Anthocyanen: rood, paars en blauw

Waar de kleur vandaan komt

Het begint bij een korte lijst. In het flavonoïdenoverzicht van Panche uit 2016 staan de kernstructuren achter deze pigmentgroep onder één verzamelnaam: anthocyanidinen [1]. Dat is het minder vanzelfsprekende deel van dit onderwerp. Niet honderden losse kleurmoleculen, maar een handvol basisvormen, waar alle rode, paarse en blauwzwarte tinten in dit gezelschap op teruggaan [1].

De voorbeelden liggen dicht bij de keuken. Een braam is karmijnrood. Rode kool is violet. Een blauwe bes is blauwzwart, en bepaalde cannabisvariëteiten zijn paars [1]. Vier heel verschillende kleurindrukken, en toch dezelfde chemische familie eronder [1]. Wie die reeks één keer naast elkaar heeft gezien, kijkt anders naar een schaal fruit. De kleur is geen los kenmerk van elke soort apart. Het is grotendeels dezelfde bouwsteen in een andere omgeving.

Die omgeving is het tweede stuk van de uitleg. Anthocyanen zijn in water oplosbaar [1], en ze houden zich in oplossing niet aan één vaste vorm. Ze kunnen een proton opnemen of afstaan, en bij elke stap in die reeks hoort een andere kleurindruk. In sterk zuur milieu is de vorm met een positieve lading het meest aanwezig, de flavyliumkation. Loopt de zuurgraad op, dan verschuift het beeld. Dat verschuiven is de hele truc, en het is verderop stap voor stap na te lopen.

Eén ding hoort er meteen bij. Die reeks beschrijft het gedrag van het molecuul in de proefbuis [1]. Een oplossing in een glas is geen plantencel. In de plant zit het pigment op een specifieke plek, met een specifieke zuurgraad, en die plek bepaalt welke vorm daar het meest aanwezig is.

Eén korte lijst kernvormen, veel kleurnamen

De naamgeving zorgt vaak voor verwarring, en die is snel opgehelderd. Anthocyanidinen zijn de kernstructuren, de basisvormen waar het overzicht van 2016 naar verwijst [1]. Anthocyanen zijn de vorm waarin je ze in plantenmateriaal aantreft. Dat onderscheid is niet cosmetisch. Het verklaart waarom een tabel met slechts een paar kernstructuren toch een lange lijst plantkleuren dekt [1].

Voor de plaatsing in de plantenchemie is de familienaam belangrijker dan de kleur. Anthocyanen horen bij de flavonoïden, de groep die Panche in 2016 in zijn geheel beschrijft [1]. Binnen die groep zitten meer subklassen, met ieder een eigen skelet en een eigen naamgeving. De pigmentkant is er één van. Dat is ook de reden dat je anthocyanen tegenkomt in besprekingen die verder helemaal niet over kleur gaan: ze zitten in hetzelfde overzicht als de rest van de familie [1].

De praktische kant van in water oplosbaar zijn: het pigment zit in het waterige deel van het plantenmateriaal, niet in de vettige fractie. Dat is precies het tegenovergestelde van de moleculen waar hennepdocumentatie meestal over gaat. Terpenen en cannabinoïden gedragen zich in oplosmiddelen anders, en komen dus ook langs een andere route uit plantenmateriaal. Daarover verderop meer, want die scheiding tussen waterige en vettige fracties verklaart waarom een chargerapport bij een olie geen pigmentregel heeft.

Wat blijft er dan over als vaste kern van dit onderwerp? Een beperkt aantal basisstructuren [1]. Een reeks kleuren die daaruit volgt [1]. En een zuurgraad die bepaalt welke vorm op dat moment het meest aanwezig is, met de proefbuis als kader van die beschrijving [1]. Alle drie de punten zijn los na te lezen, en alle drie zijn ze nodig om te snappen waarom hetzelfde pigment in de ene plant rood en in de andere blauwzwart uitpakt.

Van druivenschil naar voedingskleurstof

Er is een industriële kant, en die staat opvallend nuchter in de literatuur. Anthocyanen worden gebruikt als natuurlijke voedingskleurstoffen [1]. De onderbouwing daarvoor bestaat uit drie eigenschappen die niets met kleurindruk te maken hebben: ze zijn in water oplosbaar, ze zijn van plantaardige herkomst, en ze zijn in bulk beschikbaar [1]. Die derde is de minst romantische en in de praktijk de zwaarste.

