Impact des traitements technologiques sur la qualité nutritionnelle des aliments et ingrédients

Quelle méthodologie pour étudier la biodisponibilité des nutriments dans un aliment transformé ?

Martine CHAMP (CRNH de Nantes)

GEN2Bio, 28 mars 2013, Nantes

Atelier Valorial

Contexte

• Rédaction d’un « Focus » commandité par Valorial sur l’ «Impact des traitements technologiques sur la qualité nutritionnelle des aliments et ingrédients » .

• Choix de 4 constituants: – Les amidons – Les fibres alimentaires – Les caroténoïdes des fruits et légumes – Les vitamines B des produits carnés

Contexte

• Rédaction d’un « Focus » commandité par Valorial sur l’ «Impact des traitements technologiques sur la qualité nutritionnelle des aliments et ingrédients » .

• Choix de 4 constituants: – Les amidons – Les fibres alimentaires – Les caroténoïdes des fruits et légumes – Les vitamines B des produits carnés

Paramètres examinés

Composition en nutriment(s)

Biodisponibilité du nutriment

Devenir métabolique du

nutriment

Impact physiologique de l’aliment ou

ingrédient vecteur du nutriment

Qualité nutritionnelle d’un aliment ou un ingrédient

Caroténoïdes Vitamines B

Fibres alim. Amidons

Paramètres examinés

Composition en nutriment(s)

Biodisponibilité du nutriment

Devenir métabolique du

nutriment

Impact physiologique de l’aliment ou

ingrédient vecteur du nutriment

Qualité nutritionnelle d’un aliment ou un ingrédient

Caroténoïdes Vitamines B

Fibres alim. Amidons

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Bioaccessibilité (bioaccessibility) Définition

La quantité d’un nutriment ingéré qui

est potentiellement disponible pour

l’absorption.

Elle dépend de:

- L’extraction de la matrice alimentaire;

- La digestion.

Définitions bioaccessibilité versus biodisponibilité

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Définitions bioaccessibilité versus biodisponibilité

Biodisponibilité (bioavailability) Définition

La quantité d’un nutriment ingéré qui est absorbée et disponible pour les fonctions physiologiques.

Elle dépend de:

- L’extraction de la matrice alimentaire;

- La digestion;

- L’absorption par les cellules intestinales;

- Le transport jusqu’aux cellules.

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Bioaccessibilité (bioaccessibility) Méthodes in vitro

- Solubilité

- Dialysabilité

- Modèles gastrointestinaux statiques ou dynamiques

- Simulation de la phase de digestion orale (mastication ± amylase)

- Simulation de la digestion gastrique (pH gastrique + enzyme(s) gastrique(s) (i.e. pepsine).

Méthodes de mesure bioaccessibilité versus biodisponibilité

Bouche artificielle

GEPEA, Oniris

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Bioaccessibilité (bioaccessibility) Méthodes in vitro (suite)

- Modèles gastrointestinaux statiques ou dynamiques

- Simulation de la digestion intestinale (+sels et

enzymes pancréatiques ± sels biliaires, ↑ pH, incubation à 37°C;

- Simulation de la fermentation colique.

Méthodes de mesure bioaccessibilité versus biodisponibilité

Illustrations: TIM1 & 2

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Méthodes de mesure bioaccessibilité versus biodisponibilité

Biodisponibilité (bioavailability) Méthodes in vitro

- Modèles gastro-intestinaux couplés avec cellules intestinales

- Modèle cellulaire Caco-2

Méthodes in vivo

- Modèles animaux

- Etudes cliniques sur volontaires sains (« Gold standard »)

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Biodisponibilité (bioavailability) Méthodes in vivo chez l’Homme

- Mesure du nutriment dans le plasma/sérum,

- Réponse post-prandiale

- Amidon => glycémie post-prandiale

- Carotène => dosage ds la fraction riche en TG

après un repas test

- Ces méthodes permettent de comparer des sources du nutriment mais ne fournissent pas d’info. sur la proportion du nutriment qui sera disponible au niveau cellulaire.

