A05. Colorants alimentaires

TP A05. Colorants alimentaires dans un sirop ou dans des confiseries

ObjectifsOptimiser, par le choix de lluant (nature et concentration), la sparation des constituants d'un mlange de deux colorants, en utilisant la technique de chromatographie de partage sur papier.

supportluantsrvlationpapier Whatman n1diversvisuelle

Appliquer une technique dextraction des colorants par fixation sur de la laine aux colorants dun sirop de menthe.

Prsentation de la dmarcheRalisation des chromatographies sur papier de solutions aqueuses de colorants (jaune de tartrazine et bleu patent V) avec diffrents luants afin de dterminer celui qui convient le mieux pour la sparation.Application la chromatographie des colorants contenus dans un sirop de menthe. Les colorants du sirop sont extraits laide dun morceau de laine pralablement traite par une solution basique (solution dammoniac). Dans un premier temps, ils sont extraits du sirop dans un milieu acide (vinaigre) o ils se fixent sur la laine. Dans un second temps, la laine est plonge en milieu basique pour relarguer les colorants (et donc les faire passer en solution). La chromatographie est ralise avec lluant dtermin prcdemment.

ProlongementsPourquoi utiliser la laine pour extraire les colorants du sirop de menthe?Structure molculaire et couleur. Spectres dabsorption des colorants.

Variante: raliser la chromatographie des colorants contenus dans les fraises Tagada (voir le protocole en fin de ce document).ProtocoleMatriel et produitsprouvettes gradues de 10 et 50 mLVerre de montreTubes essaisBechersMatriel pour chromatographie sur papierAgrafeusePlaque chauffante (ou agitateur magntique chauffant)Laine

Solutions de chlorure de sodium de concentrations massiques 20 g.L-1, 40 g.L-1 et 100 g.L-1Solution dammoniac de concentration molaire 0,1 mol.L-1.thanol 95Solution aqueuse de bleu patent V 1% (1 g de bleu patent V pour 100 mL deau)Solution aqueuse de jaune de tartrazine 1% (1 g de jaune de tartrazine pour 100 mL deau)Sirop de mentheVinaigre blanc Mode opratoire1. Ralisation de chromatographies avec diffrents luantsPrparer six chromatogrammes (papier Whatman n1 ou papier filtre)et dposer chaque colorant en solution aqueuse 1% sur chacune des feuilles de papier.Raliser les dpts en laissant 2 cm entre les dpts et le premier dpt et le bord du papier (les taches ont tendance stendre beaucoup plus quen chromatographie sur couche mince); scher et faire une seconde application.Scher et donner au papier une forme cylindrique de diamtre infrieur celui du diamtre intrieur de la cuve en attachant les bords opposs avec des agrafes: il ne faut pas que les deux bords du chromatogramme soient en contact et que le chromatogramme touche la paroi de la cuve.

Raliser llution avec les luants suivants:

luantcomposition1eau pure2thanol 953thanol/eau dans le rapport 50/50 en volume4eau sale 20 g.L-15eau sale 100 g.L-16thanol 95/eau sale 40 g.L-1 dans le rapport 50/50 en volume

Scher le chromatogramme.Conclure sur le choix de lluant pour lapplication.

2. Application: chromatographie dun sirop de mentheExtraction des colorantsVerser 50 mL de sirop dans un becher. Porter bullition (viter la caramlisation).Pendant ce temps, placer environ 70 cm de laine crue dans un autre becher contenant 10 mL de solution dammoniac de concentration molaire 0,1 mol.L-1.Remuer avec lagitateur en faisant bien pntrer la solution dans la laine. Laisser reposer environ trois minutes.Sortir la laine et la rincer sous leau courante puis bien lessorer.Placer la laine dans le becher contenant le sirop de menthe et ajouter 5 mL de vinaigre.Remuer laide dun agitateur. Laisser la laine en contact pendant au moins cinq minutes.Sortir la laine teinte du becher et la rincer sous leau courante puis bien lessorer.Verser 5 mL de solution dammoniac dans un becher propre puis y ajouter la laine teinte: la solution se teinte. Laisser au moins trois minutes en agitant de temps en temps.Concentrer la solution de moiti en portant bullition douce.

