchage par pulvérisation était de 50 mL/min; La température de l’air à l’entrée était de 200°C et celle de l’air à la sortie, de 80°C. Seda et al. [18] ont microencapsulé des anthocyanes extraites du radis noir et ont constaté que la température optimale de l’air d’entrée était de 160°C. La qualité du produit a été évaluée en termes de teneur en pigments et de propriétés antioxydantes.
Bien que la microencapsulation utilisant le séchage par pulvérisation puisse résoudre efficacement des problèmes tels que le traitement, la conservation et la reproduction des nutriments et des composants d’arômes naturels, et soit utilisée dans l’industrie des additifs alimentaires, y compris les épices, les colorants naturels, les assaisonnements, etc., l’application de produits pigmentaires microencapsulés est limitée en raison de l’effet du matériau de revêtement sur la couleur lors du mélange des couleurs.
2.1.2 séchage par micro-ondes
Les micro-ondes, en tant qu’onde électromagnétique, désignent une onde électromagnétique à ultra-haute fréquence d’une fréquence de 0,3 à 300 GHz, ou d’une longueur d’onde de 1 à 1000 mm [19]. Il peut générer un champ électromagnétique à haute fréquence. Les molécules polaires dans le matériau diélectrique changent continuellement leur orientation polaire avec la fréquence du champ électromagnétique dans le champ électromagnétique, faisant vibrer les molécules d’avant en arrière et générer de la chaleur de friction pour atteindre le but du séchage. Il est principalement utilisé pour sécher les extraits après l’extraction et la concentration des matériaux. C’est une technologie d’économie d’énergie et de réduction de la consommation qui comporte une vitesse de séchage rapide, un rendement élevé et un faible coût. Cette technologie peut être utilisée pour le séchage et la stérilisation, l’extraction et la concentration, le gonflage et la déshydratation à basse température.
Liu Chunquan et al. [20] studied the dehydration test of microwave drying purple sweet potato chips, obtained the dehydration law of microwave drying purple sweet potato chips, established a microwave drying model for purple sweet potato chips, and also investigated the effect of microwave drying on purple sweet potato pigment. The results showed that the product pigment content was higher when the microwave power was 700W, the slice thickness was 6mm, and the pre-drying time was 20-50s. The three factors that affect the pigment content of the product: radiation power, slice thickness and pre-drying time were studied. Meng Xianghe et al. [21] studied the effect of microwave on the color of processed fruit products, discussed the changes in color and pigment composition after processing, and showed through liquid chromatography that microwave treatment does not change the structure or quality of carotene, but causes a loss of total carotene degradation. It was also found that microwave heating of kiwifruit causes a significant decrease in chlorophyll a and b.
Cela montre que comme le séchage au micro-ondes utilise généralement une température de séchage de 80-100°C, il existe également un phénomène où la couleur du produit séché est nettement inférieure à celle de la matière première.
2.1.3 séchage sous vide
Le séchage sous vide est la déshydratation et le séchage de matériaux à haute teneur en humidité à basse température et sous vide, y compris la lyophilisation sous vide et le séchage sous vide à basse température. Il présente les caractéristiques suivantes: (1) voir aussi: il est effectué à basse température et convient aux substances sensibles à la chaleur. Par exemple, les protéines, les microorganismes, etc., ne dénaturent pas ou ne perdent pas leur activité biologique; Dans le même temps, les basses températures réduiront la perte de certains composants volatils dans le matériau, le rendant approprié au séchage de certains produits chimiques, produits pharmaceutiques et aliments. 2) le séchage est effectué sous vide, avec très peu d’oxygène, ainsi quelques substances thermiquement sensibles qui sont facilement oxydées et peur des températures élevées sont protégées.
Du Minhua et al. [6] used a linear weighted combination method to optimize the vacuum freeze-drying process of kudzu fruit pulp, and obtained the optimal process parameters: Material: The maximum surface temperature during analysis is 48℃, the initial drying chamber pressure during sublimation is 26Pa, the thickness of the charge is 7mm, the loss rate of VC and strawberry pigment is 6% and 38%, and the freeze-drying time is 18h. Ma Wenping et al. [22] initially studied the vacuum freeze-drying technology of wolfberry pigment. Because wolfberry pigment is a heat-sensitive material, it was found in the drying test of fresh wolfberry that the quality of the product will be affected when the temperature exceeds 50℃. Therefore, the separated fresh fruit pigment of medlar was used to make crude powder of medlar pigment by freeze drying. The sensory indicators such as product color, tissue morphology, odor and impurities, as well as the physical and chemical indicators such as β-carotène content, were all very satisfactory.