Méthodes de mesure bioaccessibilité versus biodisponibilité

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Biodisponibilité (bioavailability) Méthodes in vivo chez l’Homme (suite)

- Bilan oro-fécal (+/-) isotopes stables

- Bilan oro-iléal / sujets iléostomisés

- Ces méthodes ne prennent pas en compte les pertes dans le tube digestif

- i.e. carotènes: oxydation, isomérisation ou activité microbienne => risque de surestimation de l’absorption.

Méthodes de mesure bioaccessibilité versus biodisponibilité

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Caroténoïdes antioxydants des fruits et légumes

a-carotène* b-carotène*

Lycopène

Lutéine

Zéaxanthine

b-cryptoxanthine*

Fruits & légumes jaune-orange (carotte) Végétaux verts à feuilles

Tomate, pamplemousse rose, pastèque, goyave, papaye

Légumes verts à feuilles (épinards)

Idem lutéine + quelques fruits (i.e. mandarine, pêche, orange)

Orange (dont jus), pêche, tangerine, mangue, papaye

* Activité pro-vitamine A

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Digestion & absorption des caroténoïdes présents dans des aliments riches en fibres

Bouche - Mastication

Estomac - Hydrolyse enzymatique

Intestin grêle - Interactions avec huiles,

sels biliaires et fibres

Côlon - Hydrolyse par enzymes

bactériennes

Caroténoïde

Lipide

Polysaccharide

(fibre)

Sel biliaire

Micelle

Peu de caroténoïdes

passent dans le sang

d’après Palafox-Carlos et al., 2011

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Biodisponibilité/bioaccessibilité des caroténoïdes des fruits et légumes

- La biodisponibilité du b-carotène des légumes est faible (14%, ds un mélange de légumes) par rapport à du b-carotène purifié. Celle de la lutéine est plus élevée (67%)(van Het Hof et al., 2000).

- La présence de lipides est nécessaire à l’absorption des caroténoïdes provitamine A et ainsi à la bioconversion en vitamine A (2,4 g de lipides / repas)(Ribaya-Mercado, 2004).

- Les fibres réduisent l’absorption des caroténoïdes en les piégeant et en interagissant avec les acides biliaires => excrétion fécale des lipides et des composés liposolubles, dont les caroténoïdes (Hoffmann, 1999; Rock, 1992)

- Certains caroténoïdes rentreraient en compétition pour leur absorption (i.e. b-carotène et lycopène), mais résultats contradictoires… (Hoppe et al., 2003, Korus, 2002, van den Berg, 1998)

- Env. 90% des caroténoÏdes seraient absorbés dans l’IG et le côlon. Lutéine: surtout ds IG, b-carotène, surtout dans le côlon (Goñi &al,2006).

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Impact traitements technologiques sur la biodisponibilité des caroténoïdes des fruits et légumes

Impact du broyage en fonction des traitements thermiques et biodisponibilité du b-carotène • Lorsque des préparations de carottes sont grossièrement

broyées, un traitement intense (stérilisation à 120°C pdt 20 min vs pasteurisation à 90°C pdt 20 min) est nécessaire à l’optimisation de la biodisponibilité du b-carotène => réduire taille des particules pour traitement court (UHT) ou à température moyenne (pasteurisation)(Lemmens et al., 2011).

Traitements hydrothermiques et autres process de cuisson et biodisponibilité des caroténoïdes • La biodisponibilité du lycopène de la tomate est augmentée suite

à un traitement mécanique puis thermique (teneur en lycopène des chylomicrons X 2,5 avec conc. tomates vs tomates fraîches)(Gärtner, 1997) mais ATTENTION à la valeur nutritionnelle des autres constituants !

