L'art ancien rencontre la science moderne

Depuis des millénaires, les cultures du monde entier comptent sur l'activité microbienne pour préserver les aliments, améliorer la saveur et améliorer la digestibilité. Au cours des dernières décennies, ce processus ancien a trouvé une nouvelle application puissante : la production de colorants et d'additifs naturels. Les consommateurs rejettent de plus en plus les colorants synthétiques en faveur des ingrédients qu'ils peuvent reconnaître et faire confiance, la fermentation offre une voie évolutive, durable et chimiquement propre vers des pigments dynamiques et stables. Contrairement à l'extraction de plantes entières et de mdash; qui peut être riche en ressources et variable par saison et par géographie et de mdash; la fermentation utilise une croissance microbienne contrôlée pour produire des colorants cohérents et à haut rendement toute l'année. Cette approche s'harmonise nettement avec le mouvement propre, réduit la dépendance à la chimie à base de pétrole et ouvre la porte à de nouvelles teintes difficiles à obtenir par l'extraction traditionnelle.

La science de la couleur par la fermentation

La fermentation exploite les machines métaboliques des microorganismes pour convertir des substrats simples en métabolites secondaires complexes. Bon nombre de ces métabolites sont des pigments et des molécules qui absorbent des longueurs d'onde spécifiques de lumière visible et en reflètent d'autres.Les classes de pigments les plus significatives sur le plan commercial sont les caroténoïdes (jaune à rouge), les anthocyanes (rouge à violet à bleu), les bêta-laines (rouge à jaune) et les phycocyanes (bleu).

Voies de circulation biochimiques clés

La voie mévalonate et la voie méthylérythritol phosphate génèrent des précurseurs isoprénoïdes qui conduisent à des caroténoïdes tels que le lycopène, le bêta-carotène et l'astaxanthine. La voie phénylpropanoïde[ produit des flavonoïdes, y compris les anthocyanes qui donnent aux baies, au chou rouge et au maïs violet leurs couleurs caractéristiques. De nombreux microorganismes et mdash; en particulier les bactéries, les levures et les champignons filamenteux et mdash; possèdent naturellement ces voies, et les scientifiques peuvent les améliorer par le choix des souches, l'optimisation génétique et le contrôle précis de la température, du pH, de l'oxygène et de la disponibilité des nutriments.

Microorganismes utilisés dans la fermentation commerciale

Chaque organisme offre des avantages uniques en termes de profil pigmentaire, de taux de croissance, de flexibilité du substrat et d'acceptation réglementaire.

Bactéries

Les espèces de flavobactérie sont bien connues pour produire de la zéaxanthine, un caroténoïde jaune utilisé dans les aliments pour volailles et la coloration des aliments. Paracoccus carotinifaciens est une source principale d'astaxanthine, le pigment rouge responsable de la coloration du saumon et de la crevette. Les souches de Streptomyces produisent une gamme de pigments de polykétide bleu, rouge et jaune, bien que certains nécessitent une purification soigneuse en raison du potentiel de coproduction d'antibiotiques. Lactobacillus et d'autres bactéries lactiques contribuent aux teintes rouges et roses des légumes fermentés et des produits laitiers par la synthèse de pigments dérivés de l'anthocyanine, souvent en synergie avec des précurseurs végétaux.

Levures

Les levures sont particulièrement attrayantes pour la production de colorants, car beaucoup sont généralement reconnues comme sûres (GRAS) et ont des protocoles de fermentation bien établis. Blakeslea trispora est un champignon filamenteux et médaillé; techniquement un moule et médaillon de type levure; qui produit des rendements élevés de lycopène et de bêta-carotène. Phaffia rhodozyma (maintenant Xanthophyllomyces dendrourhous) synthétise naturellement l'astaxanthine et est largement utilisé en aquaculture et en coloration alimentaire. Saccharomyces cerevisiae a été conçu pour produire divers caroténoïdes, flavonoïdes et même bétalains par l'ingénierie métabolique, offrant une plateforme sûre, rapide et évolutive.

