Analysis of early synthetic dyes with HPLC-DAD-MS: an important database for analysis of colorants used in cultural heritage

Presented thesis at Faculdade de Ciências e Tecnologias, Universidade de Lisboa, to obtain the Master Degree in Conservation and Restoration of Textiles

Estudi del procés d'adsorció en carbó actiu granular per eliminar colorants tèxtils

L’objectiu principal d’aquest projecte és estudiar la capacitat d’adsorció del colorant comercial Gris Lanaset G en carbó actiu granular (GAC); per assolir aquest objectiu es compara l’eficàcia d’adsorció d’aquest carbó respecte altres adsorbents i l’eficàcia d’eliminació d’un altre colorant més simple sobre aquest carbó.

Degradació en planta pilot de colorants reactius mitjançant el procés de foto-Fenton assistit amb llum solar: aplicació del procés com a pre-tractament d'un procés biològic

Estudi elaborat a partir d’una estada a la Plataforma Solar de Almería entre desembre del 2006 i gener del 2007. S’ha dut a terme la degradació en planta pilot dels colorants reactius Procion Red H-E7B i Cibacron Red FN-R mitjançant el procés de foto-Fenton aplicat com a tractament únic i com a pretractament d’un procés biològic. El procés de foto-Fenton, assistit amb llum solar, es va realitzar en un fotoreactor solar tipus Col•lector Parabòlic Compost (CPC) i el tractament biològic en un Reactor de Biomassa Immobilitzada (RBI). Com a punt de partida, i amb l’objectiu d’estudiar la reproductibilitat del sistema, es van prendre resultats obtinguts d’experiments realitzats prèviament a escala de laboratori i amb llum artificial. El paràmetre Carboni Orgànic Total (COT) es va emprar com a indicador de l’eliminació dels colorants i dels seus intermedis. En aplicar únicament el procés de foto-Fenton com a tractament, concentracions de 10 mg•l-1 de Fe (II) i 250 mg•l-1 de H2O2 per degradar 250 mg•l-1 Procion Red H-E7B, i de 20 mg•l-1 de Fe (II) i 500 mg•l-1 de H2O2 per degradar 250 mg•l-1 Cibacron Red FN-R, van reproduir els resultants obtinguts al laboratori, amb uns nivells d’eliminació de COT del 82 i 86%, respectivament. A més, l’ús beneficiós de la llum solar en el procés de foto-Fenton, juntament amb la configuració del CPC, van incrementar la velocitat de degradació respecte als resultats previs, permetent la reducció de la concentració de Fe (II) de 10 a 2 mg•l-1 (Procion Red H-E7B) i de 20 a 5 mg•l-1 (Cibacron Red FN-R) sense pèrdues d’efectivitat. D’altre banda, el sistema combinat foto-Fenton/tractament biològic en planta pilot, unes concentracions d’oxidant de 225 mg•l-1 H2O2 per Cibacron Red FN-R i 65 mg•l-1 H2O2 per Procion Red H-E7B van ser suficients per generar solucions intermèdies biodegradables i alimentar així el RBI, millorant inclús els resultats obtinguts prèviament al laboratori.

