ÉTUDE DE LA STABILITÉ DES FIBRES ALIMENTAIRES SEULES ET …

ÉMILIE PAQUET

ÉTUDE DE LA STABILITÉ DES FIBRES

ALIMENTAIRES SEULES ET EN MÉLANGE DANS

UN BREUVAGE À BASE DE JUS DE FRUITS ET

COMPRÉHENSION DE LEUR EFFET SUR LES

RÉPONSES GLYCÉMIQUE ET INSULINÉMIQUE

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval

dans le cadre du programme de maîtrise en Sciences et technologie des aliments

pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)

DÉPARTEMENT DES SCIENCES DES ALIMENTS ET DE NUTRITION

FACULTÉ DES SCIENCES DE L’AGRICULTURE ET DE L’ALIMENTATION

UNIVERSITÉ LAVAL

QUÉBEC

2010

© Émilie Paquet, 2010

Résumé court

L’objectif de ce travail était d’étudier la stabilité de la gomme de guar (G), du β-glucane

d’orge (Bg) et du konjac-mannan (K) seuls et en mélange avec la gomme xanthane (X)

durant la pasteurisation et l’entreposage de breuvages à base de jus de fruits et de

déterminer l’effet des deux mélanges les plus stables, détenant une viscosité commune à

30 s-1, sur les réponses glycémique et insulinémique de même que sur les sensations

d’appétit de 20 sujets masculins sains. L’ajout de X a limité la variation de la viscosité de

Bg et K, mais n’a eu aucun effet sur G. Dans un devis randomisé en chassé-croisé,

l’ingestion des breuvages enrichis en G-X et en K-X n’a pas diminué significativement les

réponses glycémique et insulinémique comparativement au breuvage témoin. Néanmoins,

le breuvage enrichi en K-X a significativement augmenté la satiété comparativement aux

deux autres breuvages. Ainsi, la nature et la concentration des fibres ont un effet

possiblement plus déterminant que la viscosité sur le contrôle de la glycémie et de

l’insulinémie.

ii

Résumé long

Les fibres alimentaires sont grandement étudiées en raison de leurs nombreux attributs

santé, dont le contrôle de la glycémie et de l’insulinémie. La gomme de guar (G), les

β-glucanes (Bg) céréaliers et le konjac-mannan (K) en sont de bons exemples. Leur

mécanisme d’action semble étroitement lié à la viscosité induite dans le système digestif.

Toutefois, la majorité des études compare l’effet des différentes fibres selon leur

concentration et non selon leur viscosité. Également, l'effet des procédés de transformation

et des conditions d’entreposage sur la stabilité des fibres est encore méconnu

particulièrement dans les aliments liquides en milieu acide. Des travaux récents ont

rapporté un effet synergique entre la gomme xanthane (X) et le Bg d’avoine sur la viscosité

des breuvages à base de jus de fruits pasteurisés. Par conséquent, l’objectif de cette étude

était de vérifier la stabilité de G, K et Bg d’orge seuls et en mélange avec le X durant la

pasteurisation et l’entreposage de breuvages à base de fruits et de déterminer l’effet des

deux mélanges les plus stables sur les réponses glycémique et insulinémique de même que

sur les sensations d’appétit de 20 sujets masculins sains.

Le ratio et la concentration finale des mélanges binaires de polysaccharides ont été

sélectionnés de manière à atteindre une viscosité commune à 30 s-1, reconnue pour avoir

amélioré significativement la réponse glycémique de sujets normaux après l’ingestion d’un

breuvage enrichi en un mélange de Bg d’avoine et de X. L'effet de la pasteurisation, du

temps (4 mois) et de la température d’entreposage (4 ou 20 °C) sur la viscosité, la turbidité

et le pH des breuvages a été étudié par un modèle Anova hétérogène en split-plot. La

pasteurisation, le temps et la température d’entreposage influencent significativement et

différemment la viscosité des breuvages contenant des fibres alimentaires. L’ajout de X a

un effet protecteur sur Bg d’orge (BgX) et K (KX), mais n’a aucun effet sur G (GX). Les

deux breuvages les plus stables sont ceux enrichis en GX et en KX. Ainsi, l’étape de

formulation est cruciale pour assurer la stabilité technologique et l’effet physiologique des

fibres alimentaires.

iii

Dans un devis randomisé en chassé-croisé, l’ingestion des breuvages enrichis en GX et en

KX n’a pas diminué significativement les concentrations en glucose, en insuline et en C-

peptide comparativement au breuvage témoin. Néanmoins, le breuvage enrichi en KX a

significativement augmenté la satiété comparativement aux deux autres breuvages. Ainsi, il

est possible de croire que la nature et la concentration des fibres alimentaires ont un effet

probablement plus déterminant que la viscosité sur le contrôle des réponses glycémique et

insulinémique de même que sur les sensations d’appétit.

iv

Abstract

The purpose of this research was to study the stability during pasteurization and storage of

guar gum (G), barley β-glucan (Bg) and konjac-mannan (K) alone and in mixture with

xanthan gum (X) in a fruit juice based beverage and to determine the effect of the two most

stable mixtures at a common viscosity of 30 s-1, on glycemic and insulinemic responses as

well as on appetite sensations of 20 healthy men. Addition of X had a protective effect on

viscosity of Bg and K, but had no effect on G. In a randomized crossover design, intake of

beverages enriched with G-X and K-X failed to significantly reduce glycemic and

insulinemic responses compared to the control beverage. However, beverage enriched with

K-X significantly enhanced satiety compared to the other beverages. Thus, the nature and

concentration of fibers may have a more important effect than the viscosity on the control

of glycemia and insulinemia.

Avant-Propos

Ce mémoire est divisé en cinq chapitres, dont deux sont sous forme d’articles scientifiques.

Je suis l’auteure principale de tous ces chapitres. Les expériences que j’ai planifiées et

réalisées ont principalement eu lieu dans les laboratoires du pavillon Paul-Comtois de

l’Université Laval à Québec à l’exception des traitements technologiques. Ces derniers ont

été effectués dans le laboratoire pilote des Industries Lassonde inc. à Rougemont. De plus,

l’étude nutritionnelle que j’ai réalisée a été effectuée dans les locaux de l’Unité

d’Investigation Clinique de l’Institut des Nutraceutiques et des Aliments Fonctionnels

(INAF) de l’Université Laval. L’élaboration du programme d’analyse statistique des

résultats a été effectuée avec l’aide de Gaétan Daigle (statisticien professionnel) du Service

de Consultation Statistique de l’Université Laval et du Dr. Simone Lemieux, également de

l’Université Laval. J’ai entièrement effectué l’analyse des résultats. Ce projet de recherche

a été supervisé par les Dr. Sylvie L. Turgeon (directrice) et Simone Lemieux (codirectrice)

qui m’ont, toutes les deux, apporté leur soutien scientifique de même que de judicieux

conseils selon leurs expertises. La réalisation de ce projet de recherche a été facilitée grâce

au support financier du Conseil de Recherche en Science Naturelle et Génie (CRSNG) qui

m’a accordé une bourse d’études supérieures de maîtrise (BESC M). Enfin, les partenaires

financiers du projet, sans quoi ce travail n’aurait pas eu lieu, ont été le CRSNG ainsi que les

Industries Lassonde inc.

Le premier chapitre titré « Introduction » présente la problématique générale du mémoire.

Le second, intitulé « Revue de littérature », résume d'abord les principes entourant la

régulation de la glycémie et de l’insulinémie puis fait état des connaissances actuelles quant

au rôle des fibres alimentaires sur le contrôle de l’homéostasie du glucose. Les principaux

facteurs pouvant influencer l’activité biologique des fibres sont par la suite énumérés suivi

d’une discussion sur l’intérêt technologique d’utiliser des polysaccharides en mélange.

Finalement, le but, les hypothèses de recherche et les objectifs spécifiques de l’étude sont

présentés.

vi

Le troisième chapitre est un article scientifique intitulé « Effect of food processing and

storage conditions on stability of fruit juice base beverages enriched with dietary fiber

alone and in mixture with xanthan gum ». Ce dernier porte sur l’effet des procédés de

transformation et des conditions d’entreposage sur la stabilité des fibres alimentaires seules

et en mélange avec la gomme xanthane lorsqu’incorporées à un breuvage à base de jus de

fruits. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible d’utiliser la gomme xanthane pour

mieux contrôler la fonctionnalité des fibres alimentaires dans un tel produit. Toutefois, son

efficacité peut varie en fonction de la nature de la fibre utilisée.

Le quatrième chapitre « Effect of fruit juice based beverages enriched with dietary fiber

and xanthan gum on the glycemic and insulinemic responses as well as on appetite

sensations in healthy men » porte sur l’étude nutritionnelle realisée à l’INAF. Cet article

vise à démontrer l’effet de breuvages à base de jus de fruits enrichis en différentes fibres

alimentaires en mélange avec la gomme xanthane détenant une viscosité commune à 30 s-1

(vitesse de cisaillement hypothétique du tractus gastro-intestinal) sur les réponses

glycémique et insulinémique de même que sur les sensations d’appétit. Les résultats de ce

travail ont permis de démontrer que la viscosité n’est probablement pas le seul facteur

impliqué dans le mécanisme d’action des fibres alimentaires sur la modulation de la

glycémie et de l’insulinémie de même que sur la régulation des prises alimentaires.

Enfin, les conclusions générales et les perspectives de ce travail sont présentées au

cinquième au chapitre. Ce dernier fait un retour les hypothèses émises, présente l'impact

des résultats obtenus et discute des améliorations à apporter pour les travaux futurs de

même que des nouvelles pistes à étudier.

vii

Remerciements

La réussite de ce projet de recherche a nécessité la collaboration et le support de plusieurs

personnes dont j’aimerais faire mention.

D’amblé, je tiens à exprimer ma reconnaissance à ma directrice Sylvie Turgeon et ma

codirectrice Simone Lemieux qui m’ont, toutes les deux, offert un inestimable appui

scientifique et moral. Je tiens également à vous remercier, Simone et Sylvie, non seulement

pour avoir mis à ma disposition tous les outils nécessaires à ma réussite et à mon

accomplissement professionnel, mais également pour votre grand sens de l’écoute de même

que pour votre dynamisme et votre positivisme qui m’ont grandement motivé.

J’aimerais également souligner l’exceptionnel support technique que j’ai reçu de la part de

tous les techniciens et professionnels de recherche du département des sciences des

aliments et de nutrition. Un merci particulier à Diane Gagnon pour son dévouement et sa

grande disponibilité de même qu’à Louise Corneau, à Gaétan Desnoyers, à Alain Gaudreau,

à Pascal Cliche, à Danielle Aubin, à Steeve Larouche et à Mélanie Martineau. Merci à

Hélène Fortier, Diane Robert et Johanne Talbot pour leur soutien au niveau administratif.

J’ai également eu la chance d’avoir à mes côtés quatre excellents étudiants stagiaires, soit

Émilie Thibodeau, Vincent Banville, Solène Lemaux et Michaëlle Bouilloud qui m’ont

grandement aidée dans la collecte de données. Un gros merci à vous tous!

De plus, je tiens à remercier toute l’équipe de la RDC-Industries Lassonde pour leurs

judicieux conseils et leur implication au sein de ce projet de recherche. Je voudrais

souligner de façon particulière la grande dévotion de Stéphanie Bernier lors des

productions à échelle industrielle.

viii

Un remerciement particulier est également adressé au Conseil de Recherche en Sciences

naturelles et en Génie du Canada (CRSNG) pour m’avoir accordé une bourse d’études

supérieures (BESC M) de même que pour la subvention de ce projet de recherche. Je tiens

aussi à exprimer ma gratitude aux Industries Lassonde pour leur soutien financier.

Finalement, je voudrais exprimer toute ma reconnaissance à ma famille et mes amis pour

leur support et leur encouragement tout au long de cette aventure. Un merci tout spécial à

mon amoureux Jean-François pour sa patience et sa compréhension de même que pour

n’avoir jamais cessé de croire en moi.