Bulk beschikbaar betekent hier: er is een reststroom waar het pigment al in zit. Druivenschil is zo'n bron. Rode kool is de andere die het overzicht van 2016 met naam noemt [1]. Bij druiven blijft de schil over na verwerking; bij rode kool gaat het om een gewas dat in grote hoeveelheden wordt geteeld. In beide gevallen hoeft er geen aparte plant voor het pigment te worden opgezet.

Water is de tweede voorwaarde, en die bepaalt waar zo'n kleurstof past. In water oplosbaar wil zeggen dat het pigment zich thuisvoelt in dranken, siropen, waterige vullingen en zuivelachtige mengsels. Een vettige omgeving is een ander verhaal. Voor wie gewend is aan de documentatie rond hennepextracten is dat een nuttig contrast: bij een olie is de basisvloeistof juist vet, en gaat het om moleculen die zich daarin laten opnemen.

De derde voorwaarde, plantaardige herkomst, is de reden dat deze pigmenten in de categorie natuurlijke kleurstoffen staan [1]. Het gaat om een molecuulgroep die je in de plant zelf aantreft, niet om een synthetisch alternatief. Meer legt de bron op dit punt niet vast, en dat is precies de reden om het niet groter te maken dan het is.

• Toepassing: natuurlijke voedingskleurstoffen, zoals beschreven in het overzicht van Panche uit 2016 [1]
• Eerste voorwaarde: in water oplosbaar [1]
• Tweede voorwaarde: van plantaardige herkomst [1]
• Derde voorwaarde: in bulk beschikbaar [1]
• Bulkbron één: druivenschil [1]
• Bulkbron twee: rode kool [1]
• Kleurindrukken in de familie: karmijnrood bij braam, violet bij rode kool, blauwzwart bij blauwe bes, paars bij bepaalde cannabisvariëteiten [1]
• Structuurkant: een handvol kernstructuren, de anthocyanidinen [1]

Zo'n lijstje is bewust plat. Elke regel is een gegeven met een bron, en tussen de regels zit geen conclusie verstopt. Dat is ook de manier waarop wij naar analysecijfers kijken bij een flesje: wat gemeten is, staat er, en de rest blijft open.

Nog één punt over de kleurindruk in producten. Omdat de kleur van deze pigmenten samenhangt met de zuurgraad van de omgeving, staat de kleur in een waterig mengsel niet los van dat mengsel. Een zuur mengsel en een neutraler mengsel liggen in dezelfde reeks niet op dezelfde plek. De volgorde van die reeks is te beschrijven, en dat is het onderwerp van het volgende deel. De grens blijft dezelfde: het gaat om moleculair gedrag in oplossing, niet om een voorspelling per recept [1].

pH als schakelaar in de proefbuis

Nu het deel waar de meeste mensen op afkomen. De reeks staat op rijzende pH, dus je loopt hem van zuur naar minder zuur door. Bij elke stap hoort een andere dominante moleculaire vorm, en die vormen hebben niet dezelfde kleurindruk. De beschrijving hoort bij het molecuul in de proefbuis [1]. Dat kader is geen kleine letter; het is de reden dat de reeks zo netjes te beschrijven is.

Sterk zuur, ongeveer pH 1 tot 3. Hier is de flavyliumkation de dominante vorm. Een kation is een molecuul met een positieve lading, en die lading is in dit geval een structuurkenmerk, geen bijzaak. Zolang het milieu sterk zuur blijft, blijft die vorm het beeld bepalen.

Zwak zuur tot neutraal, ongeveer pH 4 tot 6. Er gebeuren hier twee dingen naast elkaar. Het kation staat een proton af en gaat over in chinoïde basen. Tegelijk hoopt de kleurloze carbinolvorm zich op. Die tweede is de reden dat kleur in dit bereik niet alleen verschuift maar ook zwakker kan uitpakken: een deel van de moleculen zit dan in een vorm zonder kleurindruk.

Licht alkalisch, ongeveer pH 7 tot 8. Er gaat opnieuw een proton af, en dan komen de chinoïde anionen in beeld. Een anion is de tegenhanger van een kation: negatief geladen in plaats van positief. Van kation naar neutrale basen naar anionen, met een kleurloze vorm die zich er onderweg tussen schuift. Dat is de volgorde, en meer is het niet.