Stability of Natural Colorants of Plant Origin

In recent years, there have been studies that show a correlation between the hyperactivity of children and use of artificial food additives, including colorants. This has, in part, led to preference of natural products over products with artificial additives. Consumers have also become more aware of health issues. Natural food colorants have many bioactive functions, mainly vitamin A activity of carotenoids and antioxidativity, and therefore they could be more easily accepted by the consumers. However, natural colorant compounds are usually unstable, which restricts their usage. Microencapsulation could be one way to enhance the stability of natural colorant compounds and thus enable better usage for them as food colorants. Microencapsulation is a term used for processes in which the active material is totally enveloped in a coating or capsule, and thus it is separated and protected from the surrounding environment. In addition to protection by the capsule, microencapsulation can also be used to modify solubility and other properties of the encapsulated material, for example, to incorporate fat-soluble compounds into aqueous matrices. The aim of this thesis work was to study the stability of two natural pigments, lutein (carotenoid) and betanin (betalain), and to determine possible ways to enhance their stability with different microencapsulation techniques. Another aim was the extraction of pigments without the use of organic solvents and the development of previously used extraction methods. Stability of pigments in microencapsulated pigment preparations and model foods containing these were studied by measuring the pigment content after storage in different conditions. Preliminary studies on the bioavailability of microencapsulated pigments and sensory evaluation for consumer acceptance of model foods containing microencapsulated pigments were also carried out. Enzyme-assisted oil extraction was used to extract lutein from marigold (Tagetes erecta) flower without organic solvents, and the yield was comparable to solvent extraction of lutein from the same flowers. The effects of temperature, extraction time, and beet:water ratio on extraction efficiency of betanin from red beet (Beta vulgaris) were studied and the optimal conditions for maximum yield and maximum betanin concentration were determined. In both cases, extraction at 40 °C was better than extraction at 80 °C and the extraction for five minutes was as efficient as 15 or 30 minutes. For maximum betanin yield, the beet:water ratio of 1:2 was better, with possibly repeated extraction, but for maximum betanin concentration, a ratio of 1:1 was better. Lutein was incorporated into oil-in-water (o/w) emulsions with a polar oil fraction from oat (Avena sativa) as an emulsifier and mixtures of guar gum and xanthan gum or locust bean gum and xanthan gum as stabilizers to retard creaming. The stability of lutein in these emulsions was quite good, with 77 to 91 percent of lutein being left after storage in the dark at 20 to 22°C for 10 weeks whereas in spray dried emulsions the retention of lutein was 67 to 75 percent. The retention of lutein in oil was also good at 85 percent. Betanin was incorporated into the inner w1 water phase of a water1-in-oil-inwater2 (w1/o/w2) double emulsion with primary w1/o emulsion droplet size of 0.34 μm and secondary w1/o/w2 emulsion droplet size of 5.5 μm and encapsulation efficiency of betanin of 89 percent. In vitro intestinal lipid digestion was performed on the double emulsion, and during the first two hours, coalescence of the inner water phase droplets was observed, and the sizes of the double emulsion droplets increased quickly because of aggregation. This period also corresponded to gradual release of betanin, with a final release of 35 percent. The double emulsion structure was retained throughout the three-hour experiment. Betanin was also spray dried and incorporated into model juices with different pH and dry matter content. Model juices were stored in the dark at -20, 4, 20–24 or 60 °C (accelerated test) for several months. Betanin degraded quite rapidly in all of the samples and higher temperature and a lower pH accelerated degradation. Stability of betanin was much better in the spray dried powder, with practically no degradation during six months of storage in the dark at 20 to 24 °C and good stability also for six months in the dark at 60 °C with 60 percent retention. Consumer acceptance of model juices colored with spray dried betanin was compared with similar model juices colored with anthocyanins or beet extract. Consumers preferred beet extract and anthocyanin colored model juices over juices colored with spray dried betanin. However, spray dried betanin did not impart any off-odors or off-flavors into the model juices contrary to the beet extract. In conclusion, this thesis describes novel solvent-free extraction and encapsulation processes for lutein and betanin from plant sources. Lutein showed good stability in oil and in o/w emulsions, but slightly inferior in spray dried emulsions. In vitro intestinal lipid digestion showed a good stability of w1/o/w2 double emulsion and quite high retention of betanin during digestion. Consumer acceptance of model juices colored with spray dried betanin was not as good as model juices colored with anthocyanins, but addition of betanin to real berry juice could produce better results with mixture of added betanin and natural berry anthocyanins could produce a more acceptable color. Overall, further studies are needed to obtain natural colorants with good stability for the use in food products.

Separation of natural colorants from the fermented broth of filamentous fungi using colloidal gas aphrons

There is a worldwide interest in the development of processes for producing colorants from natural sources. Microorganisms provide an alternative source of natural colorants produced by cultivation technology and extracted from the fermented broth. The aim of the present work was to study the recovery of red colorants from the fermented broth of Talaromyces amestolkiae using the technique of colloidal gas aphrons (CGA) comprising surfactant-stabilized microbubbles. Preliminary experiments were performed to evaluate the red colorants’ solubility in different organic solvents, octanol/water partitioning, and their stability in surfactant solutions, namely hexadecyl trimethylammonium bromide (CTAB), sodium dodecyl sulfate (SDS), and polyoxyethylenesorbitan monolaurate (Tween 20), which are cationic, anionic and nonionic surfactants, respectively. The first recovery experiments were carried out using CGA generated by these surfactants at different volumetric ratios (VR, 3–18). Subsequently, two different approaches to generate CGA were investigated at VR values of 6 and 12: the first involved the use of CTAB at pH 6.9–10.0, and the second involved the use of Tween 20 using red colorants partially dissolved in ethanol and Tween 20. The characterization results showed that red colorants have a hydrophilic nature. The highest recoveries were obtained with Tween 20 (78%) and CTAB (70%). These results demonstrated that the recovery of the colorants was driven by both electrostatic and hydrophobic interactions. The VR was found to be an important operating parameter and at VR 12 with CTAB (at pH 9) maximum recovery, partitioning coefficient (K = 5.39) and selectivity in relation to protein and sugar (SP = 3.75 and SS = 7.20 respectively) were achieved. Furthermore, with Tween 20, the separation was driven mainly by hydrophobic interactions. Overall CGA show promise for the recovery of red colorants from a fermented broth. Although better results were obtained with CTAB than with Tween 20 the latter may be more suitable for some application due to its lower toxicity.