à Jeff,

pour son soutien inconditionnel

Table des matières

INTRODUCTION ........................................................................................................................ 1

CHAPITRE 1 : Revue de littérature ........................................................................................... 3

1.1 Glycémie et insulinémie ............................................................................................... 3 1.1.1 Régulation de la réponse glycémique .................................................................... 3

1.1.1.1 Le diabète de type 2 ........................................................................................ 7 1.1.2. L’index glycémique .............................................................................................. 9

1.2 Ingrédients pouvant présenter un effet sur les réponses glycémique et insulinémique

.......................................................................................................................................... 11 1.2.1 Les fibres alimentaires ......................................................................................... 11

1.3 Mécanismes d’actions proposés des fibres alimentaires pour contrôler la réponse

glycémique et insulinémique............................................................................................ 13 1.3.1 Effet au niveau stomacal ...................................................................................... 13 1.3.2 Effet au niveau de la partie supérieure de l’intestin ............................................. 14

1.3.3 Impact des fibres alimentaires sur l’index glycémique des aliments ................... 16 1.3.4 Impact des fibres alimentaires sur la satiété et le contrôle du poids corporel ..... 17

1.4 Les fibres alimentaires ayant potentiellement un effet sur la réponse glycémique et

insulinémique ................................................................................................................... 18 1.4.1 Les β-glucanes céréaliers ..................................................................................... 20

1.4.2 La gomme de guar ............................................................................................... 23

1.4.3 Le konjac-mannane (glucomannane) ................................................................... 25 1.5 Facteurs influençant la viscosité ................................................................................ 28

1.5.1 Facteurs intrinsèques ............................................................................................ 29

1.5.2 Facteurs extrinsèques ........................................................................................... 30 1.6 Effet des procédés de transformation et d’entreposage sur le potentiel

hypoglycémiant des fibres................................................................................................ 31 1.7 Synergie de viscosité entre les polysaccharides ......................................................... 33

1.7.1 La gomme xanthane ............................................................................................. 35 1.8 Buts, hypothèses et objectifs ...................................................................................... 39

CHAPITRE 2: Effet des procédés de transformation et des conditions d’entreposage sur la

stabilité de breuvages à base de jus de fruits enrichis en fibre alimentaire seule et en

mélange avec la gomme xanthane ........................................................................................ 41

2.1 Résumé ....................................................................................................................... 42 2.2 Abstract ...................................................................................................................... 43 2.3 Introduction ................................................................................................................ 44

2.4 Material and methods ................................................................................................. 45 2.4.1 Material ................................................................................................................ 45 2.4.2 Beverage formulation .......................................................................................... 46

2.4.3 Beverage preparation ........................................................................................... 46

xi

2.4.4 Pasteurization and storage procedures ................................................................. 47

2.4.5 Physico-chemical analyses .................................................................................. 47 2.4.6 Molecular weight measurement ........................................................................... 48 2.4.7 Statistical analyses ............................................................................................... 49

2.5 Results ........................................................................................................................ 49 2.5.1 Rheological profile .............................................................................................. 50

2.5.2 Effect of pasteurization ........................................................................................ 50 2.5.3 Effect of time ....................................................................................................... 52 2.5.4 Effect of storage temperature ............................................................................... 53 2.5.5 Molecular weight determination .......................................................................... 54

2.6 Discussion .................................................................................................................. 55

2.7 Conclusion ................................................................................................................. 59

CHAPITRE 3: Effet de la consommation de breuvages à base de jus de fruits enrichis en fibre

alimentaire et en gomme xanthane sur les réponses glycémique et insulinémique de même

que sur les sensations d’appétit chez des hommes en bonne santé ....................................... 77

3.1 Résumé ....................................................................................................................... 78 3.2 Abstract ...................................................................................................................... 79 3.3 Introduction ................................................................................................................ 80

3.4 Material and methods ................................................................................................. 81 3.4.1 Material ................................................................................................................ 81

3.4.2 Beverage formulation .......................................................................................... 82 3.4.3 Beverage preparation ........................................................................................... 82 3.4.5 Beverage physico-chemical analysis ................................................................... 83

3.4.6 Subjects and design .............................................................................................. 83

3.4.7 Statistical analyses ............................................................................................... 85 3.5 Results ........................................................................................................................ 86

3.5.1 Viscosity, pH and sugar concentration ................................................................ 86

3.5.2 Serum glucose, insulin and C-peptide concentrations ......................................... 87 3.5.3 Appetite sensations .............................................................................................. 87

3.6 Discussion .................................................................................................................. 88 3.7 Conclusion ................................................................................................................. 92

CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES .......................................................................... 108

BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................... 111

APPENDICE A. Exemples d’aliments à index glycémique bas, moyen et élevé .................. 128 APPENDICE B. Anova tables from experiences in chapter 2 ............................................... 129 APPENDICE C. Anova tables from experiences in chapter 3 ............................................... 131

Liste des tableaux

Tableau 1.1: Sites de résistance à l’insuline…………………………………………

8

Tableau 1.2: Changement de l’aire sous la courbe de glucose et d’insuline sanguins

suite à la consommation de différentes fibres alimentaires……………..

19

Tableau 1.3: Effet de différents procédés de transformation sur le poids moléculaire,

la solubilité et le taux de β-glucane dans les aliments transformés…….

32

Tableau 1.4: Mélanges binaires de polysaccharides présentant une synergie de

viscosité………………………………………………………………….

34

Tableau 1.5: Composition moyenne des polysaccharides excrétés par quelques

souches du genre Xanthomonas…………………………………………

37

Table 2.1: Composition of beverages..........................................................................

61

Table 2.2: Concentration of stock solutions used for each beverage………………

62

Table 2.3: Polysaccharide’s average molecular weight............................................

73

Table 2.4: Difference of viscosity between beverages made under laboratory and

pilot conditions.........................................................................................

74

Table 3.1: Composition of beverages........................................................................

93

Table 3.2: Subject’s characteristics...........................................................................

94

Table 3.3: Mean viscosity and pH value of beverages measured weekly over a

7-weeks period..........................................................................................

96

Table 3.4: Effect of beverages enriched with dietary fibers on the time to peak

and the increment blood glucose concentration between 0 and 30

minutes for the blood glucose, insulin and C-peptide concentrations.....

97

Table 3.5: Effect of beverages enriched with polysaccharide on the time to peak,

area above the baseline and incremental area under the curve as well

as each sample time on the appetite sensations compared to the control

juice..........................................................................................................

106

Liste des figures

Figure 1.1 Digestion des glucides dans la lumière intestinale du petit intestin………

4

Figure 1.2: Absorption des glucides à l’intérieur des entérocytes…………………….

5

Figure 1.3: Importation du glucose dans les cellules hépatiques……………………...

6

Figure 1.4: Structure moléculaire globale du β-glucane et ses résidus issus de la

lichenase…………………………………………………………………..

21

Figure 1.5: Structure moléculaire d’un galactomannane………………………………

24

Figure 1.6: Structure moléculaire du konjac-mannane………………………………..

26

Figure 1.7: Structure moléculaire de la gomme xanthane……………………………..

37

Figure 2.1: Initial rheological profile measured at 37 °C of pasteurized beverages

enriched in polysaccharides alone A) and in mixture with xanthan gum

B)................................................................................................................

63

Figure 2.2: Rheological profile measured at 37 °C of beverages pasteurized (P) or

untreated (U) in β-glucan alone A) and in mixture with xanthan gum B)

at t = 0 (0) and 1 week (1)..........................................................................

64

Figure 2.3: Effect of pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of

beverages enriched in β-glucan alone A) and in mixture with xanthan

gum B) over time........................................................................................

65

Figure 2.4: Effect of the pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1

of beverages enriched in guar gum alone A) and in mixture with xanthan

gum B) over time........................................................................................

66

Figure 2.5: Effect of the pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1

of beverages enriched in konjac-mannan alone A) and in mixture with

xanthan gum B) over time..........................................................................

67

Figure 2.6: Effect of the pasteurization on the turbidity of beverage enriched in

β-glucan alone A) and in mixture with xanthan gum B) over time............

68

Figure 2.7: Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in β-glucan

alone (open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled

symboles) stored at 4 °C ( ) or 20 °C ( ) over time..................................

69

2

Figure 2.8 : Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in guar gum

alone (open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled symbols)

stored at 4 °C ( ) or 20 °C ( ) over time...................................................

70

Figure 2.9 : Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in konjac-

mannan alone (open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled

symbols) stored at 4°C ( ) or 20°C ( ) over time.....................................

71

Figure 2.10: Effect of time on turbidity of beverage enriched in β-glucan alone ( )

and in mixture with xanthan gum ( ).........................................................

72

Figure 2.11: Beverage enriched in β-glucan alone after eight weeks of storage at

20 °C...........................................................................................................

75

Figure 2.12: Beverage enriched in β-glucan-xanthan gum mixture after eight weeks

of storage at 20 °C......................................................................................

76

Figure 3.1: Viscosity at 37 °C 30 s-1 of the three different beverages measured

weekly during the study.............................................................................

95

Figure 3.2: Incremental changes from baseline in serum glucose concentration after

ingestion of the three different beverages enriched or not with

polysaccharides...........................................................................................

98

Figure 3.3: Incremental changes from baseline in serum insulin concentration after

ingestion of the three different beverages enriched or not with


99

Figure 3.4: Incremental changes from baseline in serum C-peptide concentration

after ingestion of the three different beverages enriched or not with


100

Figure 3.5: Mean appreciation of the three beverages...................................................

101

Figure 3.6: Change in desire to eat as assessed by visual analogous scales, before

and after consumption of beverages............................................................

102

Figure 3.7: Change in perception of hunger as assessed by visual analogous scales,

before and after consumption of beverages.................................................

103

Figure 3.8: Change in perception of fullness as assessed by visual analogous scales,

before and after consumption of beverages.................................................

104

Figure 3.9:

Change in prospective of food consumption as assessed by visual

analogous scales, before and after consumption of beverages....................

105

Figure 3.10 Comparison of appetite score profiles between the three beverages........... 107

Introduction

Avec une épidémie florissante d’obésité et la prolongation de l’espérance de vie, le nombre

de personnes prédisposées à développer le diabète et à mourir prématurément de maladies

cardiovasculaires est grandissant. Malgré tous les efforts déployés pour développer des

médicaments efficaces, la prévention et le traitement du diabète de type 2 restent, encore

aujourd’hui, insatisfaisants [1]. Au Québec seulement, on estime à près de 650 000, le

nombre de personnes diabétiques et parmi ce nombre, environ 200 000 ignorent encore leur

état [2]. La situation ne tend malheureusement pas à s’améliorer avec le temps, car selon

l'Organisation mondiale de la santé (OMS), la population diabétique doublera d'ici l'an

2025. Cette ascension aura inévitablement pour effet d’alourdir le fardeau économique et

social du diabète qui est déjà énorme. En fait, il est estimé à près de 3 milliards de dollars

par année en coûts directs et indirects à l’ensemble de la société québécoise, car en plus

d’être affectées par la maladie, 40 % des personnes diabétiques sont susceptibles de

contracter des complications débilitantes, voire même mortelles [2].

Les industries alimentaires sont conscientes de la situation et plusieurs d’entre elles vont

tenter d’offrir à la population une stratégie complémentaire aux approches nutritionnelles et

médicales conventionnelles en se tournant vers la création d’aliments fonctionnels. Ce

virage peut s’avérer économiquement judicieux, car le marché des aliments fonctionnels est

en pleine expansion. Seulement en 2007, les ventes des aliments et des breuvages

fonctionnels ont augmenté de 9,6% et 12,2% respectivement [3]. On prévoit que d’ici 2012

les ventes combinées de ces produits devraient dépasser les 192,7 milliards de dollars

américains et que la croissance annuelle devrait se situer aux alentours de 5% ce qui est

assez important comparativement aux aliments classiques [3]. Toutefois, pour n’importe

quelle industrie, le développement d’un produit fonctionnel n’est pas simple. En fait, il

s’avère un grand défi technologique quant à la qualité organoleptique et la stabilité du

produit final, mais également quant aux procédés de transformation. Étant donné la pauvre

littérature sur le sujet, les transformateurs se trouvent en manque d’outil pour arriver à leur

fin.

2

Plusieurs chercheurs ont porté leurs recherches vers les ingrédients à action

hypoglycémiante. Les fibres alimentaires solubles, plus particulièrement les

polysaccharides [4, 5], tels la gomme de guar [6-8], le β-glucane [9-12], le konjac-mannane

[13-15] le psyllium [16-19], sont des composés grandement étudiés en raison de leur

capacité à moduler la réponse glycémique et insulinémique de même qu’à induire la satiété.