Chromatographie des colorantsRaliser les dpts suivants sur le papier:colorants du sirop de menthe;solution aqueuse de bleu patent 1%;solution aqueuse de jaune de tartrazine 1%.

Raliser llution laide de lluant pralablement dtermin.Conclure sur la nature des colorants prsents dans le sirop de menthe.

Exemples de questions Le sirop de menthe contient du bleu patent V, E 131, gnralement fourni sous la forme de sel calcique et du jaune de tartrazine, E 102, gnralement fourni sous forme de sel trisodique.

Jaune de tartrazine (E102)Bleu patent V (E131)

sel trisodique de l'acide (sulfo-4' phnylazo-1')-4 (sulfo-4 phnyl)-1 hydroxy-5 pyrazolecarboxylique-3sel calcique ou sodique du sel interne hydroxyde de N-thyl N-[(dithylamino-4 phnyl) (hydroxy-5 disulfo-2,4 phnyl) mthylne]-4 cyclohexadine-2,5 ylidne-11 thaneaminyium

Quel est lluant adapt pour analyser les colorants prsents dans le sirop de menthe?

Au vu des formules chimiques, expliquer pourquoi le jaune de tartrazine est moins soluble dans lthanol que le bleu patent.

En vous aidant des rsultats obtenus en chromatographie sur papier conclure sur les solubilits compares des deux colorants selon la nature de lluant.

Exploitation de la manipulation Principe de la chromatographieLa chromatographie est une mthode physique de sparation base sur les diffrences daffinit des espces analyser lgard de deux phases, lune stationnaire ou fixe, lautre mobile.Dans la chromatographie sur papier propose ici, la phase fixe est forme par leau adsorbe par les molcules de cellulose du papier Whatman et la phase mobile est un liquide, lluant.Cest une chromatographie de partage qui repose sur la diffrence de solubilit des espces dans les deux solvants. Le coefficient de partage de lespce A entre les solvants S et Sest dfini par : . Si une espce est plus soluble dans la phase mobile, lluant, elle se dplace plus rapidement quune espce qui lest moins et inversement. La polarit des phases est un autre paramtre qui agit sur la progression de lespce.

La chromatographie sur papier est particulirement adapte lanalyse des composs trs polaires: acides amins, sucres, composs polyfonctionnels. Les chromatographies sur couche mince et sur colonne sont des chromatographies dadsorption o la phase stationnaire est un solide, il sagit par exemple de silice ou dalumine traite et la phase mobile un liquide.La sparation est base sur ladsorption slective des espces la surface du solide.Les interactions espce-adsorbant sont du type diple-diple, diple-ion ou des interactions de Van der Waals. En gnral plus un adsorbant est polaire plus il fixe les espces polaires.Les interactions espce-luant rsultent de la dissolution de lespce dans le solvant et du dplacement des molcules de lespce par lluant, les molcules dluant recherchent les mmes sites dadsorption que les molcules de soluts et dplacent ainsi ces dernires.Lluant migre travers la phase stationnaire par capillarit.

pouvoir luant croissant ou polarit croissanteForces dinteractions croissantes avec les composs polaires

Srie luotropique des solvants

Ether de ptroleCyclohexaneTrachloromthaneToluneBenzneDichloromthaneEther dithyliqueTrichloromthaneEthanoate dthylePyridinePropanonePropan-1-olEthanolMthanolEauAcide thanoque

Principaux adsorbants utilis en chromatographie

Papier, celluloseKieselguhr, terre de diatomesAmidonSucresTalcCarbonate de sodiumOxyde de magnsiumGel de siliceAlumineCharbon activ

Extrait de Chimie organique exprimentale. Belin (voir bibliographie).

lments de rponseChromatogrammes obtenus avec les diffrents luants Dure dlution pour une distance parcourue par le front de lluant mesure partir de la ligne de dpts de 6,5 cm environ:Eluant 1Eluant 2Eluant 3Eluant 4Eluant 5Eluant 612 min18 min53 min15 min22 min55 min