De reeks, van sterk zuur naar licht alkalisch

Wat maakt dit soort chemie zo herkenbaar aan de keukentafel? De omslagpunten liggen in een bereik dat je in gewone waterige mengsels tegenkomt. pH 1 tot 3 is sterk zuur. pH 4 tot 6 zit in het gebied waar veel plantensappen zitten. pH 7 is neutraal, en net daarboven begint het licht alkalische deel van de reeks. De pigmenten schakelen dus binnen een bereik dat vlak bij het dagelijkse leven ligt, en niet in extreme omstandigheden.

Belangrijk bij zo'n reeks: het gaat om welke vorm dominant is, niet om een schakelaar die volledig omgaat. In oplossing staan meerdere vormen naast elkaar, en de verhouding tussen die vormen schuift met de zuurgraad. Vandaar de formulering met ongeveer bij elk pH-bereik. Een getal met het woord ongeveer ervoor is geen slordigheid maar een leesafspraak: het bereik is de eenheid, niet het losse cijfer.

De term deprotonering komt in deze beschrijving twee keer terug, en dat is geen herhaling. De eerste stap haalt één proton weg en levert de chinoïde basen. De tweede stap haalt er opnieuw één weg en levert de chinoïde anionen. Twee opeenvolgende stappen langs dezelfde reeks, elk met een eigen pH-bereik erbij.

Waar de reeks ophoudt, is even duidelijk. Wat hier staat, beschrijft moleculair gedrag in oplossing [1]. Het zegt niets over hoeveel pigment er in een specifieke plant zit, en niets over de samenstelling van een specifiek plantextract. Voor dat laatste hoort een analyse per charge, en dat is een ander soort document dan een chemisch overzicht.

De vacuole: waar het pigment in de plant zit

Zuurgraad tussen ongeveer 3 en 6

In de plantencel zitten deze pigmenten in de vacuole, en dat compartiment is zuur. De vaak genoemde marge is pH 3 tot 6. Leg die marge naast de reeks uit de proefbuis en er valt iets op: het grootste deel van dat bereik overlapt met het zwak zure tot neutrale deel van de reeks, en de onderkant raakt het sterk zure deel. Precies daar liggen de vormen met de sterkste kleurindruk, en daar begint ook de opbouw van de kleurloze carbinolvorm.

Dat maakt de vacuole geen willekeurige opslagplaats. Het is een compartiment met een eigen, zure zuurgraad, en de pigmenten die erin zitten zijn precies de moleculen waarvan de kleurindruk met die zuurgraad samenhangt. Wie een gekleurde plantencel onder de microscoop ziet, ziet dus niet zomaar pigment in cytoplasma. Hij ziet pigment in een specifiek zuur compartiment.

Er zit een grens aan wat je hiermee kunt zeggen, en die grens is dezelfde als hiervoor. De reeks van kleurvormen is beschreven voor het molecuul in oplossing [1]. In een cel staan meer factoren naast elkaar dan in een glas water, en de literatuur die hier is aangehaald legt de kleurreeks vast in het eenvoudige geval, niet in de volle celomgeving. Die twee dingen naast elkaar leggen is nuttig. Ze gelijkstellen is dat niet.

Protonpompen in het vacuolemembraan

Een zuur compartiment blijft niet zuur zonder onderhoud. Het onderhoud gebeurt door protonpompen in het vacuolemembraan. Die pompen brengen protonen de vacuole in, en dat is wat de zure zuurgraad in stand houdt. Zo simpel is het principe, en zo direct hangt het samen met de kleurchemie hierboven: protonen zijn precies waar de reeks van kleurvormen om draait.

Zet de twee gegevens naast elkaar. Het pigment verandert van vorm naarmate het protonen opneemt of afstaat. Het compartiment waarin het zit, wordt zuur gehouden door pompen die protonen naar binnen brengen. De chemie van het molecuul en de inrichting van de cel gaan hier over hetzelfde deeltje. Dat is de reden dat de vacuole in elke bespreking van deze pigmenten opduikt, en niet als decor maar als een van de gegevens.