Fungi filamenteux

Des champignons tels que Aspergillus niger, Penicillium[ espèces, et Monascus purpureus[ produisent une large palette de pigments.Monascus[ a été utilisé dans la cuisine de l'Asie de l'Est pendant des siècles pour colorer le vin de riz rouge, le tofu et les viandes. Cependant, certaines Monascus souches co-productrices de citrine, une mycotoxine, si stricte sélection et purification des souches sont nécessaires pour les applications de qualité alimentaire. Fusarium vendenatum[], déjà connues pour la production de mycoprotéines, a été explorée pour son potentiel pigmentaire.

Types de colorants à fermentation

Les colorants naturels commerciaux couvrent maintenant presque tout le spectre visible, et la fermentation est devenue une méthode de production primaire pour plusieurs pigments clés.

Caroténoïdes

Les caroténoïdes sont la classe la plus importante sur le plan commercial, avec le lycopène, le bêta-carotène et l'astaxanthine qui dominent le marché. La fermentation produit ces pigments sous une forme purifiée, souvent plus stable que l'extraction végétale. L'astaxanthine de Paracoccus carotinifaciens[ et Phaffia rhodozyma[ est appréciée pour sa couleur rouge intense et sa puissance antioxydante.Le bêta-carotène de Blakeslea trispora fournit une source de provitamine A aux côtés de ses propriétés colorantes.

Anthocyanes

Bien que la plupart des anthocyanes soient encore extraits des fruits et légumes, la fermentation offre une voie complémentaire. Escherichia coli et Saccharomyces cerevisiae ont été conçus avec des gènes dérivés de plantes pour produire des anthocyanes spécifiques, y compris des dérivés de la delphinidine et de la cyanidine.Ces plates-formes de biosynthèse permettent la production d'anthocyanes difficilement disponibles à partir de sources naturelles, telles que certaines formes acylées qui offrent une stabilité supérieure à faible pH et en présence de lumière.

Bétalaines

Les bêta-plaines et les bétacyanes violets rouges et les bétaxanthines jaunes présentes dans les betteraves, les amaranth et les fruits de cactus et les mdash peuvent être produits par des levures exprimant des enzymes du cytochrome P450 dérivées de plantes. Cette approche élimine les aromatisants terrestres et géosminiques associés aux extraits de betteraves et fournit un pigment plus pur et plus concentré.

Phycocyanine et autres pigments bleus

Le bleu est la couleur naturelle la plus difficile à produire à l'échelle, et la fermentation est apparue comme une solution prometteuse. La phycocyanine, pigment bleu des cyanobactéries et des algues rouges, est traditionnellement extraite de la biomasse Spirulina, mais la culture fermentée de [Arthrospira platensis permet une production plus contrôlée et efficace. De plus, la violacéine de pigment bactérien (bleu-violet profond) de Chromobacterium violacéum et Janthinobacterium lividum est en cours d'investigation en tant que colorant bleu stable, bien que l'approbation réglementaire soit toujours en cours dans de nombreuses régions.

Applications dans l'industrie alimentaire

Les colorants et additifs dérivés de la fermentation se retrouvent dans une gamme croissante de catégories de produits alimentaires et de boissons. Leur origine naturelle, combinée à une stabilité souvent supérieure à celle des pigments extraits, les rend attrayants pour les développeurs de produits et les consommateurs.

Boissons

Les boissons gazeuses, les boissons sportives, les jus de fruits et les boissons alcoolisées utilisent des caroténoïdes et des anthocyanes issus de la fermentation pour obtenir des nuances de rouge, d'orange, de jaune et de violet. L'astaxanthine et le bêta-carotène sont particulièrement populaires dans les mélanges de jus et les smoothies, où ils contribuent à la fois à la couleur et aux allégations antioxydantes.

Confiserie et produits cuits

Les bonbons, les gommes, les givrages et les produits de boulangerie bénéficient de la stabilité thermique et de la tolérance au pH des pigments dérivés de la fermentation. Le lycopène de Blakeslea trispora[ demeure stable par cuisson et extrusion, fournissant une teinte rouge constante dans les biscuits, les gâteaux et les barres de collation.

