Production sans métal de pigments bleus naturels via les interactions anthocyanes-protéines : une nouvelle découverte

Contexte académique

Avec l’attention croissante des consommateurs pour la santé et les ingrédients alimentaires naturels, la demande en pigments naturels augmente également. Cependant, les sources de pigments bleus naturels sont rares, et leur production fait face à d’énormes défis. Actuellement, l’industrie alimentaire dépend principalement de pigments bleus synthétiques, mais ceux-ci peuvent présenter des risques potentiels pour la santé. Par conséquent, le développement de pigments bleus naturels, sûrs et stables, est devenu un domaine de recherche important en science alimentaire. Les anthocyanes (Acns) sont des pigments communs dans les plantes, capables de présenter une variété de couleurs allant de l’orange-rouge au bleu-violet. Cependant, dans des conditions in vitro, la stabilité des anthocyanes bleues est faible, en particulier dans des conditions neutres ou alcalines, où la couleur bleue a tendance à se dégrader.

Traditionnellement, les anthocyanes forment des complexes avec des ions métalliques pour générer des pigments bleus stables, en particulier les anthocyanes acylées qui présentent une excellente stabilité de la couleur bleue. Cependant, la méthode de complexation métallique est coûteuse et peut présenter des risques d’ingestion de métaux. Par conséquent, la recherche d’une méthode de production de pigments bleus naturels sans métaux est un sujet brûlant dans la recherche actuelle. Cette étude propose une nouvelle stratégie sans métaux, générant des pigments bleus stables via les interactions entre les anthocyanes et les protéines, et explore en profondeur les mécanismes sous-jacents.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Wenxin Wang, Peiqing Yang, Fuqing Gao, Yongtao Wang, Zhenzhen Xu, et Xiaojun Liao, provenant du Collège d’ingénierie en science et nutrition alimentaire de l’Université agricole de Chine, ainsi que de l’Institut des technologies de test et de standardisation de la qualité de l’Académie chinoise des sciences agricoles. L’article a été publié en 2025 dans le Journal of Advanced Research, avec le DOI 10.1016/j.jare.2024.02.018.

Processus de recherche

1. Matériaux et méthodes expérimentales

• Matériaux expérimentaux : L’étude a utilisé six anthocyanes non acylées communes (cyanidin-3-glucoside, delphinidin-3-glucoside, petunidin-3-glucoside, malvidin-3-glucoside, pelargonidin-3-glucoside, et peonidin-3-glucoside), ainsi que l’albumine sérique humaine (HSA), l’albumine sérique bovine (BSA) et le lysozyme (Lys) comme protéines modèles.
• Préparation des échantillons : Les solutions d’anthocyanes ont été préparées en milieu acide, tandis que les solutions de protéines ont été dissoutes dans un tampon neutre. Les interactions entre les anthocyanes et les protéines ont été étudiées par spectroscopie d’absorption visible, quenching de fluorescence et simulations moléculaires.
• Spectroscopie d’absorption visible : Les spectres d’absorption des mélanges d’anthocyanes et de protéines ont été enregistrés à l’aide d’un spectrophotomètre UV-visible, analysant les changements dans la longueur d’onde d’absorption maximale (λmax) et l’absorbance.
• Expériences de quenching de fluorescence : Les changements d’intensité de fluorescence après la liaison des protéines avec les anthocyanes ont été mesurés à l’aide d’un spectrofluoromètre, permettant de calculer les constantes de liaison (Kd).
• Modélisation moléculaire et simulations dynamiques : Le logiciel AutoDock Vina a été utilisé pour le docking moléculaire, et GROMACS pour les simulations de dynamique moléculaire, afin d’analyser les modes de liaison et la stabilité des anthocyanes avec les protéines.