Eluant 1Eluant 2Eluant 3Eluant 4Eluant 5Eluant 6eau purethanol 95thanol/eau 50/50eau sale 20 g.L-1eau sale 100 g.L-1thanol 95/eau sale 40 g.L-1 (50/50)

Influence de la nature de lluant relations structure-proprits (solubilit)

1.Cest lluant n4 qui convient le mieux

2.Au vu des formules chimiques, il est possible de dire:

- le jaune de tartrazine est un anion trs hydrophile que lon peut prvoir soluble dans leau et moins soluble dans lalcool;- le bleu patent V est galement un anion comportant quatre groupes thyle et un groupe caractristique hydroxyde; cest donc une molcule la fois hydrophile et proche de la structure des alcools; on peut la prvoir la fois soluble dans leau et dans les alcools, sans doute moins soluble dans leau que le jaune de tartrazine.Les expriences et les donnes de solubilit confirment ces prvisions.

Donnes: Solubilit des colorants 20 C

solubilit dans 100 mL deau (g)solubilit dans 100 mL dthanol (g)Jaune de tartrazine110,1Bleu patent V8,45,2Ces valeurs constituent des ordres de grandeurs car la solubilit des colorants dpend du procd de fabrication.

3.Daprs les rsultats obtenus en chromatographie sur papier:

-jaune de tartrazine:

s(luant 1) > s(luant 3) > s(luant 4) > s(luant 6) > s(luant 5) > s(luant 2)s(luant 1) signifiant solubilit dans lluant 1-bleu patent V:

s(luant 3) s(luant 6) s(luant 2) > s(luant 1) > s(luant 4) > s(luant 5)

Prolongement pour interprter la diffrence de solubilit du jaune de tartrazine dans leau et leau sale Lquation de dissolution du jaune de tartrazine, not Na3Tar, dans leau scrit:

Lexpression du quotient de raction est: La constante dquilibre associe cette raction (valeur du quotient de raction dans ltat dquilibre) est ici appele produit de solubilit, not KS: La solubilit du jaune de tartrazine diminue trs fortement en milieu salin car la condition traduisant ltat dquilibre, du fait de la prsence dions Na+, est obtenue pour une quantit plus faible de jaune de tartrazine La mme exprience avec le bleu patent montre que sa solubilit diminue beaucoup moins en milieu salin: cest le mme phnomne qui explique le relargage. .

Observations et interprtationEluant 1. Dans leau, pas de sparation, le partage se faisant entre l'eau et... l'eau.Eluant 2. Le jaune de tartrazine, trs peu soluble dans l'alcool, n'est pas entran.Eluant 3. Le jaune de tartrazine est plus soluble dans l'eau que dans le mlange eau-alcool; il a donc tendance rester sur la phase fixe bien qu'il soit entran en partie par l'luant. Le bleu patent est peine plus soluble dans le mlange eau-alcool que dans l'eau.Eluant 4. Le jaune de tartrazine est plus soluble dans l'eau que dans l'eau sale. La prsence dions sodium diminue la solubilit du colorant.Eluant 5. Le problme prcdent est accentu et confirm.Eluant 6. La sparation des deux colorants est correcte mais le bleu patent atteint le front de lluant.Pourquoi utiliser la laine pour extraire les colorants du sirop de menthe?

Quel intrt y-a-t-il fixer de faon intermdiaire le colorant sur la laine plutt que doprer la chromatographie sur papier directement sur le filtrat?La laine est constitue dune protine, la kratine, comportant un assemblage dacides amins. Les groupes terminaux des chanes protiques sont respectivement NH2 et COOH. Cette protine en milieu neutre peut scrire: +H3N-(R)n COO.

crire la formule simplifie de la laine en milieu acide.En schmatisant le colorant par une formule simplifie, , crire une quation de la raction montrant la fixation du colorant sur la laine, en milieu acide (dans ces conditions, le colorant garde sa structure:).crire une quation de la raction montrant le dgorgement du colorant en milieu ammoniacal.