Le séchage sous vide à basse température a des conditions de séchage similaires à la lyophilisation et est également largement utilisé dans de nombreux domaines. Par exemple, il est utilisé dans l’industrie alimentaire pour la production de litchi séché, de longan séché [23], de ginseng [24], de dattes rouges à teneur élevée en vc [25], etc.; Dans la production agricole, il est utilisé dans la production de riz [26], de maïs [27] et d’autres céréales, alors qu’il existe peu de résultats de recherche sur son utilisation directe dans le séchage des pigments.
2.2 comparaison de plusieurs méthodes de séchage dans le traitement naturel des couleurs
Bien qu’il y ait eu de nombreuses études sur l’utilisation de la technologie de séchage pour traiter les couleurs naturelles, il est toujours utile d’étudier quelle méthode de séchage est plus appropriée pour le traitement ultérieur des pigments. L
Table 1 compares the different drying methods for Natural Color. It can be seen that: (1) the inlet air temperature for spray drying is between 120 and 200°C, and the processing is exposed to air, so it is easily oxidized. Although the drying time is very short, it will still affect the yield and quality of the pigment. Seda et al. [19] believe that high inlet and outlet air temperatures will affect the yield of anthocyanins. In addition, after the pigment product is spray-dried and microencapsulated, when it is mixed with other food additives at a later stage, it will affect the color value to a certain extent. (2) The temperature of microwave drying is not as high as that of spray drying (generally 60-100°C), but there are still problems with the thermal stability and oxidation of pigments [21]. This method is suitable for some pigments that are resistant to heat and oxidation, but it is not universal. (3) Vacuum freeze drying has a very low temperature and is carried out under a vacuum, so it is suitable for further processing of the pigment. However, its biggest problem is that it consumes a lot of energy and takes a long time to work. 4) The conditions for low-temperature vacuum drying are low temperature (20-60°C), vacuum, and less freezing than freeze-drying, so the energy consumption is lower and the drying time is shorter.
La comparaison et l’analyse ci-dessus montrent que le séchage sous vide à basse température est une méthode plus appropriée et efficace pour le séchage naturel de la couleur et mérite des recherches plus poussées.
3 séchage sous vide à basse température des pigments
3.1 mécanisme de séchage sous vide à basse température des pigments
Pendant le séchage sous vide à basse température, la température de changement de phase de l’eau sous basse pression est inférieure à celle sous pression normale [29], de sorte que le rapport d’humidité est plus susceptible de se vaporiser que sous pression normale. Comme le montre la Figure 1, une fois le matériau chauffé, l’humidité interne se vaporise rapidement et il y a une grande différence de pression entre l’intérieur du matériau et la surface. Le gradient de pression est dans la même direction que le transfert d’humidité, et sous l’action du gradient de pression, l’humidité se déplace rapidement vers la surface, permettant à la vapeur d’eau d’entrer dans la phase gazeuse dans l’environnement environnant et d’être pompée loin par la pompe à vide. Du mécanisme du séchage sous vide à basse température, on peut voir que pour le séchage sous vide, le gradient de pression est dans la même direction que le transfert d’humidité. Il n’est pas facile pour la surface du matériau de durcisser et de fissure, et comparé à la lyophilisation sous vide, il a les caractéristiques de vitesse de séchage rapide, temps de séchage court, et faible coût d’exploitation de l’équipement [30].
3.2 etude sur modèle du séchage sous vide à basse température des pigments
3.2.1 simulation mathématique de la technologie de séchage
En tant que l’un des centres d’intérêt de la recherche sur la technologie de séchage, la simulation et l’analyse de modèles mathématiques présente les avantages suivants par rapport à la recherche expérimentale:
1) Faible coût; 2) rapide; 3) des résultats et des informations détaillés et complets; 4) peut simuler des conditions idéales; 5) peut également simuler des conditions réelles. Par conséquent, l’application de méthodes mathématiques dans le séchage a attiré l’attention de nombreux chercheurs. Xu Ying et al. [31] ont étudié la lyophilisation des myes jaunes et ont établi un modèle de transfert de chaleur et de masse pour les myes jaunes; John et al. [32] ont étudié le modèle de séchage des pépins de raisin, etc. Cependant, le manque de données expérimentales ou la difficulté de mesurer les paramètres du procédé de séchage influent directement sur la précision des modèles mathématiques. Huang Lixin et al. [33] ont résumé les principaux modèles mathématiques et méthodes d’analyse utilisés dans le domaine du séchage, et ont souligné qu’avec le développement de la technologie informatique et le développement et l’application de logiciels commerciaux à grande échelle, la précision des résultats de simulation du processus de séchage a été considérablement améliorée. Par conséquent, les travaux de recherche sur la simulation de modèles mathématiques dans la technologie de séchage se développeront encore mieux sur la base originale.