Leur mécanisme d’action ne fait toutefois pas l’objet d’un consensus auprès de la

communauté scientifique. Seule l’induction de viscosité réduisant l’absorption intestinale

semble être un point commun à un grand nombre de propositions [5, 20-24]. Ainsi, pour

présenter l’effet hypoglycémiant escompté, il semble important que ces derniers soient

aptes à induire, mais également à maintenir la viscosité élevée tout le long du tractus

gastro-intestinal.

Dans le but d’améliorer cette induction de viscosité, quelques auteurs ont vérifié le

potentiel synergétique de viscosité de quelques polysaccharides [22, 25-29]. Toutefois,

l’évaluation d’un possible effet protecteur des mélanges versus les polysaccharides seuls

sur le maintien de la viscosité suite à des traitements technologiques n’a jusqu’à maintenant

pas été démontré. Seule Paquin (2008) a observé une perte de viscosité en réponse à un

traitement de pasteurisation des breuvages enrichis en β-glucane d’avoine comparativement

à ceux supplémentés en un mélange de gomme xanthane et β-glucane [29].

De ce fait, le présent projet vise à étudier la stabilité des polysaccharides seuls et en

mélange dans un breuvage à base de jus de fruits pasteurisé de même qu’à comprendre leur

effet sur la réponse glycémique et la satiété.

Chapitre 1 : Revue de littérature

1.1 Glycémie et insulinémie

Le terme glycémie signifie la concentration de glucose mesurée dans le sang [30]. Elle est

généralement mesurée en gramme (g) ou millimole (mmol) de glucose par litre (L) de sang.

Une glycémie à jeun (avant les repas) est considérée normale si elle se situe en-dessous de

5,6 mmol/L, tandis qu’une glycémie postprandiale (après les repas) deux heures

après l’ingestion de 75 g de glucose ne devrait pas dépasser la barre des 7,8 mmol/L

[31]. Si la concentration de glucose sanguin à jeun décelée est inférieure à

2,8 mmol/L, on parle d’hypoglycémie. À l’inverse, une valeur égale ou supérieure à

7,0 mmol/L est le critère de diagnostic du diabète de type 2.

L’insulinémie, quant à elle, désigne le taux d’insuline dans le sang [30]. Il a été suggéré

qu’une insulinémie est considérée normale si elle se situe entre 35 et 167 pmol/L, bien que

ces valeurs seuils ne fassent pas l’unanimité [32]. Il est à noter qu’une mauvaise sensibilité

à l’insuline ou une sécrétion inadéquate d’insuline peut provoquer une hyperglycémie [33].

1.1.1 Régulation de la réponse glycémique

La régulation de la glycémie et de l’insulinémie repose sur plusieurs facteurs, dont le

principal est l’action de l’insuline dans les cellules, le foie et les reins. Lors de l’ingestion

de nourriture, les aliments sont initialement mastiqués, humidifiés puis mélangés à l’α-

amylase qui a pour fonction de dégrader l’amidon en dextrines et en maltose. Un bol

alimentaire est ainsi formé. À l’aide des contractions musculaires, ce dernier est dégluti

vers l’estomac où le processus de digestion proprement dit s’enclenche. Le bol alimentaire

est alors transformé en chyme à l’aide des forces mécaniques et des sucs gastriques.

4

La vidange de l’estomac (vidange gastrique) se fait de façon progressive par un mécanisme

réflexe local relié, entre autres, à l’acidité dans l’intestin [34]. Lors du déversement du

chyme dans le duodénum, ce dernier est mélangé à la bile de la vésicule biliaire et du foie

ainsi qu’aux enzymes pancréatiques. C’est dans la lumière du petit intestin qu’est effectuée

la digestion finale des sucres complexes en glucose, fructose et galactose à l’aide de

diverses enzymes (Figure 1.1) [34].

Figure 1.1 : Digestion des glucides dans la lumière intestinale du petit.

Adapté de Broom (2005) [34]. Avant de pouvoir intégrer la circulation sanguine, les

glucides complexes doivent être dégradés en sucre simple tels le fructose, le glucose et le

galactose à l’aide des enzymes présentes dans la lumière de l’intestinal grêle.

L’absorption intestinale du glucose vers les entérocytes, puis le sang et la lymphe fait

intervenir deux principaux mécanismes d’action, soit la diffusion simple et le transport actif

(Figure 1.2). La diffusion simple est régulée par un principe d’osmose tandis que le

transport actif nécessite de l’ATP en raison de sa dépendance au sodium [34]. La nécessité

de transporter activement le glucose au niveau de la muqueuse intestinale réside dans le fait

que lorsque la concentration du glucose dans l'intestin et dans les milieux interstitiel et

intravasculaire est en équilibre, près de 50% du glucose obtenu après digestion des aliments

resterait dans l'intestin et serait éliminé. Plusieurs glucides complexes, telles la cellulose et

la raffinose, ne sont pas digestibles par les enzymes humaines. Ces glucides se retrouvent

lumière intestinale

lactose

glucose

sucrose

amidon

/glycogène glucose

galactose

fructose

surface de la muqueuse

5

alors presque intacts dans le côlon où ils seront mis en contact avec la flore intestinale

capable de les hydrolyser.

Figure 1.2 : Absorption des glucides à l’intérieur des entérocytes. Adapté

de Broom (2005) [34]. L’absorption intestinale du glucose se fait par de mécanisme

soit la diffusion simple régulée osmose et le transport actif nécessitant du sodium.

Tous les capillaires sanguins irriguant l'intestin se déversent dans des veinules qui se

rejoignent dans la veine porte-hépatique. Lorsque la concentration en glucose de la veine

porte tend à augmenter, les cellules bêta du pancréas sécrètent de l’insuline de manière à ce

qu’elle soit également déversée dans cette même veine. Cette stimulation pancréatique est

intensifiée par certaines hormones gastro-intestinales, dont le peptide inhibiteur gastrique

(GIP) et quelques acides aminés (leucine, arginine et leucine) [35]. Ainsi, la totalité du

glucose des aliments de même que la totalité de l'insuline produite sont réunies à l’entrée du

foie.

entérocyte

glucose

glucose

galactose

galactose

fructose

muqueuse

glucose

galactose

fructose

lumière intestinale

diffusion simple

transport actif du glucose

nécessitant du Na+

diffusion facilitée

=

6

Le rôle particulier de l’insuline est de faire diminuer la glycémie en autorisant la

pénétration du glucose depuis le sang vers les cellules cibles. Pour ce faire, l’insuline se lie

à un récepteur transmembranaire spécifique de la cellule. À la suite de cette liaison, un

signal est émis autorisant le transporteur de glucose à importer le sucre à l’intérieur de la

cellule [36]. Environ la moitié de cette insuline est utilisée par le foie où elle stimule la

glycolyse et la synthèse de glycogène (Figure 1.3), tandis que l’autre partie est rejetée dans

la circulation sanguine pour faciliter l’approvisionnement des cellules en glucose qui

l’utiliseront surtout à des fins énergétiques.

Figure 1.3 : Importation du glucose dans les cellules hépatiques. Adapté du schéma de

Morales (2009) issu du site http://www.intellego.fr. Lorsque l’insuline se lie au récepteur

spécifique de la cellule, il y a : 1) stimulation de la synthèse d’enzymes impliquées dans la conversion puis le

stockage du glucose (glycogénogénèse) et inhibition celles engagées dans glycogénolyse, 2) émission d’un

signal autorisant le transporteur de glucose à importer le sucre à l’intérieur de la cellule et 3) transformation

du glucose en énergie (sous forme d’ATP) au moyen de la respiration cellulaire.

Glucokinase G6P phosphatase

Phosphorylase

+

+

-

-

Glucose + O2 -→ Energie + CO2

Respiration

+

Vaisseau sanguin

Hépatocyte

Transporteur membranaire

du glucose

Absorption du glucose

Enzymes de la glycogénogenèse stimulées, actives

+

-

Enzymes de la glycogénolyse

inhibées, inactives

1

3

1 2 3 Stimulation/inhibition

des enzymes

Augmentation du transport du

glucose

Consommation du glucose

Complexe insuline/récepteur

Baisse de la glycémie

Insuline

Augmentation du glycogène cellulaire

Glucose

G6P

Glycogène

Glycogène synthase

2 +

7

Au niveau des cellules musculaires, l’insuline stimule le transport du glucose, le

métabolisme du glucose et la synthèse de glycogène, tandis que dans les adipocytes, elle

amène la production de triglycérides [36]. C’est au niveau des muscles que la plus grande

partie du glucose en circulation sera entreposée.

Étant donné que la demi-vie de l’insuline est courte (5 à 8 min en raison du prélèvement

hépatique qui correspond à près de 50 % de l’insuline sécrétée), l’estimation du taux de

sécrétion de l’hormone peut également être effectuée par la quantification des C-peptides

(propeptide de l’insuline) en circulation.

Dans l'intervalle des prises alimentaires, la baisse de l'insuline amène le foie à libérer du

glucose de manière à veiller au bon fonctionnement des cellules du corps. En temps

normal, le glucose n’est pas présent dans l’urine, car lors de la filtration du sang par les

reins, ce dernier est réabsorbé par la circulation sanguine. Toutefois, si le taux de glucose

dans le sang arrivant aux reins est supérieur à 9 mmol/L, soit leur seuil de capacité

d’absorption, il y aura ainsi passage du glucose dans l’urine (glycosurie) [30]; cet état

pathologique est un signe de mauvaise régulation du glucose en amont.

1.1.1.1 Le diabète de type 2

Le diabète de type 2 survient lorsque l'organisme est incapable d'employer convenablement

l'insuline et/ou lorsque le pancréas produit de façon insuffisante l’insuline. Le glucose se

trouve alors mal absorbé par les cellules, et par conséquent, la glycémie se maintient au-

dessus des valeurs normales [37]. Le diabète de type 2 se manifeste habituellement chez les

personnes âgées de plus de 40 ans et généralement souffrant d’un surplus de poids bien

qu’aujourd’hui, des personnes de plus en plus jeunes, tels des enfants et des adolescents en

souffrent également [38]. Deux principaux phénomènes métaboliques sont impliqués dans

le développement du diabète de type 2, soit la résistance des cellules à l’insuline et les

défauts de sécrétion d’insuline.

8

La résistance à l’insuline est caractérisée par la diminution de la capacité de l’insuline à

stimuler l’entrée du glucose dans les cellules et à freiner la production de glucose par le foie

[39] même en présence de concentration normale de l’hormone. Cette situation provoque

ainsi une sécrétion d’insuline plasmatique anormalement élevée afin de compenser pour la

résistance à l’insuline et ainsi maintenir des valeurs de glycémie normale. La résistance à

l’action de l’insuline est présente chez la majorité des personnes diabétiques de type 2

(environ 90 %) [31], mais également chez la population non diabétique (20-25 %) [40].

Le tableau 1.1 expose les différents sites de résistance à l’insuline que peuvent présenter les

personnes atteintes de diabète de type 2. La plus importante se trouve au niveau de la perte

ou de la faiblesse du signal de transduction permettant l’entrée du glucose à l’intérieur de la

cellule. Également, une mutation à l’intérieur des gènes codant pour les récepteurs

d’insuline peut provoquer cette résistance, quoique cette situation soit plus rare.

Tableau 1.1 : Sites de résistance à l’insuline. Adapté de Dominiczak (2005) [35].

Site de résistance Possibles défectuosités Rôle envers diabète

Prérécepteur Molécule anormale, anticorps de récepteurs

d’insuline

Rare

Récepteur Diminution du nombre ou de l’affinité des

récepteurs d’insuline

Non important dans

le diabète

Postrécepteur Défectuosité dans le signal de transduction du

récepteur d’insuline due à de mauvaises

réactions de phosphorylation ou

d’inhibition/de réduction d’activités

enzymatiques

Site le plus probable

de résistance à

l’insuline

Transport du

glucose

Mauvaise translocation des transporteurs de

glucose vers la membrane cellulaire

Important

Différents facteurs génétiques et environnementaux, tels l’âge, la pratique régulière

d’activité physique, l’alimentation et certaines médications, peuvent également influencer

la sensibilité à l’insuline d’un individu [41].

9

Les défauts de sécrétion d’insuline sont, quant à eux, caractérisés par une dysfonction du

pancréas à sécréter l’insuline [42]. Des considérations d’ordre génétique peuvent être mises

en cause de même qu’une surexploitation de l’organe résultant à son insensibilité aux

variations du glucose dans le sang. Il est important de préciser que cette surexploitation du

pancréas est notamment un facteur en présence de résistance à l’insuline chronique.