Wat er niet bij staat, hoort er ook bij. Er is in de hier aangehaalde bronnen geen getal voor pigmentgehalte per plantensoort, geen temperatuurwaarde en geen omslagpunt per cultivar. Er staat een zuurgraadmarge voor de vacuole, en er staat een mechanisme voor het in stand houden van die marge. Meer niet.

Voor de manier waarop wij naar plantenmateriaal kijken, is dat een bekend patroon. Een kleur is een indruk. Een gehalte is een meting. Kleur en gehalte zitten in verschillende kolommen, en de tweede kolom vul je niet met de eerste. Bij hennepextracten geldt hetzelfde: de kleur van een olie in een pipetflesje is een indruk, terwijl het cannabinoïdengehalte per charge in een analyse staat. De twee informatiebronnen liggen niet in elkaars verlengde.

Nog een laatste opmerking over dit compartiment. Omdat de zure zuurgraad actief in stand wordt gehouden, is de vacuole een plek met een eigen milieu binnen de cel. Dat is wat het interessant maakt voor een molecuulgroep die zo gevoelig is voor protonen. De cel geeft het pigment een omgeving met een vaste zuurgraadmarge, en het pigment volgt de chemie van die omgeving.

De fenylpropanoïdroute en de familie erachter

De opbouw van deze pigmenten in de plant begint niet bij een eigen, apart traject. Ze delen het startstuk met de rest van de flavonoïdenfamilie: de fenylpropanoïdroute [1]. Dat is een gedeelde route, en de kleurmoleculen zijn er een van de eindpunten van [1]. Dezelfde route levert dus ook de subklassen die niets met kleur te maken hebben.

Een gedeeld begin verklaart iets wat anders vreemd oogt: waarom pigmenten en niet-gekleurde plantenstoffen in dezelfde overzichten staan. Panche zet in 2016 de hele flavonoïdenfamilie op één rij, met de subklassen naast elkaar en de route eronder [1]. De kleurkant is daarin een tak, niet een los verhaal.

Dan het gegeven dat in de praktijk het meest wordt aangehaald. De genen van de latere enzymen in dit traject zijn sterk lichtgevoelig [1]. Het gaat om de enzymen aan het eind van de route, niet om het gedeelde begin. Lichtgevoelig wil hier zeggen: de mate waarin die genen aanstaan, hangt samen met licht [1]. In het aangehaalde overzicht staat bij deze genen lichtgevoeligheid genoteerd, en geen temperatuurgetal [1].

Dat is een precies gegeven, en het is verstandig om het precies te laten. Licht en de latere enzymen: dat staat er [1]. Een uitspraak over hoeveel pigment een bepaalde plant onder bepaalde omstandigheden opbouwt: dat staat er niet. Wie een verkleuring in de tuin ziet, heeft een observatie. Een observatie is geen meting.

• Startstuk: de fenylpropanoïdroute, gedeeld met de rest van de flavonoïdenfamilie [1]
• Eindpunt aan de pigmentkant: de anthocyanidinen als kernstructuren [1]
• Latere enzymen: de bijbehorende genen zijn sterk lichtgevoelig [1]
• Wat er bij die genen niet is genoteerd in het aangehaalde overzicht: een temperatuurwaarde [1]
• Familieplaatsing: anthocyanen staan binnen de flavonoïden, samen met de andere subklassen [1]
• Kleurvoorbeelden uit dezelfde bespreking: braam, rode kool, blauwe bes en bepaalde cannabisvariëteiten [1]
• Bij hennep vastgestelde flavonoïden met een eigen naam: cannflavine A en cannflavine B [2]

Die laatste regel verdient een eigen deel, en dat komt hieronder. Voor nu is het genoeg om te zien dat hennep in dit verhaal langs twee kanten binnenkomt. Aan de ene kant als plant waarvan bepaalde variëteiten paars zijn [1]. Aan de andere kant als plant met flavonoïden die tot nu toe alleen bij hennep zijn vastgesteld [2].

Wat de gedeelde route verder oplevert, is een manier van kijken. Als het begin gedeeld is, zegt het bestaan van één subklasse in een plant nog niets over de andere. Een plant met veel pigment is niet automatisch een plant met veel van een andere flavonoïdensubklasse. Elke stof heeft zijn eigen enzymen aan het eind van de route, en de genen van die enzymen staan onder hun eigen omstandigheden aan [1]. Dat is precies waarom een analyse per charge iets toevoegt aan een botanische beschrijving: de route is algemeen, de uitkomst per plant en per oogst is dat niet.