3.2.2 simulation d’un modèle de séchage en couche mince
Le séchage sous vide à basse température consiste généralement à placer la solution de pigment à sécher en couche mince sur une plaque chauffée, puis à placer la plaque entière sous vide élevé pour terminer le séchage de la solution entière. Par conséquent, le séchage de disques sous vide à basse température est également une sorte de séchage en couche mince [34]. Actuellement, le processus de simulation mathématique du séchage en couche mince comprend généralement les étapes suivantes: 1) sélectionner plusieurs modèles mathématiques couramment utilisés; 2) obtenir des données d’expériences; 3) utiliser les données obtenues de l’expérience pour déterminer, au moyen de méthodes mathématiques d’ingénierie, le modèle qui correspond le mieux aux résultats expérimentaux; 4) vérifier l’équation du modèle.
En ce qui concerne le modèle de séchage en couche mince, Sharma et al. [35] ont donné un modèle empirique semi-théorique plus complet et sont présentés au tableau 2. Le modèle N ew ton, également connu sous le nom de modèle L ewis, est un modèle de mouvement d’humidité basé sur N ew ton' S loi de refroidissement; Le modèle P age ajoute un exposant au temps basé sur le modèle N ew ton, qui est un modèle purement empirique. Comme le modèle de riz à basse température de Li Dong et al. [36] et le modèle de chitine à séchage infrarouge de Ou Chunyan et al. [37]; Henderson et Pabis est également connu sous le nom de modèle de diffusion unique, qui est basé sur Fick' S deuxième loi.
De nombreux chercheurs au pays et à l’étranger ont également beaucoup travaillé à l’aide de ces modèles de séchage à couches minces, comme Zeng Libin et al. [38] et#39; modèle de carpe argentée à séchage à l’air chaud, Goyal et al. [39] et#39; S mathématique pour le séchage en couche mince des prunes, et Debabandya et al. [40]' modèle de blé S. Toutefois, ces modèles sont généralement fondés sur des hypothèses qui diffèrent grandement de la réalité, ce qui entraîne des lacunes dans les modèles. Certains modèles ignorent également l’effet de la teneur initiale en humidité sur la vitesse de séchage et ne conviennent pas aux caractéristiques de séchage de matériaux à forte teneur en humidité qui nécessitent de longs temps de préchauffage [41].
Wang Zhiwen et al. [42] ont étudié un modèle théorique unidimensionnel pour le séchage sous vide, ont introduit la théorie du séchage sous vide pour les matériaux semblables à des feuilles et sphériquement symétriques, ont dérivé les équations différentielles du problème de transfert de chaleur et de masse, et ont utilisé l’analyse théorique pour obtenir les caractéristiques de la teneur en humidité variable dans le temps du matériau et estimer la fin du séchage. Cependant, certaines erreurs seront générées en raison des hypothèses du modèle théorique, comme le fait de fixer la diffusivité thermique comme une constante.
La plupart de ces modèles sont des modèles empiriques semi-théoriques qui ne peuvent pas refléter avec précision le processus de migration interne de l’humidité des matériaux, ni décrire spécifiquement le changement du coefficient interne de diffusion de l’humidité des matériaux avec le temps de séchage. Par conséquent, le modèle théorique de couche mince doit être étudié plus avant.
4 perspectives
Today, with the rapid development of the food industry, the prospects for the development of natural colors are very broad. However, how to overcome problems such as the oxidation and decomposition of pigments is still an important research and application topic in the processing and refining of natural colors. The role of drying technology in the deep processing of natural colors is beyond doubt, but how to further change its limitations is also the direction of future research.
Les résultats de l’analyse montrent que certaines méthodes utilisées dans le traitement des pigments, comme le séchage par pulvérisation, le séchage par micro-ondes et la lyophilisation sous vide, présentent encore des lacunes. En même temps, il est démontré que le séchage sous vide à basse température est très approprié pour sécher la couleur naturelle. Comme il y a eu peu de recherche dans ce domaine au pays et à l’étranger, il vaut la peine de poursuivre des recherches et des explorations approfondies.
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