Les causes du diabète de type 2 commencent à être mieux connues. Elles sont toutefois

nombreuses et dans bien des cas, c’est la combinaison de plusieurs facteurs qui déclenche

l’apparition de la maladie. Les principales mentionnées sont la prédisposition génétique,

l’embonpoint et le manque d’activité physique. Selon certaines études, l’alimentation riche

en matières grasses peut également constituer un facteur de risque au développement du

diabète de type 2 [31].

Lorsqu’une personne souffrant de diabète n’est pas bien traitée ni suivie, les chances de

complications sont élevées [37]. En fait, la présence d'une trop grande quantité de glucose

dans le sang peut entraîner plusieurs effets néfastes affectant principalement les reins

(néphropathie), les yeux (rétinopathie), le système neurologique (neuropathie), le cœur

(infarctus) et les vaisseaux sanguins (hypertension, artériosclérose, etc.) [31]. D’autres

facteurs, tels l'âge, l'hérédité, la durée du diabète et les habitudes de vie peuvent également

contribuer au développement de complications. Ainsi, un bon contrôle de la glycémie peut

retarder et parfois même diminuer l’effet des complications reliées au diabète de type 2 [31]

bien que la prise en charge du patient diabétique ne doit pas se limiter qu’à ces mesures ;

les complications associées au diabète doivent faire l’objet d’un suivi et d’un traitement

adéquats.

1.1.2. L’index glycémique

Le concept d’index glycémique (IG) a été proposé par un chercheur canadien, le Dr David

Jenkins, et ses collaborateurs en 1981 [43]. Ces derniers ont élaboré une manière de

classifier les aliments en fonction de l’élévation de la glycémie qu’ils procurent après leur

10

ingestion par rapport à un aliment de référence (habituellement du glucose ou du pain

blanc). Cela permet ainsi d’aider les personnes atteintes de diabète à mieux adapter leur

régime alimentaire pour mieux contrôler leur glycémie.

Plus précisément, l’IG est mesuré à partir de l’ingestion d’une portion de 50 g de glucides

disponibles dans un aliment donné par rapport à celle d’un aliment de référence dans les

mêmes proportions [44]. Il est important de mentionner que l’aliment de référence

détiendra une valeur arbitraire de 100 et qu’habituellement, le glucose est préféré au pain

blanc en raison des variations de fabrication du pain qui peuvent influencer la répétabilité

de l’expérience. La relation suivante traduit mathématiquement l’expression de l’index

glycémique :

IG = aire sous la courbe du glucose sanguin de l’aliment à l’étude

Plus un aliment entraînera la sécrétion d’insuline, plus il détiendra un IG élevé et sera

considéré comme hyperglycémiant [45]. Il est important de mentionner qu’un aliment peut

détenir différentes valeurs d’IG dépendamment des transformations qu’il a encourues. Par

exemple, plus la taille des particules de blé est petite, plus ces dernières auront un IG élevé.

Ainsi, un pain de blé (farine) possède un IG plus élevé que celui des pâtes alimentaires

(semoule). Il en est de même pour les différentes variétés d’un aliment [45].

Plus les aliments détiennent un haut IG, plus rapidement et plus intensément ils élèvent le

taux de glucose sanguin (voir tableau A de l’Appendice A). Cela demande ainsi au

pancréas une production accrue d’insuline pour gérer cette surdose de sucre. Les

conclusions de la métanalyse de Brand-Miller et collaborateurs, issue d’essais randomisés,

vont également en ce sens : l’adoption d’une diète riche en aliments à faible IG plutôt

qu’une diète promouvant les aliments à haut IG améliore le contrôle de la réponse

glycémique chez les personnes diabétiques [46, 47].

aire sous la courbe du glucose sanguin de l’aliment de référence x 100

11

1.2 Ingrédients pouvant présenter un effet sur les réponses

glycémique et insulinémique

Plusieurs ingrédients détiennent un potentiel à moduler la réponse glycémique et

insulinémique. Parmi ces derniers, on distingue certains extraits de plantes tels le ginseng

[1, 48, 49], le fenugrec [50, 51], la cannelle [50, 52] et le gymnéma sylvestre [50, 53, 54].

Ces produits font habituellement partie des médecines traditionnelles propres à leur pays

d’origine pour le traitement du diabète depuis plusieurs siècles.

Plusieurs composés phénoliques issus de plantes médicinales, comme le salacinol et le

kotalanol de Salacia Oblonga de même que la lutéoline de lonicera japonica, inhiberaient

l’activité des α-amylases ou α-glucosidases dans le petit intestin [55-57]. Également,

certaines protéines, comme celles issues des produits laitiers, de certains poissons et du

lactosérum, stimuleraient la sécrétion d’insuline et diminueraient la glycémie postprandiale

[58-60]. Enfin, les fibres alimentaires, plus particulièrement les fibres solubles,

moduleraient à leur tour la réponse glycémique et insulinémique [61]. Ces dernières

agiraient comme un filtre au niveau de l’intestin, ralentissant l’absorption des glucides en

raison de leur capacité à former des gels, lorsque mélangées à l’eau. Toutefois, leur

mécanisme d’action ne fait pas l’unanimité des chercheurs, car plusieurs paramètres

pourraient être mis en cause (voir section 1.3).

1.2.1 Les fibres alimentaires

Le terme fibre alimentaire fut défini la première fois par Hipsley en 1953 [62]. Depuis ce

temps, plusieurs révisions ont été effectuées quant à sa définition en raison de

l’accumulation de données scientifiques et technologiques. Selon Santé Canada, on entend

par fibres alimentaires tout constituant endogène de la substance végétale qui résiste à la

digestion par les enzymes sécrétées par les humains [63]. Toutefois, cette définition ne fait

pas l’unanimité. Celle donnée par l’American Association of Cereal Chemists est davantage

spécifique, car elle englobe toutes les substances comestibles d’une plante ou ses glucides

analogues résistants à la digestion et à l’absorption dans le petit intestin humain tout en

12

étant fermentescibles, complètement ou partiellement, dans le côlon [62]. De manière

générale, les oligosaccharides1 et les polysaccharides2 non amylacés, de même que la

lignine, sont les principaux constituants reconnus comme étant des fibres alimentaires.

On distingue deux classes de fibres alimentaires, en fonction de leur solubilité dans l’eau,

soit les fibres solubles et insolubles. Les fibres solubles regroupent plusieurs

polysaccharides comme les pectines, les gommes, les polysaccharides d’algues

(laminarane, fucoidane et alginate) [64], quelques hémicelluloses et plusieurs

polysaccharides de réserve (galactomannane, glucomannane, xyloglucan) [10, 65]. Ces

fibres sont reconnues pour leur capacité à retenir l’eau, à augmenter la viscosité, à fixer

certains minéraux et acides biliaires, en plus d’être fermentées par la microflore intestinale.

Les fibres insolubles sont, quant à elles, composées de la cellulose, de plusieurs

hémicelluloses de même que de la lignine [66]. Ces fibres sont essentiellement des

constituants structuraux des membranes cellulaires des végétaux et leur principal effet

physiologique est d’augmenter la masse fécale [10].

Les fibres alimentaires sont reconnues pour leurs propriétés technofonctionnelles en raison

de leur action épaississante et gélifiante de même que pour leurs effets physiologiques

spécifiques et systémiques. En plus de diminuer la réponse glycémique et insulinémique,

ces dernières sont bénéfiques pour le maintien de la santé intestinale [12, 67], la prévention

du développement des maladies cardio-vasculaires, tels l’hypertension et

l’hypercholestérolémie [68-71] de même que pour la régulation de l’appétit et la perte de

poids [72, 73].

Toutefois, lorsqu’elles sont utilisées à titre d’additif alimentaire, elles contribuent très peu à

l’apport en fibres alimentaires qui devrait, selon les apports nutritionnels de référence

(ANREF), être de 14 g/1000 kcal, soit environ 25 g/jour et 38 g/jour pour les femmes et les

1 Un oligosaccharide est un glucide complexe contenant entre 2 et 10 molécules de sucre simple 2 Un polysaccharide est un glucide à longue chaîne (plus de 10 molécules de sucre simple) ayant pour

fonction de subvenir au besoin énergétique de l’être vivant ou de participer à la formation des structures

organiques de ce dernier.

13

hommes de moins de 50 ans [74]. Pour les adultes de 50 ans et plus, l’apport recommandé

est de 30 g/jour pour les hommes et de 21 g/jour pour les femmes en raison de leur plus

faible apport énergétique. Malgré leur importance nutritionnelle, en Occident, la

consommation journalière se situe actuellement entre 16 et 19 g/jour pour les hommes et

entre 12 à 14 g/jour pour les femmes [72, 75]. Les causes de ce faible apport sont multiples,

mais les habitudes alimentaires propres à certains pays occidentaux en sont probablement

pour quelque chose.

1.3 Mécanismes d’actions proposés des fibres alimentaires pour

contrôler la réponse glycémique et insulinémique

Plusieurs mécanismes d’actions ont été proposés quant au contrôle du taux de glucose

sanguin par les fibres alimentaires solubles. Jenkins et son équipe ont été les premiers à

suggérer que la viscosité induite par les polysaccharides serait le facteur clé dans

l’abaissement de la réponse glycémique [76]. En fait, la viscosité agirait principalement à

deux niveaux, soit en ralentissant la vitesse de la vidange gastrique [76, 77] et en diminuant

l’absorption du glucose dans la lumière du petit intestin [5, 9, 78].

1.3.1 Effet au niveau stomacal

Certains chercheurs ont proposé que seul le ralentissement de la vidange gastrique

occasionne une diminution de la réponse glycémique [24, 77, 79, 80]. En fait, les fibres

alimentaires interagiraient avec les récepteurs du tractus gastro-intestinal, ce qui stimulerait

les nerfs afférents et modulerait la motilité gastrique [6]. Le passage des nutriments de

l’estomac vers la partie supérieure de l’intestin se trouverait alors ralenti, ce qui aurait pour

effet d’augmenter le temps d’absorption des sucres et d’abaisser le pic de glycémie.

Toutefois, cette théorie ne fait pas l’unanimité.

En fait, d’autres chercheurs ont démontré que la diminution de la vidange gastrique par

l’ajout d’agar ou de pectine (deux polysaccharides) à un repas aurait un effet substantiel sur

14

la réponse glycémique initiale (pour les 30 premières minutes), mais n’aurait aucun impact

sur la réponse glycémique totale des personnes en santé [81]. Ainsi, ces derniers, comme

plusieurs autres, sont d’avis que la réduction du taux de vidange gastrique ne peut être le

seul mécanisme expliquant la modulation de la réponse glycémique par les fibres

alimentaires [10, 22, 82].

Également, il semblerait qu’en dépit de l’augmentation de la viscosité apparente du contenu

gastrique après ingestion d’un aliment à haute consistance, l’augmentation de la viscosité

du chyme n’y serait pas proportionnelle. Des chercheurs ont démontré qu’une

augmentation de viscosité par un facteur 1000 ralentit le temps de vidange gastrique de

seulement 1,3 fois [83]. Cette faible réaction serait due aux importantes sécrétions

gastriques encourues de manière à réduire le temps de vidange gastrique [84, 85]. En fait,

plus la viscosité initiale de l’aliment est élevée, plus le volume des sécrétions gastriques

serait important [83, 86]. Ainsi, il est possible de croire que le ralentissement de la vidange

gastrique ne peut être le seul mécanisme d’action des fibres sur les réponses glycémique et

insulinémique.

1.3.2 Effet au niveau de la partie supérieure de l’intestin

Plusieurs chercheurs sont d’avis que les fibres alimentaires solubles diminuent l’absorption

des nutriments en augmentant la résistance aux mouvements de convection des contractions

intestinales en raison de la viscosité qu’ils induisent [10, 78, 87-89]. Cela aurait pour effet

de ralentir la diffusion du glucose vers l’épithélium intestinal [10]. De plus, elles

élèveraient la viscosité du mucus de la paroi intestinale, amplifiant d’autant plus l’efficacité

de la barrière de diffusion mucorale [10, 78, 88-91].

