Fabrication of a colorimetric ammonia nitrogen indicator using ube peel-derived anthocyanins in a gellan gum/carboxymethyl cellulose matrix

La qualité de l'eau et la sécurité alimentaire dépendent souvent d'un seul produit chimique invisible : l'ammoniac. Présent dans tout, du ruissellement agricole à l'air au-dessus de la viande en décomposition, ce composé est un polluant puissant qui peut nuire aux écosystèmes et signaler que les aliments ne sont plus sûrs pour la consommation. Sa détection nécessite généralement des équipements de laboratoire coûteux ou des produits chimiques toxiques qui génèrent leurs propres déchets. Les scientifiques cherchent depuis longtemps une alternative plus simple, se tournant vers les pigments naturels changeant de couleur de la nature. Ces pigments, connus sous le nom d'anthocyanes, sont les mêmes composés qui donnent aux bleuets, au chou rouge et aux patates douces violettes leurs teintes vives. Ils agissent comme des indicateurs de pH naturels, changeant de couleur lorsqu'ils rencontrent des environnements acides ou alcalins. Comme l'ammoniac rend l'eau plus alcaline, ces pigments peuvent théoriquement servir de système d'alerte visuelle, passant du rouge au bleu ou au brun à mesure que les niveaux d'ammoniac augmentent. Cependant, ces pigments délicats sont fragiles ; ils se dégradent rapidement lorsqu'ils sont exposés à la lumière ou à l'air, ce qui les rend difficiles à utiliser pour un capteur pratique et durable.

Une équipe de chercheurs de l'Université De La Salle aux Philippines a entrepris de résoudre ce problème en créant un capteur poreux et robuste capable de maintenir ces pigments fragiles en place. Ils ont choisi une source spécifique pour leur pigment : les écorces de l'ube, ou igname violette, un culture de base aux Philippines qui génère des déchets importants lors de la transformation. Au lieu de jeter ces écorces, l'équipe a extrait les anthocyanes et les a intégrées dans une nouvelle sorte de matrice de gel. Cette matrice est un mélange de deux polymères naturels : la gomme gellane, qui assure la force structurelle, et la carboxyméthylcellulose, un dérivé de cellulose qui aide le matériau à absorber l'eau. Pour lier ces deux ingrédients, les chercheurs ont utilisé du chlorure de calcium, un sel commun qui agit comme un pont entre les chaînes polymères, créant un réseau stable.

Les chercheurs ont dû faire face à un équilibre délicat. Ils avaient besoin d'un matériau suffisamment solide pour garder sa forme, mais assez poreux pour laisser l'eau et le gaz ammoniac circuler facilement. Si le matériau était trop dense, l'ammoniac ne pourrait pas atteindre les pigments à l'intérieur ; s'il était trop lâche, le capteur s'effondrerait. Pour trouver la recette parfaite, ils ont testé diverses combinaiment de polymères et différentes concentrations de sel de calcium. Ils ont découvert qu'un mélange spécifique, contenant deux fois plus de carboxyméthylcellulose que de gomme gellane et traité avec une faible concentration de chlorure de calcium, créait la structure la plus efficace. Ce mélange spécifique absorbait le plus d'eau, gonflant jusqu'à près de trente-quatre fois son poids sec, ce qui indiquait une structure interne hautement ouverte et accessible. Cette haute capacité de gonflement était cruciale car elle permettait à l'ammoniac de diffuser rapidement dans le capteur, déclenchant un changement de couleur.

Une fois la matrice optimale identifiée, l'équipe a encapsulé l'extrait d'écorce d'ube à l'intérieur de celle-ci. Ils ont ensuite testé la capacité de ce nouveau capteur à réagir à l'ammoniac. Ils ont exposé le matériau à des concentrations variables de gaz ammoniac, allant de nulle à très élevées, et ont observé le changement de couleur au fil du temps. Les résultats étaient clairs : à mesure que la concentration d'ammoniac augmentait, le capteur s'assombrissait, passant de sa teinte rougeâtre d'origine à une nuance brune plus profonde. Ce changement se produisait parce que l'ammoniac, étant alcalin, réagissait avec les anthocyanes, modifiant leur structure chimique et la façon dont elles réfléchissent la lumière. Les chercheurs ont constaté que le capteur fonctionnait mieux lorsqu'on lui laissait une heure et demie pour réagir, moment où la relation entre le changement de couleur et la concentration d'ammoniac était la plus prévisible et la plus fiable.

Au-delà de sa capacité à détecter l'ammoniac, le nouveau capteur s'est avéré mécaniquement solide. Les tests ont montré que l'ajout du pigment n'affaiblissait pas le matériau, et le produit final conservait une résistance à la traction similaire à celle de la matrice sans le pigment. Des images microscopiques détaillées ont révélé que le matériau possédait une structure poreuse en forme de feuillet, confirmant que le processus de lyophilisation avait créé les canaux nécessaires pour que l'eau et le gaz puissent circuler. L'analyse chimique a confirmé que les pigments étaient physésiquement piégés dans le réseau polymère par des liaisons naturelles, plutôt que d'être chimiquement altérés, ce qui signifie que le capteur conservait les propriétés naturelles de l'extrait d'ube.

Ce travail démontre une manière pratique de transformer les déchets agricoles en un outil fonctionnel pour la surveillance de la sécurité environnementale et alimentaire. En utilisant les écorces d'igname violette et un mélange de polymères naturels simples, les chercheurs ont créé un capteur qui est à la fois durable et efficace. Il offre une alternative potentielle aux méthodes de détection complexes et coûteuses, fournissant un moyen visuel et à bas coût de surveiller les niveaux d'ammoniac. L'étude suggère que de tels matériaux pourraient être développés davantage pour des applications réelles, transformant un sous-produit courant de la transformation alimentaire en un gardien pour une eau propre et des aliments sûrs.