Ce que cache le chou rouge !

La semaine dernière, je me suis amusée avec quelques expériences destinées à faire comprendre aux enfants (voir l’article correspondant sur Kidiscience) la notion d’acidité. Pour cela, la bonne vieille méthode du chou rouge était de rigueur.

Comme vous le savez sûrement, lorsqu’on fait cuire du chou rouge, on récupère un jus de cuisson tout bleu, qui s’avère être un excellent indicateur coloré.

En effet, quelques gouttes de ce jus déposées dans une coupelle contenant du vinaigre (acide acétique), de l’eau gazeuse (contenant de l’acide carbonique), de l’eau plate ou une solution d’eau de javel (hypochlorite de sodium) nous donne un très beau dégradé de couleurs allant du rouge foncé au vert intense.

Bien sûr, d’autres ont fait mieux que moi et ont obtenu une très jolie palette, bien plus précise.

La molécule responsable de toute l’affaire se nomme « pélargonidine » qui fait partie de la famille des anthocyanidines (ou anthocyanidols), elle même sous famille des flavonoïdes, sous partie des polyphénols (dont on devine assez bien le type de structure par son nom). A force de remonter le lien des familles, on commence à y voir plus clair, non ?

La famille des polyphénols
Les polyphénols regroupent l’ensemble des molécules qui possèdent plusieurs noyaux aromatiques où sont « branchés » une ou plusieurs fonctions « alcool » (groupe hydroxyle).
Ces molécules sont très présentes chez les végétaux et remplissent diverses fonctions secondaires telles que l’attraction des pollinisateurs, la défense contre les pathogènes, la répulsion des ennemis, la diffusion de parfums (hum, les arômes grâce aux groupements « aromatiques »).
Les polyphénols, on en entend parler assez souvent lorsqu’il s’agit de café, thé, myrtilles, vin ou cacao (un ancien post à ce sujet ICI) ou encore d’olives (voir ICI) à cause de leurs propriétés antioxydantes (en autres).

La famille des flavonoïdes
Parmi les polyphénols, certains sont constitués de deux cycles aromatiques, reliés par une chaîne de 3 atomes de carbones, pouvant se replier en hétérocycle (appelé alors « cycle C »). Il s’agit donc d’une squelette de base à 15 carbones.

Structure des flavonoïdes : deux cycles aromatiques, reliés par 3 carbones pouvant se disposer en hétérocycle

Constituant la plus grande partie des polyphénols, les flavonoïdes sont très largement présents dans les végétaux notamment parce que ce sont des pigments : ils donnent leur couleur aux fleurs, fruits et légumes (rendez-vous à la fin du post pour comprendre comment ces molécules jouent avec la lumière). Cette propriété de jolie couleur n’est pas juste là pour nous plaire, mais pour attirer les pollinisateurs d’une part, et pour se protéger des rayonnements ultra-violet du soleil d’autre part.

Ce qui va distinguer les différents types de flavonoïdes, c’est le degré d’oxydation du cycle central (cycle C), c’est-à-dire la façon dont les électrons s’y organisent. Il sera également important de connaître le type, la position et le nombre des substitutions (groupements branchés) sur les cycles aromatiques et le cycle central.

La myricétine, un flavonoïde présent dans le raisin et les baies

La famille des anthocyanidols

Parmi les flavonoïdes, on distingue les anthocyanidols qui se définissent simplement par les deux doubles liaisons du cycle C et une charge positive.

Les anthocyanidols comportent deux doubles liaisons au niveau du cycle C

La molécule de pélargonidine
On va maintenant s’intéresser à une molécule particulière de la famille des anthocyanidols : la pélargonidine présente dans le chou rouge. Elle se caractérise par ses quatre groupements hydroxydes.