Même si le concept de viscosité reste le plus employé pour expliquer la modulation de la

réponse glycémique par les fibres alimentaires, certains chercheurs estiment que d’autres

mécanismes pourraient être impliqués dans le phénomène [5]. En fait, à l’aide d’un modèle

de digestion in vitro, utilisant un sac à dialyse imitant la diffusion passive intestinale, Ou et

15

collaborateurs ont observé que les fibres alimentaires insolubles, induisant de faibles

viscosités, réussissaient à légèrement diminuer la glycémie postprandiale comparativement

au contrôle exempt de fibres [5]. Ils ont également remarqué que le taux de diffusion du

glucose qui aurait dû diminuer dans le temps restait constant même après 60 minutes et que

la concentration finale de glucose dans le dialysat était différente entre le témoin et les

différentes fibres alimentaires.

Dans le même ordre d’idée, Cameron-Smith et collaborateurs ont démontré que la viscosité

intestinale mesurée chez des rats sous diète contrôlée enrichie en différentes fibres

alimentaires ne correspondait pas à la réponse glycémique attendue. Ils ont remarqué que la

diète induisant la plus forte viscosité ne générait pas nécessairement la plus forte

diminution de glycémie [85]. En contre partie, selon une étude réalisée sur un breuvage

enrichi en β-glucane d’avoine, la viscosité induite par les fibres serait responsable de 79 à

96 % du changement de la réponse glycémique et insulinémique lors de l’ingestion de 50 g

de glucide [92].

Ainsi, outre la possibilité de dilution par les sécrétions gastriques, ces observations peuvent

être reliées au fait que les fibres alimentaires possèderaient la capacité d’adsorber/lier le

glucose freinant l’activité des enzymes digestives [5, 78]. D’autres auteurs ont même

supposé que ces dernières interagiraient directement avec les enzymes digestives comme

l’α-amylase [5].

Il est important de souligner que les réactions physiologiques d’acidification et de

neutralisation, les constituants ioniques de l’intestin de même que les micro-organismes du

tractus gastro-intestinal peuvent également induire des changements dans la structure et le

poids moléculaire des polysaccharides, affectant possiblement la viscosité du contenu

stomacal et intestinal [22, 93]. Dans ce sens, plusieurs études ont observé une diminution

significative du poids moléculaire du β-glucane lors du passage de l’estomac vers le petit

intestin chez les animaux [93-95]. Ainsi, encore une fois, il est possible de croire que la

16

nature de la fibre alimentaire aurait un effet considérable sur la modulation de la réponse

glycémique [83, 96, 97].

1.3.3 Impact des fibres alimentaires sur l’index glycémique des aliments

Les fibres, plus particulièrement les fibres solubles, sont connues pour altérer la texture, la

structure et comme mentionné précédemment, la viscosité des aliments [98]. Par exemple,

une étude a démontré que l’enrichissement de pâtes alimentaires au blé durum en β-glucane

d’orge augmente la perte en solide et le gonflement des pâtes durant la cuisson et diminue

la fermeté de ces dernières comparativement au témoin [23]. La gomme de guar, quant à

elle, améliore le volume et la texture du pain issu de pâtes congelées ou non [99]. Ainsi, les

fibres alimentaires peuvent modifier la disponibilité des granules d’amidon et par

conséquent, leur digestion [92, 98, 100]. En ce sens, des études ont démontré que

l’enrichissement de pain blanc avec 5 % de β-glucane et le remplacement de 25 % de la

farine de blé des pâtes alimentaires par une fraction riche en fibre de ß-glucane d’orge

diminuaient significativement le taux de libération de sucres réducteurs lors d’une digestion

in vitro [101, 102].

Les fibres alimentaires ne détiennent pas de valeur d’IG, car elles ne contiennent aucun

glucide disponible [75]. Toutefois, elles seraient aptes à diminuer l’IG des aliments. Selon

une étude randomisée chassée croisée, l’incorporation de β-glucane diminue de 3,8 ± 0,5

unité/g de β-glucane l’IG de l’aliment lors de l’ingestion de 50 g de glucide [20]. De plus,

deux études de cohorte ont démontré qu’il existait un lien entre l’IG et le risque de

développer le diabète de type 2 [103, 104]. En fait, une diète à IG élevé (165) et à faible

teneur en fibres (< 2,5 g/jour) double les risques de développer le diabète de type 2

comparativement à la consommation de plus de 5,8 g/jour de fibres céréalières combinée à

une diète à faible IG (< 143) [103, 105].

17

1.3.4 Impact des fibres alimentaires sur la satiété et le contrôle du poids

corporel

Comme mentionné précédemment, les fibres alimentaires ne sont pas digestibles par les

enzymes humaines. Ainsi, elles se retrouvent presque intactes dans le côlon où près de

40 % d’entre elles sont fermentées par les enzymes des bactéries de la flore intestinale [72].

Les produits de leur fermentation sont principalement les acides gras volatils à courte

chaîne tels l’acétate, le propionate et le butyrate. Ces derniers, une fois produits, sont

absorbés et utilisés à titre de carburant.

En raison de la faible génération d’énergie par poids de même qu’à leur capacité de

rétention d’eau, les fibres alimentaires diminuent la densité énergétique des diètes [72]. Des

études ont démontré que pour un même poids, la consommation d’aliment à plus faible

densité d’énergie augmente la satiété et diminue l’apport énergétique pouvant mener au

contrôle du poids corporel [106-110]. Ainsi, par leur faible valeur calorique les fibres

alimentaires promeuvent la satiété. Également, ces acides à courte chaîne peuvent

influencer l’homéostasie du glucose de différentes manières [109]. En fait, il semblerait que

ces derniers diminuent la production hépatique de glucose de même que la concentration en

acides gras à courte chaine en circulation [109, 111] et stimulerait la production de

glucagon-like peptide-1 (GLP-1)3 [109, 112]. Ces réactions auraient pour effet de modifier

la sécrétion et la sensibilité à l'insuline de même que la régulation de la satiété [109].

D’autre part, plusieurs études sont d’avis que la viscosité induite par les fibres alimentaires

serait très importante dans la modulation des sensations d’appétit [113, 114].

Premièrement, il a été suggéré que la viscosité augmente la distension gastrique ce qui

déclencherait l’émission de signaux vagaux afférant induisant la plénitude. Cela aurait pour

effet de favoriser plus rapidement l’arrêt de la prise alimentaire lors des repas et de

prolonger la sensation de rassasiement dans l’intervalle des prises alimentaires [72].

3 Hormone qui diminue l’appétit et la prise alimentaire

18

Deuxièmement, le ralentissement de la vidange gastrique et la diminution du taux

d’absorption du glucose occasionnés par la viscosité des fibres prolongent le temps de

contact des nutriments avec les récepteurs de la paroi distale de l’intestin grêle. Cela peut

ainsi modifier la sécrétion de certaines hormones et peptides entérodigestifs impliqués dans

l’homéostasie du glucose et la régulation de l’appétit [108, 109]. En fait, plusieurs études

ont démontré que la consommation de fibres alimentaires stimule la libération de molécules

anorexigènes tels les cholécytokinines, le GPL-1 et le peptide YY agissant comme facteur

de satiété [113, 115, 116] et diminue la production de molécules orexigènes telle la ghréline

[116, 117].

Enfin, la réduction proprement dite des concentrations sanguines en glucose et en insuline

occasionnée par l’augmentation de la viscosité du tractus gastro-intestinal aurait également

pour effet de ralentir le retour du signal de la faim prolongeant l’état de satiété [108, 117].

Ainsi, la viscosité induite par les fibres alimentaires agirait sur plusieurs mécanismes pour

induire la satiété et favoriser le contrôle du poids corporel.

1.4 Les fibres alimentaires ayant potentiellement un effet sur la

réponse glycémique et insulinémique

Le tableau 1.2 de la page suivante illustre les changements de l’aire sous les courbes de

glucose et d’insuline sanguins suite à la consommation de différentes fibres alimentaires.

À l’aide de ce dernier, il est possible de remarquer que le β-glucane et la gomme de guar

semblent être les polysaccharides les plus étudiés et les plus concluants par rapport à la

modulation de la réponse glycémique. À l’opposé, la gomme de caroube, la pectine et le

son de blé ne semblent pas induire de différences significatives par rapport au témoin. Une

cause possible de la faible efficacité de la pectine serait reliée à son instabilité à 37 °C [87].

19

Tableau 1.2 : Changement de l’aire sous la courbe de glucose et d’insuline sanguins suite

à la consommation de fibres alimentaires. Adapté de Wolever et Jenkins (2001) [44].

Aliments Changement de l’aire sous la courbe c

Fibre a

(g)

Source de glucide

(g)

Sujetb Glycémie

(%)

Insulinémie

(%)

Réf.

BgA 1,8 50 Glucose (breuvage 500 mL) N * ** [92]

BgA 3,0 50 Musil, yogourt, pain blanc N ns ns [118]

BgA 3,6 50 Glucose (breuvage 500 mL) N * ** [92]

BgA 4,0 50 Musil, yogourt, pain blanc N ** *** [118]

BgA 6,2 50 Barre tendre D * [20]

BgA 7,2 50 Glucose (breuvage 500mL) N * ** [92]

BgA 7,3 50 Céréale à déjeuner D * [20]

BgO 3,5 40 Biscuits N * * [119]

C 2,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns ns [22]

G 2,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns *** [22]

G 2,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N * ** [82]

G 5,0 50 Glucose (breuvage 330mL) N ns + [120]

G 5,0 50 Glucose (breuvage 330 mL) N ** [121]

G 9,0 50 Glucose (breuvage 330 mL) N * [120]

G 14,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ** ** [82]

G 14,5 50 Glucose (breuvage 400 mL) N * *** [76]

G 14,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ** ** [122]

P 14,5 50 Glucose (breuvage 400 mL) N ns ns [76]

P 14,5 50 Glucose (breuvage 200 mL) N + [77]

S (Fybogel) 3,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns ns [82]

S (Fybogel) 7,0 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns ns [82]

S (Metamucil) 7,0 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns [82]

S (Fybogel) 7,0 50 Glucose (breuvage 250 mL) D ns ns [82]

W 41,5 50 Glucose (breuvage 400 mL) N ns ns [76]

Légende : BgA : β-glucane d’avoine, C : gomme de caroube, G : gomme de guar, P : pectine, W : son de

blé, S : psyllium, N : tolérance au glucose normale, D : diabétique type 2, * : (p < 0,05), + : (p < 0,025),

** : (p < 0,01), ++ : (p < 0,005), +++ : (p < 0,002), *** : (p < 0,001), ns : non significatif à 0,05%

20

Pour le son de blé et le psyllium, leur faible induction de viscosité serait en cause tandis

que pour la gomme de caroube aucune étude n’explique clairement l’origine de son faible

effet sur la réponse glycémique.

Il est également intéressant de souligner que le konjac-mannane (glucomannane) est une

autre fibre au potentiel hypoglycémiant à court [123] et long terme [123, 124]. Sa grande

viscosité semble prometteuse pour réduire la réponse glycémique et insulinémique.

Une attention particulière sera portée sur les β-glucanes d’avoine et d’orge, la gomme de

guar de même que sur le konjac-mannane pour la suite de ce chapitre.

1.4.1 Les β-glucanes céréaliers

1.4.1.1 L’origine

Le β-glucane céréalier est un polysaccharide linéaire issu de la paroi cellulaire de

l’endosperme de plusieurs céréales et lichens. Il est présent en quantité appréciable dans

l’orge (3 à 11 %) et l’avoine (3 à 7 %) et en moindre proportion dans le blé (0,5 à 1 %) et le

seigle (1 à 2 %) [125, 126]. Le β-glucane possède un bon nombre de fonctionnalités et de

rôles autant à titre de composant de la paroi cellulaire végétale que de fibre alimentaire

soluble dans le corps humain [127].

1.4.1.2 La structure

Le β-glucane céréalier est composé de glucose, plus particulièrement d’unités D-glucose,

lié en β-(1→3) et en β-(1→4) (Figure 1.4). Ce sont ses liens bêta qui le rendent non

digestible par les enzymes du tractus gastro-intestinal [128].

21

Figure 1.4 : Structure moléculaire globale du β-glucane et ses résidus issus de la

lichenase4; les pointillés indiquent les sites d’hydrolyse du polysaccharide. G :

unité β-d-glucopyranose; DP3 : 3-O-β-cellobiose-d-glucose; DP4 : 3-O-β-cellotriose-d-glucose;

DP/5 : oligocellodextrine comprenant plus de 3 liaisons en β-(1→4). [129].