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Impact traitements technologiques sur la biodisponibilité/la bioaccessibilité des caroténoïdes des fruits et légumes

Traitements hydrothermiques et autres process de cuisson et biodisponibilité des caroténoïdes • Absorption du b-carotène de carottes cuites (65%) ou en purée >

carottes crues (41%)(Livny et al., 2003)

• Biodisponibilité de l’a- et du b-carotène de purées de carotte commerciale > carottes bouillies et écrasées (absorption X2) (Ghavami, 2011)

• Biodisponibilité du b-carotène de carottes sautées > carottes crues Bioconversion du b-carotène en rétinol: carottes sautées légèrement inférieure à carottes crues (Ghavami, 2011) => en faveur cuisson sautée

• Adjonction d’huile d’olive à la cuisson des tomates augmente l’absorption du lycopène (Fielding et al. 2005)

• Transport cellulaire (via les micelles) de la lutéine : épinards crus et non transformés > épinards surgelés et/ou appertisés (O’Sullivan et al., 2008)

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Impact traitements technologiques sur la biodisponibilité/la bioaccessibilité des caroténoïdes des fruits et légumes

Procédés de conservation et biodisponibilité des caroténoïdes • Biodisponibilité évaluée in vitro (digestion gastro-intestinale) des

caroténoïdes dans carotte, brocoli ou haricot traités par hautes pressions : > 60% ne seraient pas disponibles à l’absorption mais carottes > haricots verts > brocoli. Biodisponibilité de la lutéine du brocoli augmente avec traitement HP 600 Mpa. Biodisponibilité du b-carotène du brocoli diminue avec traitement HP 400 ou 600 MPa (Mclnerney et al. 2007).

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Glucides complexes digestibles (≈ amidon dans tous ses états..)

Colonna et al. (1992) Eur. J. Clin. Nutr. 46 (S2) S17

Devenir digestif de l’amidon

Fractionnement des

aliments

Début de digestion

idem

Digestion intense de

l’amidon => glucose

-> absorbé

Fermentation de l’AR

-> Acides gras à chaîne

courte (C2 + C3 + C4) +

gaz (CO2+ H2 + CH4)

-> absorbés

Excrétion d’une très

faible fraction

Bouche

Estomac

Intestin grêle

Côlon

Selles

Evaluation de la biodisponibilité de l’amidon

In vivo

1. Digestibilité « totale »

Bilan « entrée-sortie » par analyse des selles après

atteinte d’un état d’équilibre (plusieurs jours)

2. Digestibilité « iléale »

• Sujets iléostomisés

• Technique de perfusion-aspiration

3. Glycémie postprandiale avec une charge d’aliment

correspondant à 50g de glucides digestibles

Vitesse apparition du pic, aire sous la courbe (=> index

glycémique)/3-4 heures

Variantes + sophistiquées avec marqueurs stables

Evaluation de la biodisponibilité de l’amidon

In vitro

1. Cinétique d’hydrolyse in vitro dans conditions ±

physiologiques => OK qd méthode validée in

vivo chez l’Homme pour le même type

d’aliment.

2. Méthodes permettant de prévoir, en % de l’AT,

- Amidon rapidement digestible et/ou

- Amidon lentement digestible et/ou

- Amidon résistant

=> OK qd méthode validée in vivo chez l’Homme

pour le même type d’aliment (Englyst et al., 1992,

1995) – Un pb … il est quasiment le seul à pouvoir

obtenir des résultats « corrects ».

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Corrélation entre teneur en « Glucose rapidement disponible » (RAG) et

réponse glycémique à 8 repas expérimentaux

1 & 3: orge; 2 & 6: spaghetti; 4 & 7: corn flakes; 5 & 8: pain blanc

1-5: petites portions; 6-8: grosses portions

Englyst KN et al. Am J Clin Nutr. 1999;69:448-54.

Validation in vivo des méthodes d’hydrolyse in vitro

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Corrélation entre qté d’AR consommé et qté d’amidon récupéré ds

effluents d’iléostomie / 6 sujets & 4 repas expérimentaux Avec farine de pdt, amidon à faible, fort taux et taux moyen de RS

Silvester KR et al. Am J Clin Nutr. 1995;62:403-11.

Validation in vivo des méthodes d’hydrolyse in vitro

50

AR consommé (g/j) 0 25 50

Am

ido

n r

écu

péré

(g

/j)

0

25

y=0,968x + 0,083

25

Impact traitements technologiques sur la qualité nutritionnelle des aliments amylacés

Ce que l’on savait…. avant 2000 • Pour être accessible à la dégradation enzymatique, l’amidon doit

ne doit plus être « emprisonné » dans des cellules.