La pélargonidine présente dans le chou rouge
ici sous la forme du cation flavylium

Bref, une molécule assez sympathique, dans la mesure où on observe un belle (longue) alternance de liaisons doubles et simples tout le long de la molécule : ce sont des liaisons conjuguées en nombre suffisant pour que les électrons des liaisons π* soient délocalisés ; ils voyagent sous forme de nuage autour des différents atomes sans appartenir à aucun en particulier.

Cas d’un noyau aromatique seul : les électrons sont délocalisés, et voyagent dans une zone commune (en violet) située entre tous les atomes, sans appartenir à l’un d’entre eux en particulier.

Les molécules de la sorte (nombreuses liaisons conjuguées) possèdent des propriétés bien particulières : leur réaction par rapport à la lumière visible. Les électrons vont entrer en résonance avec certains photons. En effet, ils absorbent des énergies bien précises qui correspondent (et c’est ce qui importe pour notre œil) à des couleurs visibles. Pour une couleur visible absorbée, notre œil verra la complémentaire c’est-à-dire une belle couleur intense.

Sans cette alternance élaborée de doubles et simples liaisons, l’énergie de la lumière absorbée ne correspond pas à celle de la lumière visible : pas de couleur visible pour notre œil.
Plus la chaîne de liaisons conjuguées est longue, plus la longueur d’onde absorbée est grande : l’énergie est plus basse et se décale de l’ultraviolet vers la lumière visible.
Je ne peux m’empêcher de faire une analogie avec la corde d’un instrument : plus la corde est longue plus la fréquence est basse (son grave).

Ainsi, dans le cas de la pélargonidine sous forme d’ion flavylium, la longue chaîne de liaisons conjuguées et la présence des 4 groupes OH favorise l’absorption de lumière dans la zone du vert ce qui fait que notre œil perçoit du rouge : elle est présente dans le chou rouge mais aussi dans la fraise (associée à un sucre), le radis et bien sûr le Pélargonium (géranium).

«Pelargonium Karl Offenstein» riche en pélargonidine par Peter Coxhead — Travail personnel. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons

* Les liaisons π et σ sont des régions de l’espace où s’agitent les électrons. La différence entre ces deux types de liaison, est que dans une liaison π l’espace où peuvent se débattre les électrons est plus large que dans une liaison σ plus confinée (co-axiale entre les deux atomes), entre les deux atomes. Pour plus de détails, relire cet ancien post.

Les modifications de la molécule selon le pH
La molécule de pélargonidine va changer de structure selon la zone de pH dans laquelle elle se trouve. En présence d’une forte concentration en ions H+ (pH voisin de 1), la cation flavylium est stabilisé : la couleur rouge est présente.
Au fur et à mesure que le pH augmente, la structure de la molécule se modifie :
– perte des H+ des groupes hydroxyles (apparition de la structure « quinone »),
– apparition de formes mésomères,
– des groupes -OH se greffent (apparition de la structure « carbinol »)
– modification du cycle central,
– ouverture du cycle C (apparition de la structure « chalcone »),

Quelques exemples de la transformation du cation flavylium :

La modification de couleur
Comme le montrent assez bien, les représentations des diverses molécules, on assiste à partir du cation flavylium à une modification :
– du nombre de liaisons conjuguées donc de la longueur de la chaîne,
– des types de groupements attachés au noyaux aromatiques (moins de OH, groupes qui intensifient une couleur).
Naturellement, il va en résulter un changement dans la répartition des électrons au sein de la molécule donc de son énergie fondamentale ainsi que de l’énergie dont elle aura besoin pour s’exciter. L’énergie absorbée est donc variable selon le pH : la couleur perçue par notre œil aussi.

Autre application : comment faire changer la couleur de ses hortensias ?
Selon le pH, la composition du sol, notamment de la présence d’ions métalliques (aluminium, fer), les anthocyanidols présents dans les fleurs d’hortensias peuvent modifier leur configuration moléculaire tel que nous l’avons présenté ci-dessus.
C’est ainsi qu’un hortensia acheté bleu, planté dans un nouvel environnement, peut très bien refleurir rose foncé la saison suivante.