Les liaisons en β-(1→3) se présentent séparément tandis que celles en β-(1→4)

apparaissent généralement en séquences de 2 (58 à 72 % de la molécule) appelées

cellotriosose ou 3 (20 à 34 % de la molécule), appelées cellotétraose, bien que des

séquences consécutives de 4 à 14 unités de β-(1→4)-glucose ont été rapportées par certains

auteurs [126, 129-132] (Figure 1.4).

Il est connu que le ratio cellotriose sur cellotétraose influence grandement les propriétés

rhéologiques et de solubilité des solutions aqueuses du β-glucane (voir section 1.5.1) [26].

Cela est dû aux liaisons en β-(1→3) qui confèrent des coudes à la structure permettant aux

molécules hydrosolubles de former des ponts hydrogène avec les résidus hydroxyles des

sous-unités β-glucosidiques [26]. Ainsi, plus le ratio cellotriose sur cellotétraose sera faible,

moins le β-glucane sera soluble. De ces faits, le β-glucane d’orge possède une plus grande

solubilité comparativement à celle provenant de l’avoine, car ce dernier possède un ratio

trisaccharide sur tétrasaccharide plus élevé (2,3 à 2,6 comparativement à 1,2 à 1,8) [26,

131].

4 La lichenase aussi connu sous le nom de 1,3-1,4-β-D-glucanase est une enzyme qui coupe les liens β-(1→4)

adjacents à ceux en β-(1→3) des molécules de glucan.

22

Dans la littérature, une vaste gamme de poids moléculaire (20 à 300 kDa) est rapportée

pour les β-glucanes d’orge et d’avoine [126, 131, 133]. Ces divergences entre les auteurs

sont dues à de nombreux facteurs, comme le type de cultivar, le milieu de culture ainsi que

les méthodes d’extraction (choix du solvant, pH, température, présence d’enzymes

endogènes, cisaillement durant le traitement) qui varient entre les études et qui ont tous une

incidence sur la valeur moyenne du poids moléculaire du β-glucane utilisé [126, 134].

1.4.1.3 Effet sur la réponse glycémique et insulinémique

Les β-glucanes céréaliers seraient bénéfiques autant dans les formulations alimentaires que

sous forme de supplément [10, 11, 47, 92, 127, 135-139]. Wood et collaborateurs (1994)

ont vérifié l’effet de la concentration du β-glucane d’avoine sur la réponse glycémique [92].

L’étude a démontré que la consommation de 6g de β-glucane représentait la dose-réponse

optimale (atteinte d’un plateau) lors de l’ingestion d’un breuvage contenant 50 g de

glucide.

Wood (2004) a également établi une relation entre la viscosité induite par le β-glucane

d’avoine et sa réponse glycémique [11]. Pour que le polysaccharide arrive à diminuer la

concentration sanguine de glucose de 0,3 mmol/L après l’ingestion d’un breuvage de 50 g

de glucose, ce dernier doit induire une viscosité, à 30 s-1 25 °C, se situant entre 0,1 et

1,0 Pa*s. De plus, afin d’exprimer la réponse glycémique et insulinémique en terme de

concentration et de poids moléculaire, Wood et collaborateurs (2000) [138] a trouvé la

relation mathématique suivante valable pour les aliments liquides :

ΔG = 7,93 – 0,68 log10 (c) – 1,01 log10 (Mw) [138]

(R2 = 0,88; p < 0,05)

où ΔG représente le changement du pic de glycémie, c la concentration

en β-glucane d’avoine et Mw la masse moléculaire moyenne en poids du

polysaccharide.

23

Dans les aliments solides comme les barres de céréales, le gruau et les pâtes alimentaires, il

a été démontré que 73 % de la bioactivité du β-glucane d’avoine sur la diminution du pic de

glucose sanguin serait expliquée par la relation MP x c où MP représente le pic du poids

moléculaire du β-glucane et c la concentration du polysaccharide dans l’aliment [140]. Ces

données s’avèrent fortement utiles lors du développement de produits fonctionnels enrichis

en β-glucane.

1.4.1.4 La réglementation

Au Canada, les β-glucanes d'orge et d'avoine ne sont reconnus qu’à titre de fibres nouvelles

[141]. Il est actuellement interdit de les considérer comme un ingrédient ou comme une

source de fibre. Pour arriver à de tels qualificatifs, ces derniers doivent faire l'objet d'un

examen de la part de Santé Canada [141]. Aux États-Unis, la réglementation est davantage

permissive. La Food and Drug Administration (FDA) a autorisé, en 1997, une allégation de

santé des produits à base d’avoine, stipulant qu’ils peuvent prévenir le risque de développer

des maladies cardiaques. En 2005, elle en a fait de même pour le β-glucane d’orge [129].

1.4.2 La gomme de guar

1.4.2.1 L’origine

Les fèves de guar sont des légumes produits par Cyamopsis tetragonoloba, particulièrement

cultivées en Inde et au Pakistan. Les grains de guar sont dotés d’un large endosperme

contenant de la gomme de galactomannane ou gomme de guar [142]. Les formes

commerciales de cette dernière contiennent habituellement entre 80 à 85 % de

polysaccharide, 10 à 14 % d’humidité, 3 à 5 % de protéines, 1 à 2 % de fibres, 0,5 % à

1,0 % de minéraux et 0,4 à 1,0 % de lipides [143]. La gomme de guar est vendue sous

forme de poudre de diverses puretés et formes particulaires.

24


La gomme de guar est un polysaccharide linéaire neutre composé de chaines de monomères

de D-mannose reliées en β-(1→4), lesquelles sont ramifiées par un pont oxygène en

position 6 avec une unité d’α-D-galactose (Figure 1.5). Le ratio entre le mannose et le

galactose est approximativement 1,6 :1 [144] bien que cette proportion est susceptible de

varier selon la source et la méthode d’extraction utilisées [145].

La distribution des unités de galactose sur la chaine principale n’est pas uniforme; il y a des

zones sans ramification (smooth region) et d’autres où chaque mannose se trouve ramifié

d’un galactose (hairy region) [28, 146, 147]. En raison de leur caractère neutre, les

interactions entre les galactomannanes, ensemble ou avec d’autres polysaccharides, sont

possibles et facilitées par la présence de zones sans ramification [28, 143, 147].

Figure 1.5 : Structure moléculaire d’un galactomannane. [145]

La gomme de guar est soluble à basse température et elle est capable d’induire de fortes

viscosités, même lorsqu’elle est employée en faible concentration [28]. Cette propriété est

due à ses longues et rigides chaines moléculaires qui ont un grand volume hydrodynamique

(qui prend beaucoup d’espace dans le milieu aqueux) [143]. Généralement, la moitié de la

viscosité finale est obtenue après 10 à 15 minutes d’agitation sans chauffage. Environ une

heure d’agitation est cependant nécessaire pour permettre à la gomme de guar de

25

développer toute sa viscosité [143]. Le poids moléculaire moyen de la gomme de guar peut

varier entre 440 à 650 kDa en fonction de la longueur des chaînes [28].


La gomme de guar comme les β-glucanes céréaliers est très étudiée pour son effet sur la

réponse glycémique [7, 76, 82, 87, 122, 136, 148, 149] et insulinémique [76, 82, 150]. Elle

serait autant efficace sous forme de supplément qu’à titre d’ingrédient dans les formulations

alimentaires. L’avantage de ce polysaccharide est qu’il présenterait une plus grande

viscosité que les autres gommes lors de l’acidification et de l’alcalinisation freinant

d’autant plus l’absorption des glucides dans la circulation sanguine [87].


La gomme de guar est permise au Canada et aux États-Unis, à titre d’additif alimentaire

autorisé comme émulsifiant, agent gélatinisant, stabilisant ou épaississant [151].

1.4.3 Le konjac-mannane (glucomannane)

1.4.3.1 L’origine

Le glucomannane issu des tubercules des racines de l’Amorphophallus konjac K. Koch est

un polysaccharide commercialement nommé konjac-mannane ou konjac glucomannane

[152]. L’Amorphophallus est cultivé en Extrême-Orient depuis plusieurs centaines

d’années et il est utilisé dans la cuisine japonaise traditionnelle, principalement pour faire

des nouilles et des gels stables dans l’eau bouillante [153]. Le konjac-mannane a

récemment été introduit aux États-Unis et en Europe comme additif alimentaire [153]. Les

applications technofonctionnelles et les bénéfices pour la santé de ce dernier sont nombreux

et, selon Doi (1995), elles seraient similaires à celles de la gomme de guar.

26


Le glucomannane est un polysaccharide linéaire neutre, constitué de glucose et de mannose

reliés en β-(1→4) [154]. Le ratio entre le mannose et le glucose est de 1,6 : 1 avec

approximativement 1 sur 19 unités de sucre acétylées en C6 (Figure 1.6) [154-158].

Figure 1.6 : Structure moléculaire du konjac-mannane. [156]

La solubilité du konjac-mannane est conférée par les groupements acétylés, de même que

par les ramifications de la chaine moléculaire principale [25]. La déacétylation de ces unités

peut être obtenue par un traitement en milieu alcalin [159]. La séquence exacte de

répétition du glucose et du mannose demeure encore incertaine [159]. Plusieurs

propositions de structures ont été faites :

1. G–G–M–M–M–M–G–M– ou G–G–M–G–M–M–M–M [160]

2. M–M–M–G–G– ou G–G–M–M–G–M–M–M–M–M–G–G–M [161]

3. G–M–G–M2–G–M3–G2–M–G2–M2–G2–M3–G2–M4–G2–M5 [155]

La position des ramifications sur la chaine principale ne fait pas l’objet d’un consensus

dans la communauté scientifique [156]. Plusieurs considèrent que les embranchements se

situent à la position C3 des résidus mannose [160] ou en C3 des résidus mannose et glucose

[161, 162] alors que d’autres estiment plutôt qu’ils sont positionnés en C6 sur les résidus

glucose [155].

27

Le konjac-mannane est le polysaccharide qui induirait la viscosité la plus élevée de toutes

les fibres solubles connue [1]. Une solution de 1 % de ce polysaccharide serait 10 fois plus

visqueuse qu’une solution, dans les mêmes proportions, de gomme de guar et 100 fois plus

visqueuse qu’une solution de pectine [13]. Le maximum de viscosité serait obtenu en

mélangeant à haute vitesse pendant deux heures [159].

Le poids moléculaire moyen du konjac-mannane peut différer selon la variété de la plante,

le lieu de culture de même que la méthode de préparation; il est généralement de l’ordre de

1000 kDa [159].


Comme mentionné précédemment, le konjac-mannane (glucomannane) diminuerait la

glycémie et l’insulinémie à court [123] et long terme [123, 124]. Pour présenter ses effets,

la consommation d’environ 4 à 5 g de konjac-mannane avant [163] ou pendant les repas

(mélangé à un liquide ou incorporé dans la formulation d’un aliment ou tout simplement

sous forme de supplément) [13, 152, 164] serait adéquate. À ces doses, une réduction de

50 % de la réponse insulinémique serait encourue [13]. D’autre part, une étude a démontré

que la consommation d’une dose aussi faible que 1 g de konjac-mannane purifié 30 min

avant un test oral de tolérance au glucose (75 g) arriverait à diminuer significativement de

10 % la glycémie postprandiale par rapport au traitement placébo.


Il est important de faire la distinction entre la farine de konjac et le polysaccharide nommé

konjac-mannane. La farine de konjac fait partie de la liste du Food Chemical Codex qui

autorise son incorporation aux États-Unis à titre d’agent gélifiant, épaississant, émulsifiant,

stabilisant de même que dans la formation de films [159]. Le département américain

d’agriculture accepte également son incorporation dans les produits de viande et de volaille

à titre d’agent liant depuis 1996.

28

Le konjac-mannane, quant à lui, est reconnu comme étant GRAS (generally recognised as

safe) aux États-Unis depuis 1994 [159]. Au Canada, il détient le statut de nouvel aliment

[1] et en Suède il est reconnu pour son habileté à réduire le cholestérol sanguin et accepté

dans la formulation d’aliments fonctionnels [159].

1.5 Facteurs influençant la viscosité

La viscosité est une mesure rhéologique qui exprime la résistance à l’écoulement lorsqu’un

fluide est soumis à une force de cisaillement [30]. En fait, cette résistance sera fonction du

comportement viscosimétrique de la substance à l’étude. Les principaux types de

comportement viscosimétrique dans les formulations alimentaires sont les écoulements

newtonien, pseudoplastique et viscoélastique.