Produits laitiers et produits de remplacement végétaux

Les produits laitiers fermentés tels que le yogourt, le kéfir et le fromage ont une synergie naturelle avec les colorants dérivés de la fermentation. La production d'anthocyanine à base de lactobacillus peut être intégrée à la fermentation elle-même, créant du yogourt rose ou violet sans aucun ingrédient colorant ajouté.

Viande et produits savores

Les viandes transformées, les analogues de viande végétale et les collations salées utilisent des colorants pour reproduire l'apparence de la viande cuite. L'astaxanthine et le lycopène fournissent des tons roses aux tons rouges dans les saucisses, les hamburgers et les tranches de déli. La fermentation du paprika dérivé de la fermentation (capsanthine) de La fermentation du Capsicum offre une couleur rouge constante et concentrée sans la variabilité du paprika cultivé sur le terrain.

Avantages sur les colorants synthétiques

Le passage des colorants synthétiques aux colorants naturels est motivé par la demande des consommateurs, la pression réglementaire, et un ensemble croissant de recherches liant certains colorants synthétiques aux préoccupations de santé.

Santé et sécurité

Les colorants synthétiques comme Red 40, Yellow 5 et Blue 1 ont fait l'objet de débats sur les liens potentiels avec l'hyperactivité chez les enfants et d'autres effets indésirables. Les colorants dérivés de la fermentation, par contre, sont produits par des microorganismes qui sont soit GRAS ou qui ont une longue histoire d'utilisation sûre dans les aliments. Beaucoup de ces pigments possèdent également des propriétés antioxydantes intrinsèques, anti-inflammatoires ou antimicrobiennes, ajoutant un avantage fonctionnel au-delà de la couleur.

Durabilité

La fermentation utilise beaucoup moins de terres, d'eau et d'énergie que l'agriculture pour les usines productrices de pigments. Un fermenteur en acier inoxydable peut produire plus de lycopène en une semaine qu'un hectare de tomates en une saison. Les substrats de fermentation peuvent inclure des sous-produits agricoles, comme la liqueur de maïs, la mélasse et le son de blé, transformant les flux de déchets en pigments précieux. L'empreinte carbone de la fermentation est également inférieure à celle de la production de colorants synthétiques, qui souvent repose sur des précurseurs dérivés du pétrole et génère des déchets toxiques.

Perception et étiquetage des consommateurs

Les consommateurs qui utilisent des colorants à base de fermentation peuvent aussi avoir des connotations positives de qualité et de salubrité artisanales. En revanche, les colorants synthétiques doivent être énumérés par leurs noms chimiques ou leurs numéros de DF&C, que de nombreux consommateurs considèrent comme négatifs. Les marques qui passent aux colorants à base de fermentation peuvent commercialiser ce changement comme un engagement envers les ingrédients naturels, justifiant souvent une prime de prix.

Avantages fonctionnels

De nombreux pigments dérivés de la fermentation offrent des avantages de stabilité par rapport à leurs homologues extraits. Les caroténoïdes produits par Blakeslea trispora et Paracoccus carotinifaciens[ sont souvent sous une forme stabilisée et estérifiée qui résiste mieux à l'oxydation et à la dégradation de la lumière que les caroténoïdes libres provenant des plantes.

Défis de la production commerciale

Malgré la promesse de colorants issus de la fermentation, plusieurs obstacles techniques et économiques doivent être surmontés pour qu'ils puissent rivaliser tête à tête avec des synthétiques à l'échelle.

Stabilité et cohérence

Le maintien d'un rendement et d'une qualité de pigments cohérents sur tous les lots nécessite un contrôle rigoureux de la performance des souches, de la composition des milieux, du pH, de la température, de l'oxygène dissous et du moment de la récolte. De nombreux pigments naturels sont également sensibles aux extrêmes de la lumière, de la chaleur et du pH; même si le cycle du fermenteur est parfait, le pigment fini doit être formulé pour survivre à la matrice alimentaire cible et à ses conditions de traitement.