2. Résultats expérimentaux

• Interactions entre les anthocyanes et la HSA : L’étude a révélé qu’après liaison avec la HSA, les spectres d’absorption des anthocyanes subissent un déplacement bathochrome significatif, en particulier pour les anthocyanes ayant deux ou plusieurs groupes hydroxyles ou méthoxyles sur le cycle B (comme le cyanidine-3-glucoside, delphinidine-3-glucoside, et pétunidine-3-glucoside), qui présentent des nuances bleues prononcées. Leur λmax dépasse 600 nm, montrant une teinte bleue.
• Mécanismes de liaison : Grâce aux simulations moléculaires et à l’analyse des paramètres thermodynamiques, il a été constaté que la liaison des anthocyanes avec la HSA est principalement pilotée par les changements d’enthalpie (ΔH), en particulier les liaisons hydrogène entre les groupes hydroxyle du cycle B et les résidus d’acides aminés polaires de la HSA. En revanche, la liaison de la malvidine-3-glucoside avec la HSA est principalement pilotée par les changements d’entropie (ΔS), ses groupes méthoxyles renforçant les interactions hydrophobes avec les résidus d’acides aminés non polaires de la HSA.
• Sélectivité des protéines : L’étude a montré que différentes protéines ont une sélectivité marquée dans la génération de la couleur bleue des anthocyanes, en particulier la BSA et le Lys, qui montrent des effets significatifs d’amélioration de la couleur bleue. Notamment, la malvidine-3-glucoside, en se liant à la BSA, atteint une λmax de 642 nm, présentant une teinte bleue vive.

3. Stabilité de la couleur

• Mode de décoloration : L’étude a révélé que la HSA et la BSA peuvent considérablement améliorer la stabilité de la couleur des anthocyanes. En 12 heures, la liaison des anthocyanes avec les protéines ralentit significativement la décoloration, en particulier lorsque la concentration en protéines atteint un certain seuil, offrant une stabilité optimale de la couleur.

Conclusion de la recherche

Cette étude démontre pour la première fois que les anthocyanes 3-glucoside non acylées, largement distribuées, peuvent générer diverses nuances de bleu grâce à leurs interactions avec des protéines spécifiques, sans recours aux méthodes traditionnelles de complexation métallique. L’étude révèle le rôle clé des groupes hydroxyle ou méthoxyle sur le cycle B des anthocyanes dans la génération de la couleur bleue. En particulier, la cyanidine-3-glucoside, la delphinidine-3-glucoside et la pétunidine-3-glucoside génèrent du bleu en interagissant avec la HSA ou le Lys, principalement piloté par les changements d’enthalpie ; tandis que la malvidine-3-glucoside génère du bleu en interagissant avec la HSA ou la BSA, principalement piloté par les changements d’entropie. Cette découverte offre une nouvelle stratégie simple, efficace et sans métaux pour la production de pigments bleus naturels.

Points forts de la recherche

• Méthode de production sans métaux pour les pigments bleus : L’étude propose une nouvelle stratégie sans métaux, générant des pigments bleus stables via les interactions anthocyanes-protéines, surmontant les limitations des méthodes traditionnelles de complexation métallique.
• Conception optimisée des anthocyanes : L’étude révèle le rôle clé des groupes hydroxyle ou méthoxyle sur le cycle B des anthocyanes dans la génération de la couleur bleue, fournissant des directives théoriques pour le développement de nouveaux pigments bleus naturels.
• Sélectivité des protéines : L’étude démontre que différentes protéines ont une sélectivité marquée dans la génération de la couleur bleue des anthocyanes, en particulier avec la BSA et le Lys, permettant d’obtenir des nuances bleues vives.

Signification de la recherche

Cette étude non seulement révèle théoriquement les mécanismes d’interaction entre les anthocyanes et les protéines, mais fournit également de nouvelles pistes pour le développement de pigments bleus naturels dans les industries alimentaires, cosmétiques et autres. Les recherches futures pourraient optimiser davantage la stabilité de la couleur dans les systèmes anthocyanes-protéines et explorer leur potentiel dans des applications pratiques.