Un fluide détient un écoulement newtonien lorsque sa viscosité demeure constante peu

importe le taux de cisaillement appliquée. L’eau, l’huile et les solutions contenant des

composés à faible poids moléculaire (sucres et alcools) en sont de bons exemples [165].

Toutefois, la majorité des solutions de polysaccharides, aux concentrations utilisées dans

les formulations alimentaires, détiendront un comportement non-newtionien, c’est-à-dire

pseudoplastique ou viscoélastique. L’écoulement d’une substance est pseudoplastique

lorsque la viscosité de cette dernière diminue avec l’augmentation de la force de

cisaillement. Ce phénomène est relié à l’orientation progressive des macromolécules dans

le sens de l’écoulement qui facilite la mobilité de ces dernières. L’écoulement

viscoélastique est, quant à lui, caractérisé par la présence d’un seuil d’écoulement. Pour que

le fluide s’écoule, une force de cisaillement initiale doit être appliquée sans quoi le fluide

reste immobile. Lorsque le seuil d’écoulement est atteint, la viscosité du fluide diminue

avec l’augmentation de la force de cisaillement comme les substances pseudoplastiques.

Les molécules à structure peu déployée et peu déformable sont responsables de ce

comportement. Dans les vinaigrettes et les sauces, ce type de comportement est recherché,

car il assure le maintien des particules en suspension.

29

Deux principaux facteurs influencent l’induction de viscosité d’un ingrédient : les facteurs

intrinsèques (liés à l’ingrédient) et extrinsèques (liés aux conditions environnementales).

1.5.1 Facteurs intrinsèques

Une des caractéristiques les plus importantes à vérifier est la capacité de la substance à être

hydratée, car l’hydratation est l’étape préalable à l’induction de viscosité. Cette propriété

est grandement dépendante de la structure et de la composition de cette dernière. Par

exemple, deux polymères de glucose, le β-glucane et la cellulose, présentent des solubilités

différentes. Comme mentionné précédemment (voir section 1.4.1.2), les liaisons en β-

(1→3) du β-glucane facilitent son hydratation ce qui le rend plus soluble comparativement

à la cellulose qui en est dépourvue.

Le poids moléculaire est un autre paramètre important à considérer lors de l’induction de

viscosité. De manière générale, pour un même poids moléculaire, plus la structure de

l’hydrocolloïde5 sera ramifiée, moins il occupera d’espace. Ainsi, les interactions entre ce

dernier et les autres constituants seront favorisées ce qui a pour effet de restreindre

l’induction de viscosité comparativement à un hydrocolloïde à structure linéaire. Dans cette

optique, Burkus et Temelli (2005) ont remarqué que le β-glucane d’avoine induisait une

plus grande viscosité comparativement à son homologue issu de l’orge. Cela serait dû à ses

chaînes moléculaires plus longues en raison d’un ratio cellotriose sur cellotétraose6 plus

faible [128]. Toutefois, il semblerait que, pour un même poids moléculaire, les β-glucanes

issus de ces deux céréales se comporteraient de manière similaire [128].

Pour une même concentration en polysaccharides, plus le poids moléculaire du composé est

faible, moins la solution sera visqueuse. Plusieurs facteurs vont influencer le poids

moléculaire d’un constituant comme le type de cultivar, le milieu de culture ainsi que les

méthodes d’extraction (choix du solvant, pH, température, présence d’enzymes endogènes,

5 Un hydrocolloïde est une macromolécule dispersée dans l’eau (Office québécois de la langue française,

2010) 6 Voir section 1.4.1.2

30

cisaillement durant le traitement). Des chercheurs ont démontré que l’extraction

enzymatique du β-glucane comparativement à celle en milieu aqueux procurait une plus

grande viscosité se traduisant par une amélioration plus importante du contrôle du glucose

sanguin [9]. Ce phénomène serait occasionné par une meilleure préservation des propriétés

physico-chimiques du β-glucane natif en raison d’une désactivation plus efficace des

enzymes endogènes telles les cellulases et les β-glucanases. De manière générale, plus

l’extraction est poussée (génère un haut rendement), plus le poids moléculaire sera faible.

1.5.2 Facteurs extrinsèques

La température, le pH, la concentration en hydrocolloïde de même que celle en sels et en

sucre sont tous des paramètres qui peuvent jouer un rôle sur la viscosité. Plus

particulièrement, une augmentation de température diminue la viscosité du milieu en raison

des bris de liaisons de faibles énergies. Ces changements de viscosité sont généralement

réversibles [128]. Toutefois, pour le konjac-mannane, la viscosité d’une solution chauffée

puis refroidie sera plus faible que la viscosité initiale [153].

Habituellement, plus la concentration en hydrocolloïde augmente, plus la viscosité induite

sera élevée. Cette augmentation en concentration peut également influencer le

comportement rhéologique de certain hydrocolloïde en solution. C’est le cas notamment

des β-glucanes céréaliers. En fait, à faible concentration, ces polysaccharides détiennent un

comportement newtonien tandis qu’à concentration plus élevée, un comportement

pseudoplastique est davantage observé [166].

Le pH et la concentration en sels peuvent, à leur tour, moduler la solubilité des

polysaccharides surtout s’ils sont chargés. Des phénomènes de salting in et salting out

peuvent se présenter et favoriser ou non l’induction de viscosité. Pour le konjac-mannane,

la concentration en sel n’influence pas la viscosité de la solution, contrairement au pH

[153]. Ainsi, à une température identique, l’induction de la viscosité dépend de la

concentration et du poids moléculaire du polysaccharide.

31

La présence de sucre favorise le développement de consistance jusqu’à un seuil maximal.

Une étude a observée que l’addition de 20 à 45 % de sucrose augmente la viscosité d’une

solution de β-glucane, mais qu’une concentration de 65 % la restreignait. Cela serait dû à la

limitation d’hydratation et d’expansion du polymère dans la solution [166].

Les paramètres physiologiques sont également d’importants facteurs à prendre en

considération. Comme mentionnés précédemment, le pH et les sécrétions physiologiques

auraient une influence sur la viscosité, mais il semblerait que l’effet des sécrétions soit plus

prononcé que celui du pH [85].

Enfin, l’état physique de l’aliment dans lequel les fibres alimentaires sont incorporées peut,

à son tour, influencer la viscosité. Plus les fibres sont rapidement hydratées, plus la

viscosité induite sera forte tandis qu’une hydratation trop lente ou partielle n’induira pas

assez de viscosité dans l’estomac pour affecter la réponse glycémique. Cela pourrait

constituer une explication au fait que certains chercheurs n’aient pas observé d’atténuation

de la réponse glycémique lors de l’ingestion de biscuit et de pain supplémenté de gomme

de guar comparativement à des solutions contenant les mêmes quantités de ce

polysaccharide [7, 150]. En fait, selon Wolever et collaborateurs, la gomme de guar serait

cliniquement plus efficace lorsqu’elle est incorporée dans un aliment liquide plutôt qu’un

aliment solide [7].

1.6 Effet des procédés de transformation et d’entreposage sur le

potentiel hypoglycémiant des fibres

Lors de la confection d’un aliment enrichi en fibres alimentaires, il est important d’avoir à

l’esprit que les procédés de transformation et d’entreposage peuvent influencer les

propriétés moléculaires (degré de polymérisation), structurales (interactions moléculaires)

et fonctionnelles (viscosité, rétention d’eau et solubilité) des fibres dépendamment des

conditions et des méthodes employées [167]. Le tableau 1.3 de la page suivante illustre

32

l’effet de différents procédés de transformation sur le poids moléculaire, la solubilité et la

concentration en β-glucane dans les aliments transformés.

Tableau 1.3 : Effet de différents procédés de transformation sur le poids moléculaire, la

solubilité et le taux de β-glucane dans les aliments transformésa. Adapté de Tiwari et

Cummins (2009) [167].

Procédés Mw S ou E [Bg] Ref.

Mouture (↑) (↓)b (↑) (↓)b (↑) (↓)b [168]

Entreposage (↓) (↓) [90]

Germination (↓) (↑) (↓) [169]

Maltage (↓) (↓) [170]

Fermentation

(↑)

(↓) [171]

[172]

Extrusion (~) (↓) [173]

Traitement thermique (↑) [174]

Traitement thermique à la vapeur (↓)

(↑) [173]

Radiation (↑) [175]

Cuisson au four (↓)

(↓)

(↑)

[168, 176]

[90]

Congélation (~) (↓) [90]

Cuisson de pâte alimentaire (~) [137]

Cuisson de gruau (~) (~) [177]

Cuisson (↑) [178]

Cuisson par pression (orge boulgour) (↑) [179]

Cuisson en atmosphère saturée

(autoclavage de plat d’orge)

(↓) [180]

a : augmentation (↑) ; diminution (↓) ; pas de changement (~).

b : varie en fonction de l’intensité du procédé

Légende : Mw : Poids moléculaire; S : solubilité; E : extractabilité; [Bg] : concentration en β-glucane.

33

Ainsi, par ces changements, les procédés de transformation affectent la bioactivité des

fibres en augmentant leur disponibilité (cuisson et extraction) ou en réduisant leur poids

moléculaire (hydrolyse, broyage, agitation et pompage) [129, 167, 173]. Tosh et

collaborateurs (2008) a démontré que l’effet des muffins enrichis en β-glucane sur la

réponse glycémique diminuait avec la réduction du poids moléculaire du polysaccharide

[181]. Également, des études effectuées sur la gomme de guar et le β-glucane d’avoine ont

démontré que l’hydrolyse acide ou enzymatique des polysaccharides atténue leur effet sur

la réponse glycémique [9, 76, 116].

Ainsi, avant de conclure sur l’effet potentiel des fibres alimentaires à diminuer la réponse

glycémique, il est souhaitable de porter attention à toutes les interactions possiblement

encourues lors de leur transformation [44]. La présence d’antinutriments (phytates,

lécithines, tannins, inhibiteurs d’enzymes), les interactions entre macronutriments

(complexes protéine-amidon et amidon-lipide), le rapport amylose sur amylopectine de

l’amidon, l’intensité du traitement thermique appliqué, la taille et la forme des particules

ingérées sont d’autres exemples de facteurs qui, en combinaison avec les fibres, peuvent

influencer l’effet hypoglycémiant [44, 182].

1.7 Synergie de viscosité entre les polysaccharides

La combinaison de polysaccharides est souvent recherchée pour des considérations d’ordre

économique, organoleptique (texture, effet en bouche) et de disponibilité. Le fait de

mélanger deux polysaccharides dans une solution aqueuse entraîne des interactions

intermoléculaires entre les régions linéaires d’un même polysaccharide, les régions

linéaires des polysaccharides anioniques affectés par la présence de cations divalents et les

régions linéaires des deux différents polysaccharides [26]. Toutefois, la force de

l’interaction entre les composés dépend des ratios, mais également de la concentration

totale des composés [183].

34

Pour vérifier si deux substances présentent des effets synergétiques ou antagonistes, il est

courant de mesurer la viscosité du mélange et des composés seuls. En fait, lorsque le

mélange procure une plus grande viscosité que la somme des viscosités de chaque

constituant séparément, la situation est caractérisée de synergisme et dans le cas contraire,

d’antagonisme [26]. Quelques auteurs ont étudié l’effet de synergie de viscosité du β-

glucane, de la gomme de guar et du konjac-mannane. Le tableau 1.4 illustre les

combinaisons de polysaccharides à l’étude.

Tableau 1.4 : Mélanges binaires de polysaccharides présentant une

synergie de viscosité.

Mélanges Références

β-glucane et carboxyméthylcellulose [26]

β-glucane et λ-carraghénane† [26]

β-glucane et gomme xanthane [26, 29]

Gomme d’avoine et gomme de caroube [183]

Gomme de guar et carboxyméthylcellulose [28]

Gomme de guar et gomme xanthane [184]

Konjac-mannane et κ-carraghénane [185]

Konjac-mannane et gomme xanthane [25, 186, 187]

† : Synergie de viscosité dépendante des concentrations finales en polysaccharides

Ghotra a évalué la stabilité dans le temps à température ambiante du β-glucane d’orge en

mélange avec d’autres polysaccharides, tels la gomme xanthane, la gomme de caroube, le

konjac-mannane, la pectine LM, la pectine HM, les carraghénanes (λ, κ, ι), la gomme

arabique, l’alginate de sodium, la cellulose microcristalline et la carboxylméthylcellulose à

deux concentrations finales (0,5 et 0,75 %) [26]. Il a été démontré que le mélange de β-

glucane et de gomme xanthane était le seul à rester stable (aucun dépôt ni séparation de

phase visible) durant les 12 semaines d’expérimentation. De plus, lorsqu’évalué dans un

breuvage non pasteurisé, le mélange de β-glucane et de gomme xanthane a présenté, après

12 semaines, la plus faible perte de viscosité comparativement aux polysaccharides seuls

[26]. De ces faits, il a été proposé que la grande stabilité de la gomme xanthane dans les

35

environnements acides et son interaction avec le β-glucane d’orge soit à l’origine de

l’équilibre physico-chimique du mélange [26].