Hennep, flavonoïden en het chargerapport

Cannflavine A en cannflavine B, naar de plant genoemd

De naam verraadt de herkomst. Cannflavine A en cannflavine B zijn flavonoïden die hun naam aan de plant zelf te danken hebben, en de grond voor die naam is hard: bij geen andere soort is aangetoond dat die deze stoffen aanmaakt [2]. De inventarisatie van ElSohly en Slade uit 2005 zet dat gegeven naast de rest van de bestanddelen van de plant [2].

Let op wat er staat en wat er niet staat. Het gegeven gaat over herkomst en over de vraag bij welke soorten deze stoffen zijn vastgesteld [2]. Het zegt niets over gehalten in een specifiek extract, en niets over kleur. Cannflavinen zijn flavonoïden, net als de pigmenten uit dit artikel, maar ze zitten in een andere subklasse van diezelfde familie [1].

Waarom is dat interessant naast een stuk over anthocyanen? Omdat het laat zien hoe breed de flavonoïdenfamilie is. Eén plant kan stoffen uit meerdere subklassen bevatten, met een gedeeld beginstuk in de route en een eigen eindstuk per subklasse [1]. Paars in bepaalde cannabisvariëteiten [1] en de cannflavinen [2] staan dus in hetzelfde overzicht van de familie, zonder dat het één het ander verklaart.

De vocabulaires eromheen lopen snel door elkaar. Terpenen zijn de aromatische fractie en horen bij een andere stofklasse dan de flavonoïden. Cannabinoïden vormen weer een eigen groep, en het endocannabinoïde systeem is de term voor lichaamseigen receptoren en moleculen, dus een onderwerp met een eigen literatuur. Plantpigmenten horen in geen van die drie rubrieken thuis. Vier woorden, vier kolommen.

Gemeten, benoemd, en wat er buiten de meting valt

Sinds 2014 houden wij bij cannabinoïden dezelfde manier van vastleggen aan: beschrijven wat gemeten is, benoemen wat niet gemeten is, en de analyse het woord laten doen. Dat is bij dit onderwerp geen sluitstuk maar de kern. Een chargerapport bij cbg olie legt cannabinoïdengehalten vast, en op zulke rapporten staat geen regel voor plantpigmenten. Wie cbg olie koopt en het rapport erbij leest, ziet dus welke cannabinoïden er gemeten zijn en in welke hoeveelheid per charge, en niets over kleurmoleculen.

Dat is logisch als je terugdenkt aan het begin van dit stuk. Anthocyanen zijn in water oplosbaar [1] en horen bij het waterige deel van plantenmateriaal. Een extract met cannabinoïden en terpenen wordt met CO2 extractie uit gemalen plantenmateriaal gehaald, waarna dat concentraat in een draagolie wordt opgenomen. Superkritische CO2 extractie is dezelfde techniek onder druk, en buiten hennep wordt vergelijkbare apparatuur ook voor andere grondstoffen gebruikt, waaronder visolie. In een vettige eindformule ligt een in water oplosbaar pigment niet in de lijn van de verwachting.

Voor de rubrieken naast elkaar: cbg olie, cannabigerol olie en cbg druppels zijn drie benamingen die je in een zoekveld tegenkomt voor hetzelfde soort formule, een cannabinoïdenconcentraat in een draagolie. Documentatie rond cbd wetgeving gaat over cannabinoïdengehalten en over de status van een product, en niet over plantenpigmenten. Ook dat is een aparte kolom.

Blijft over: wat kun je zelf nakijken? Bij plantpigmenten zijn de gegevens chemisch van aard. Een korte lijst kernstructuren [1], een reeks kleurvormen langs rijzende pH, een zuur compartiment in de cel met protonpompen in het membraan, en genen van latere enzymen die lichtgevoelig zijn [1]. Bij een flesje uit ons assortiment zijn de gegevens analytisch van aard: welke cannabinoïden, hoeveel per charge, en met welke draagolie. Twee soorten documentatie, twee soorten zekerheid. En één regel die voor beide geldt: wat er niet gemeten is, staat er ook niet.