Improvement of submerged culture conditions to produce colorants by Penicillium purpurogenum

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Extraction of natural red colorants from the fermented broth of Penicillium purpurogenum using aqueous two-phase polymer systems

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Surface-enhanced vibrational techniques for the detection of synthetic organic colorants

The research project object of this thesis is focused on the development of an advanced analytical system based on the combination of an improved thin layer chromatography (TLC) plate coupled with infrared (FTIR) and Raman microscopies for the detection of synthetic dyes. Indeed, the characterization of organic colorants, which are commonly present in mixtures with other components and in a very limited amount, still represents a challenging task in scientific analyses of cultural heritage materials. The approach provides selective spectral fingerprints for each compound, foreseeing the complementary information obtained by micro ATR-RAIRS-FTIR and SERS-Raman analyses, which can be performed on the same separated spot. In particular, silver iodide (AgI) applied on a gold coated slide is proposed as an efficient stationary phase for the discrimination of complex analyte mixtures, such as dyes present in samples of art-historical interest. The gold-AgI-TLC plate shows high performances related both to the chromatographic separation of analytes and to the spectroscopic detection of components. The use of a mid-IR transparent inorganic salt as the stationary phase avoids interferences of the background absorption in FTIR investigations. Moreover, by ATR microscopy measurements performed on the gold-AgI surface, a considerable enhancement in the intensity of spectra is observed. Complementary information can be obtained by Raman analyses, foreseeing a SERS activity of the AgI substrate. The method has been tested for the characterization of a mixture of three synthetic organic colorants widely used in dyeing processes: Brilliant Green (BG1), Rhodamine B (BV10) and Methylene Blue (BB9).

Recherches dans le groupe des colorants oxaziniques et azinique...

Thesis (doctoral)--

Tandem mass spectrometry applied to isolation and characterization of natural colorants from Actinomycetes.

2009

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

Ação de colorantes na degradação e estabilização de polímeros

Dyes and pigments are additives used in polymers to improve mainly the aesthetic properties of the material. However, the incorporation of these additives can directly affect polymer stability. The colorants can drastically decrease the lifetime and the performance of the material or can act as a stabilizer, improving significantly the stability of the polymer against degradation. Interaction between colorants and polymers is the cause of the stability changes. Some mechanisms are proposed to explain the action of colorants on polymers. However it is difficult to foresee this action without experiments. This work reviews the main mechanisms involved in the degradation and stabilization of polymers containing colorants.

Effect of ageing and immersion in different beverages on properties of denture lining materials

OBJECTIVES: To evaluate the color stability and hardness of two denture liners obtained by direct and indirect techniques, after thermal cycling and immersion in beverages that can cause staining of teeth. MATERIAL AND METHODS: Seventy disc-shaped specimens (18 x 3 mm) processed by direct (DT) and indirect techniques (IT) were made from Elite soft (n=35) and Kooliner (n=35) denture liners. For each material and technique, 10 specimens were subjected to thermal cycling (3,000 cycles) and 25 specimens were stored in water, coffee, tea, soda and red wine for 36 days. The values of color change, Shore A hardness (Elite soft) and Knoop hardness (Kooliner) were obtained. The data were subjected to ANOVA, Tukey's multiple-comparison test, and Kruskal-Wallis test (P<0.05). RESULTS: The thermal cycling promoted a decrease on hardness of Kooliner regardless of the technique used (Initial: 9.09± 1.61; Thermal cycling: 7.77± 1.47) and promoted an increase in the hardness in the DT for Elite Soft (Initial: 40.63± 1.07; Thermal cycling: 43.53± 1.03); hardness of Kooliner (DT: 8.76± 0.95; IT: 7.70± 1.62) and Elite Soft (DT: 42.75± 1.54; IT=39.30± 2.31) from the DT suffered an increase after the immersion in the beverages. The thermal cycling promoted color change only for Kooliner in the IT. Immersion in the beverages did not promote color change for Elite in both techniques. The control group of the DT of Kooliner showed a significant color change. Wine and coffee produced the greatest color change in the DT only for Elite Soft when compared to the other beverages. CONCLUSION: The three variation factors promoted alteration on hardness and color of the tested denture lining materials.