• L’amidon des féculents (et autres aliments contenant de l’amidon) est gélatinisé (totalement ou partiellement) par la plupart des traitements de cuisson (besoin d’un minimum d’eau).

• La conservation des aliments amylacés à l’état hydraté engendre la génération d’amidon résistant (AR3). Cet AR est fermenté dans le côlon et génèrerait de l’ac. butyrique (nutriment du colonocyte) et serait prébiotique.

• Le degré de gélatinisation et de rétrogradation impacte directement la biodisponibilité de

l’amidon (et l’IG).

• La présence de lipides (TG ou AG

libres) empêche la rétrogradation.

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Coupe de pois

Protéines

Amidon

Parois cellulaire B. Bouchet, INRA Nantes

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Impact traitements technologiques sur la qualité nutritionnelle des aliments amylacés

Ce que l’on savait…. avant 2000 • Pour être accessible à la dégradation enzymatique, l’amidon doit

ne doit plus être « emprisonné » dans des cellules.

• L’amidon des féculents (et autres aliments contenant de l’amidon) est gélatinisé (totalement ou partiellement) par la plupart des traitements de cuisson (besoin d’un minimum d’eau).

• La conservation des aliments amylacés à l’état hydraté engendre la génération d’amidon résistant (AR3). Cet AR est fermenté dans le côlon et génèrerait de l’ac. butyrique (nutriment du colonocyte) et serait prébiotique.

• Le degré de gélatinisation et de rétrogradation impacte directement la biodisponibilité de

l’amidon (et l’IG).

• La présence de lipides (TG ou AG

libres) empêche la rétrogradation.

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Biodisponibilité des amidons

Amidon natif

Etat physique

A B

Pomme de terre

B

Riche en amylose

C

Cru + 0 0 +/-

Gélatinisation totale

+++ +++ +++ +++

Rétrogradation partielle

++ ++ +/- +

Complexation ++ ++ + ++

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Impact traitements technologiques sur la qualité nutritionnelle des aliments amylacés

Ce qu’il y a de plus neuf…

• Des taux d’hydratation de 20% peuvent suffire pour obtenir une

gélatinisation au moins partielle de l’amidon (Hu et al. 2010).

• Outre la gélatinisation de l’amidon, la densité de l’aliment affecte directement son IG. (i.e. pains de tradition française plus denses auraient un plus faible IG que baguettes « ordinaires » (75 vs 95…) (Rizkalla et al. 2007).

• L’utilisation d’amidon riche en amylose ne suffit pas à garantir de plus fortes teneurs en AR ( i.e. micronisation d’orges à +/- fort taux d’amylose)(Emami et al. 2010).

En conclusion.. • La biodisponibilité peut s’évaluer in vitro (méthode doit être

validée in vivo) et in vivo chez l’homme (plus cher… mais parfois indispensable).

• La biodisponibilité de la plupart des nutriments varie considérablement en fonction des traitements technologiques appliqués aux matières premières et aliments.

• Un amidon totalement gélatinisé issu d’une matière première finement broyée (i.e. farine), dans une matrice très aérée (baguette classique) est très biodisponible => ≈ 95% glucose absorbé => Adapter les traitements en fonction de ce que l’on recherche (fort ou faible IG).

• Les caroténoïdes ont besoin d’être consommés avec un peu de lipides pour être absorbés. Les traitements thermiques optimisent svt leur biodisponibilité. Un broyage peut permettre de réduire la t° ou le tps de cuisson => peut préserver d’autres nutriments thermosensibles.

En conclusion.. • Il est important de se préoccuper de la biodisponibilité des

nutriments au cours des process appliqués aux aliments. Lesquels sont susceptibles d’être affectés? La biodisponibilité desquels faut-il optimiser?

• Il existe des méthodes in vitro pour évaluer la bioaccessibilité des nutriments.

• Il y a des méthodes in vivo, pour évaluer la biodisponibilité chez l’Homme; bcp plus cher… mais plus performant.

MERCI…

• à Bénédicte Boukandoura, Nutractiv) Caroténoïdes dans les fruits et légumes

• à Maelenn Trioullier (Adria Normandie) Coordination