Acylated Anthocyanins as Natural Colors : reactivity in aqueous solution, metal binding, stabilization for food applications - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2020

Acylated Anthocyanins as Natural Colors : reactivity in aqueous solution, metal binding, stabilization for food applications

Les anthocyanes acylées en tant que colorants naturels : réactivité en solution aqueuse, complexation métallique et stabilisation pour des applications alimentaires

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Abstract

Anthocyanins are ubiquitous plant pigments that exhibit bright colors from red to blue. Thus, they are good candidates to replace the synthetic food colors. However, the low stability of anthocyanin colors is a real hurdle to their industrial applications, especially under near neutral conditions required to express the blue color. A promising perspective is to resort to anthocyanins acylated by p-hydroxycinnamic acids, as these pigments develop colorstabilizing mechanisms (intramolecular copigmentation, self-association) based on strong stacking interactions between the anthocyanidin chromophore and the acyl residues. Therefore, this work investigates the structural transformations of acylated anthocyanins (proton transfer, water addition), their affinity to metal ions and their resistance to thermal degradation in the presence or absence of added metal ions. To that purpose, kinetic and thermodynamic studies by UV-visible spectroscopy are combined with the identification of degradation products by UPLC-DAD/MS. The impact of the acyl residues (number, location, type) was deciphered from a series of isolated pigments from red cabbage and purple sweet potato. With the former, the acyl residue bound to the external glucose of the sophorose moiety provides a) optimal protection against attacks by H2O, H2O2 and sulfite, b) improved affinity for metal ions, c) enhanced resistance against thermal degradation (for anthocyanins and their metal complexes). By contrast, caffeic acid, whether free or as an acyl residue (in purple sweet potato), accelerates the degradation of anthocyanins in spite of stabilizing the color. Under moderate heating at pH 7, red cabbage anthocyanins were degraded into acylsophoroses, phloroglucinaldehyde-2-O-glucoside, protocatechuic acid, 3,5,7trihydroxycoumarin derivatives, and 2,4,6-trihydroxyphenylacetic acid derivatives. Intramolecular acyl migration was also evidenced. The anionic base, a major colored form at pH 7, appears most vulnerable to autoxidation. The hydrogen peroxide thus produced is further involved in anthocyanin degradation. Overall, the tight binding of acylated anthocyanins to iron and aluminum ions and possibly the addition of natural antioxidants (e.g., N-acetylcysteine) are promising perspectives for the development of stable natural blue colors.
Les anthocyanes sont des pigments d’origine végétale exprimant des couleurs vives allant du rouge au bleu. Ce sont donc de bons candidats pour remplacer les colorants alimentaires artificiels. Cependant, leur faible stabilité est un frein à ces applications, tout particulièrement en milieu neutre requis pour l’expression de la couleur bleue. Une perspective prometteuse est le recours aux anthocyanes acylées par les acides phydroxycinnamiques, car ces pigments développent des mécanismes protecteurs de la couleur (copigmentation intramoléculaire, auto-association) basés sur de fortes interactions d’empilement entre le chromophore et les résidus acyl. Ce travail étudie donc les transformations structurales d’anthocyanes acylées (transferts de proton, addition d’eau), leur affinité pour les ions métalliques et leur stabilité au cours d’un traitement thermique. Dans ce but, des études cinétiques et thermodynamiques par spectroscopie UV-visible sont combinées à l’identification de produits de dégradation par UPLC-DAD/MS. L’impact des groupements acyl (nombre, position, type) a été étudié grâce à une gamme de pigments isolés du chou rouge et de la patate douce pourpre. Pour les premiers, les groupements acyl sur le sucre externe du groupement sophorose confèrent a) une protection optimale contre les attaques par H2O, H2O2 and SO32-, b) une plus grande affinité pour les ions métalliques, c) une plus grande stabilité thermique (pour les pigments et leurs complexes). En revanche, l’acide caféique, qu’il soit libre ou bien sous forme de résidu acyl (cas des anthocyanes de la patate douce violette), accélère la dégradation des anthocyanes, bien qu’il stabilise la couleur. Un traitement thermique modéré à pH 7 a converti les anthocyanes du chou rouge en acylsophoroses, phloroglucinaldéhyde-2-O-glucoside, acide protocatéchuique, dérivés de la 3,5,7-trihydroxycoumarine et de l’acide 2,4,6-trihydroxyphenylacétique. Un phénomène de migration intramoléculaire de résidus acyl a également été mis en évidence. La base anionique, une forme colorée majeure à pH 7, apparaît comme la plus vulnérable à l’autoxydation. Le peroxyde d’hydrogène ainsi formé est également impliqué dans la dégradation des anthocyanes. Globalement, nos résultats montrent que la forte association des anthocyanes acylées avec les ions du fer et de l’aluminium, voire l’ajout d’antioxydants naturels (par ex., la Nacétylcystéine), constituent des voies d’avenir pour le développement de colorants bleus naturels stables.
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Cite

Julie-Anne Fenger. Acylated Anthocyanins as Natural Colors : reactivity in aqueous solution, metal binding, stabilization for food applications. Other. Université d'Avignon, 2020. English. ⟨NNT : 2020AVIG0278⟩. ⟨tel-03356341⟩
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