Échelle et coût

Bien que la fermentation soit intrinsèquement évolutive, l'économie est difficile. Les colorants synthétiques coûtent des pennys par kilogramme, tandis que les colorants naturels peuvent coûter dix à cent fois plus. Les coûts en amont du développement des souches, de l'optimisation des médias et de l'équipement de fermentation sont élevés, et la purification en aval pour éliminer la biomasse, les nutriments résiduels, et tout produit de co-arômes ajoute des dépenses supplémentaires.

Les obstacles réglementaires

Aux États-Unis, la FDA exige que toute substance ajoutée à la nourriture soit généralement reconnue comme étant sans danger (GRAS) ou approuvée comme additif alimentaire. De nombreux pigments issus de la fermentation ont obtenu le statut de GRAS par l'auto-affirmation ou la notification de la FDA, mais le processus est long et coûteux. Dans l'Union européenne, les colorants naturels doivent être autorisés comme additifs alimentaires (numéros E) et satisfaire à des critères de pureté stricts.

Orientations futures et innovations

Le domaine évolue rapidement, la recherche et la commercialisation s'accélèrent dans toute la chaîne de valeur.

Ingénierie des souches et bioprospection

Les scientifiques utilisent le CRISPR et d'autres outils de synthèse de gènes pour éliminer les voies concurrentielles, renforcer la synthèse des pigments et introduire des voies pigmentaires entières dans des hôtes microbiens sûrs et à croissance rapide. Le résultat est une bibliothèque croissante de souches qui produisent des pigments spécifiques à des titres élevés, avec des sous-produits minimes. Bioprospecting—recherche de nouveaux microbes producteurs de pigments dans des environnements extrêmes tels que les sources chaudes, les évents profonds et la glace arctique— est de produire de nouveaux pigments avec une stabilité et des propriétés de couleur uniques.

Optimisation du processus

Les progrès de l'ingénierie bioprocédée entraînent des coûts réduits. La fermentation continue, dans laquelle des milieux frais sont ajoutés et le bouillon contenant des produits est récolté en continu, peut augmenter la productivité et réduire les temps d'arrêt par rapport aux procédés de fabrication par lots. Les capteurs en ligne pour le pH, l'oxygène dissous et les concentrations de métabolites permettent de contrôler et d'optimiser en temps réel.

Nouvelles applications au-delà des aliments

Les mêmes plates-formes de fermentation développées pour les colorants alimentaires trouvent des applications dans les cosmétiques, les produits pharmaceutiques, les textiles et les aliments pour animaux. L'astaxanthine pour les aliments pour saumons et crevettes est déjà un marché important, et les caroténoïdes issus de la fermentation sont en croissance dans le secteur des aliments pour animaux familiers. La tendance de l'étiquette propre s'étend aux produits de soins personnels, où les pigments naturels de sources microbiennes remplacent les colorants synthétiques dans les rouges à lèvres, les fards à paupières et les lotions.

Conclusion

En tirant parti du métabolisme microbien, l'industrie peut produire des pigments dynamiques, stables et sûrs qui répondent aux exigences des consommateurs et des régulateurs modernes.Les avantages sont impérieux : avantages pour la santé, durabilité, transparence de l'étiquette propre et supérieurs fonctionnels qui dépassent souvent les colorants synthétiques et les extraits de plantes.Les défis demeurent dans les coûts, la stabilité et l'approbation réglementaire, mais les progrès rapides dans l'ingénierie des souches, l'optimisation des procédés et la bioprospection réduisent constamment l'écart.

Pour de plus amples renseignements sur les aspects réglementaires, voir les lignes directrices FDA Food Additive Status List[ et EFSA Food Colours. Un examen complet des pigments microbiens est disponible dans a journal in Biotechnology Advances. Les perspectives de l'industrie sur la tendance à l'étiquetage propre sont couvertes par IFT’s Food Technology magazine.