Prolongement: structure molculaire et couleur; spectres dabsorption des colorants du sirop de menthe1. Structure molculaire et couleurRactiver les connaissances de physique acquises en classe de secondesur les spectres dmission (spectres continus dorigine thermique, spectre de raies) et dabsorption (bandes dabsorption de solutions colores, raies caractristiques dun atome ou dun ion) (BO HS n 6 du 12 aot 1999 p.19); faire un lien avec le programme de physique de la classe de terminale scientifique: Latome et la mcanique de Newton: ouverture au monde quantique (BO HS n 4 du 30 aot 2001 page 87).Dfinir un compos aromatique, reprer les doubles liaisons conjugues et conclure sur structure molculaire et couleur: La formule chimique du bleu patent et du jaune de tartrazine permet-elle dexpliquer quelles soient colores?

2. Spectres dabsorption des colorants du sirop de menthe

Spectre dabsorption du bleu patent V

1 mg pour 100 mL eau

Spectre dabsorption du jaune de tartrazine

2 mg pour 100 mL eau

Spectre dabsorption du sirop de menthe

Belle France dilu 10 fois

Questions possibles et expriencesPeut-on raliser un dosage par talonnage dune solution de bleu patent V? De jaune de tartrazine? Choisir les longueurs donde et laborer un protocole. Le tester ventuellement.Au vu des spectres dabsorption, est-il possible de dterminer les concentrations des deux espces contenues dans le sirop de menthe?Peut-on raliser un dosage par talonnage des colorants contenus dans un sirop de menthe? Elaborer un protocole et le tester ventuellement.

Elments de rponsePour doser le bleu patent V, seul, se placer au maximum dabsorption (640 nm).Pour doser le jaune de tartrazine seul, se placer au maximum dabsorption (425 nm).Pour doser les deux colorants contenus dans le sirop de menthe Le maximum dabsorption du jaune de tartrazine est un peu dplac vers les basses longueurs donde dans le sirop de menthe tudi., on peut se placer 640 nm mais pas 425 nm car le bleu patent absorbe galement.

425 nm

640 nm

Spectre dabsorption du sirop de menthe

450 nm

425 nm

640 nm

Spectre dabsorption du jaune de tartrazine

Spectre dabsorption du bleu patent V

Remarque Attention, il existe deux bleus patents (V etVF) qui nont pas la mme formule chimique.

Bleu patent VF:

BibliographieChromatographie- Un excellent ouvrage de rfrence pour la chromatographie:Beaudouin G.-J., Chavanne M., Flamand E., Jullien A. (1986). Chimie organique exprimentale. Belin - Pour approfondir:Smith I. & Feinberg J.G. (1972). Paper & thin layer chromatography & electrophoresis. Longman.

Fibres textiles, colorantsCAPON M., COURILLEAU-HAVERLANT V., VALETTE C. (1983). Chimie des odeurs et des couleurs, Cultures et techniques.Davous D., Besseyre J., Jus de fruits, boissons rafrachissantes sans alcool, Bulletin de lUnion des Physiciens n816, septembre 1999 pp 1197-1215

Solubilit: http://home.primus.com.au/royellis/solchart.htmVariante: Colorant alimentaire dans des confiseries

Il est possible de raliser dautres extractions du mme type, impliquant galement lextraction de la laine. Il est indiqu ci-dessous les lments pour laborer le protocole concernant les Fraises Tagada. Il est possible de raliser les spectres dabsorption de solutions aqueuses de chacun des colorants, mais leurs spectres dabsorption sont tels quil nest pas envisageable de travailler sur une solution de Fraises Tagada

Composition: elles contiennent trois colorantsE 104: Jaune de quinoline; E124: Rouge cochenille A; E 129: Rouge allura AC.

Identification par chromatographie

supportluantrvlationplaque de silicepropan-2-ol / ammoniaque41/1 en volumesvisuelle

Formules chimiques

Rouge cochenille(E 124)

Soluble dans leauRouge allura AC(E 129)

Soluble dans leauJaune de quinoline(E 104)