Également, Paquin (2008) a observé une synergie de viscosité entre le β-glucane d’avoine

et la gomme xanthane dans un breuvage à base de jus de fruits traité thermiquement. Les

jus enrichis en β-glucane seul ont démontré une importante perte de viscosité (plus de 50%)

lors de la pasteurisation tandis que ceux enrichis en gomme xanthane seule et ceux

contenant le mélange des deux polysaccharides sont restés stables [29]. Cette diminution de

viscosité serait principalement due à une réaction de dépolymérisation non enzymatique

(réaction de Fenton) impliquant l’acide ascorbique et l’oxygène (résultats non présentés).

Paquin (2008) a également démontré que le breuvage contenant le mélange de

polysaccharides diminuait significativement la glycémie postprandiale. Cela démontre

qu’en plus de stabiliser le polysaccharide fonctionnel, la gomme xanthane n’entrave pas la

bioactivité du β-glucane.

D’autres chercheurs ont également démontré que la gomme xanthane interagissait en

synergie avec les glucomannanes et les galactomannanes [25, 145, 188]. En fait, moins le

mannane est substitué, plus l’interaction serait forte [189]. Cependant, plusieurs autres

facteurs peuvent également influencer la synergie entre les polysaccharides comme la

configuration ordonnée ou non de la gomme xanthane, la concentration de sel, le niveau

d’hydratation des composés, le ratio et la concentration finale en polysaccharides de même

que la température de mise en mélange [25, 145, 189]. Ainsi, tous ces aspects doivent être

pris en considération lors de la préparation de mélange.

1.7.1 La gomme xanthane

1.7.1.1 L’origine

La gomme xanthane est un exopolysaccharide secrété lors de la fermentation des sucres par

les bactéries du genre Xanthomonas comme X. phaseoli, X. juglandis et X. campestris

36

[190]. La découverte de ce polysaccharide fut attribuée au département américain de

l’agriculture (North Regional Research Laboratory) dans les années 1950 à la suite de

recherches dans le cadre d’une maladie affectant particulièrement la famille des crucifères

[191]. En fait, des chercheurs parvinrent à isoler la bactérie pathogène qui excrétait une

substance visqueuse obstruant les pores des feuilles de chou (Brassica spp). Le biofilm

visqueux ainsi produit favorise l’adhésion de la bactérie à son support et facilite la capture

des nutriments nécessaires à sa croissance [143].

Ce n’est que dans les années 1960 que la gomme de xanthane, appelée polysaccharide B-

1459, fut commercialisée pour la première fois. L’espèce bactérienne la plus couramment

utilisée pour sa production est X. campestris. Aujourd’hui, la gomme de xanthane est le

polysaccharide bactérien le plus utilisé dans l’industrie alimentaire [190].


La structure primaire de la gomme xanthane est composée d’une chaine de glucoses reliés

en β-(1→4), identique à celle de la cellulose [143]. Sur cette dernière se greffent, à toutes

des deux unités de glucose, en C-3, une chaine latérale constituée d’une unité d’acide

glucuronique entre deux unités de mannose (Figure 1.7). Cet arrangement de cinq

polysaccharides (2 glucoses, 2 mannoses et 1 acide glucuronique) est appelé

pentasaccharide. Le ratio molaire moyen entre les trois principaux constituants, glucose,

mannose et acide glucuronique, est respectivement de 2,8 : 2,0 : 2,0 [191]. Il varie plus ou

moins en fonction de la souche bactérienne utilisée. Une grande partie des unités de

mannose internes sont acétylées en O-6 et près de la moitié des unités de mannose

terminales ont un acide pyruvique lié sous forme chélatée entre les carbones 4 et 6 (Figure

1.7) [191].

37

Figure 1.7 : Structure moléculaire de la gomme xanthane. Adapté de :

http://www.scientificpsychic.com/fitness/carbohydrates2.htm.

Le tableau 1.5 présente la composition moyenne des polysaccharides excrétés par quelques

souches du genre Xanthomonas.

Tableau 1.5 : Composition moyenne des polysaccharides excrétés par quelques souches du

genre Xanthomonas. García-Ochoa et al. (2000) [191].

Bactéries D-glucose D-mannose Acide D-gluc. Pyruvate Acétate

X. campestris 30,1 27,3 14,9 7,1 6,5

X. fragaria 1822 24,6 26,1 14,0 4,9 5,5

X. gummisudans 2182 34,8 30,7 16,5 4,7 10,0

X. juglandis 411 33,2 30,2 16,8 6,9 6,4

X. phaseoli 1128 30,9 28,6 15,3 1,8 6,4

X. vasculorum 702 34,9 30,2 17,9 6,6 6,3

Légende : Acide D-gluc. : Acide D-glucuronique

La présence de groupements carboxyliques des acides glucuronique et pyruvique confèrent

à la molécule un caractère anionique (charge négative jusqu’à pH 1) [191, 192]. Pour

Mannose

Mannose

Acide

glucuronique

Pyruvate Acétate

38

neutraliser la charge de cette dernière, certains ions tels Na+, K+ et Ca2+ sont fréquemment

utilisés.

La structure secondaire de la gomme xanthane varie en fonction de l’état dans lequel elle se

trouve. À l’état cristallin, la chaine principale est une hélice quintuple où l’unité répétitive

est le pentasaccharide précédemment mentionné [190].

À l’état aqueux et en présence d’une force ionique élevée, la conformation de la gomme

xanthane varie quelque peu comparativement à celle retrouvée à l’état cristallin. En fait,

l’alignement et le repliement des chaines latérales le long de la chaine cellulosique forment

un deuxième brin discontinu. Ce dernier confère à la structure une grande rigidité et une

stabilité dans une large gamme de pH et de température [143]. Cette conformation

hélicoïdale ordonnée est donc favorisée. Toutefois, cette dernière subir une transition ordre-

désordre conduisant à l’adoption d’une chaîne flexible et désordonnée à la suite d’un

chauffage au-delà d’une certaine température nommée température de transition (Tm) ou en

présence de faibles concentrations en sel (< 10-3 M NaCl) [190, 193-195]. Cette autre

conformation, désordonnée, ou en pelote, présente un relâchement des chaînes latérales en

raison des répulsions électrostatiques entre les groupements carboxyliques ionisés [196].

La gomme xanthane est reconnue pour sa grande stabilité sur une vaste gamme de pH et de

température. Le poids moléculaire de la gomme xanthane varie entre 2 à 20 x 103 kDa en

fonction des associations entre les chaines moléculaires, des conditions de fermentation et

du type de conformation [191].


La gomme xanthane fut approuvée sécuritaire et reconnue comme additif alimentaire en

1969 par le gouvernement américain et en 1974 en Europe [190]. Elle est également

autorisée au Canada comme agent gélifiant [197].

39

1.8 Buts, hypothèses et objectifs

Les fibres alimentaires suscitent un intérêt majeur dans la recherche et le développement de

produits fonctionnels en raison de leurs nombreuses activités biologiques, dont la

modulation des réponses glycémique et insulinémique. À la lumière de la précédente revue

de littérature, le β-glucane, le konjac-mannane et la gomme de guar semblent être de bons

candidats pour détenir cette bioactivité. Malgré le fait que le mécanisme d’action ne soit

pas encore clairement élucidé, la viscosité induite par les fibres dans le tractus gastro-

intestinal semble être la pierre angulaire du mécanisme. Or, pour des considérations d’ordre

économique et de disponibilité, la combinaison des polysaccharides d’intérêt avec un

polysaccharide pouvant induire une synergie de viscosité, comme la gomme xanthane,

semble être avantageuse. Toutefois, aucune étude n’a vérifié l’effet des procédés de

transformation comme la pasteurisation sur la stabilité des polysaccharides fonctionnels

dans des formulations alimentaires. Seule Paquin (2008) a observé une perte de viscosité en

réponse à un traitement de pasteurisation des breuvages à base de jus de fruits enrichis en

β-glucane comparativement à ceux enrichis en gomme xanthane et en β-glucane [29].

Ainsi, le but du projet de recherche était d’étudier la stabilité des fibres alimentaires

seules et en mélange avec la gomme xanthane dans un breuvage à base de jus de fruits

pasteurisé de même qu’à comprendre leur effet sur la réponse glycémique et insulinémique.

Deux hypothèses ont été formulées. La première hypothèse est que la viscosité induite par

des polysaccharides en mélange est plus stable aux traitements technologiques subis par les

jus de fruits comparativement à la viscosité induite par les fibres seules. L’objectif

spécifique associé était de :

1) Étudier la stabilité à la pasteurisation et aux conditions d’entreposage du

comportement rhéologique des fibres alimentaires seules et en mélange avec la

gomme xanthane dans un breuvage à base de jus de fruits.

Étant donné que la majorité des études ont comparé l’effet des différentes fibres

alimentaires selon leur concentration et non selon leur viscosité, il devient difficile de faire

40

d’étroites associations dose-effet, car pour une même concentration, deux polysaccharides

différents n’induiront pas la même viscosité. L’étude de Wood (2004) est une des seules à

établir une relation entre la viscosité induite par une fibre, soit le β-glucane d’avoine, et la

réponse glycémique [11]. Pour que ce dernier arrive à diminuer la concentration sanguine

de glucose de 0,3 mmol/L après l’ingestion de 50 g de glucose, le β-glucane doit induire

une viscosité à 30 s-1 25 °C se situant entre 0,1 et 1,0 Pa*s. Également, Paquin (2008) a

démontré que l’ingestion d’un breuvage à base de fruits enrichi en un mélange de β-glucane

et de gomme xanthane détenant une viscosité de 0,18 Pa*s à 30 s-1 à 37 °C diminuait

significativement la réponse glycémique in vivo [29].

Ainsi, sur ces observations, la deuxième hypothèse est que les breuvages à base de jus de

fruits enrichis en un mélange de fibre alimentaire et de gomme xanthane détenant une

viscosité de 0,18 Pa*s, à 30 s-1 à 37 °C diminuent significativement la glycémie

postprandiale in vivo. L’objectif spécifique de cette partie était de :

2) Évaluer cliniquement l’effet des mélanges de fibres alimentaires sur la réponse

glycémique et insulinémique de sujets masculins en bonne santé.

Chapitre 2: Effet des procédés de transformation et des

conditions d’entreposage sur la stabilité de breuvages à

base de jus de fruits enrichis en fibre alimentaire seule et

en mélange avec la gomme xanthane

“Effect of food processing and storage conditions on stability of

fruit juice base beverages enriched with dietary fiber alone and in

mixture with xanthan gum”

Émilie Paquet1,2, Sylvie L. Turgeon1,2* et Simone Lemieux2

1STELA Dairy Research Centre and 2Institute of Nutraceuticals and Functional

Foods (INAF), Université Laval, Québec, Qc, Canada G1K 7P4

L’objectif de ce chapitre était de développer un breuvage fonctionnel à base de jus de fruits

à l’aide de mélanges binaires de polysaccharides sans compromettre les propriétés

sensorielles, fonctionnelles ni de stabilité du produit final. Ainsi, l’effet de la pasteurisation

(sous condition industrielle), de la température d’entreposage et du temps (jusqu’à 4 mois)

sur la viscosité, la turbidité et l’apparence générale des breuvages ont été étudiés. Les

résultats obtenus ont permis d’établir les points critiques et de valoriser, dans la majorité

des cas, la combinaison de polysaccharides.

*Corresponding author. E-mail address: [email protected].

Tel: + 1 418 656-2131 ext.4970. Fax: +1 418 656-3353.

42

2.1 Résumé

Les breuvages à base de jus de fruits constituent de bons vecteurs pour fournir des

ingrédients fonctionnels comme les fibres alimentaires. Ces dernières détiennent plusieurs

attributs santés que ce soit au niveau de la santé digestive ou du contrôle de l'index

glycémique. La gomme de guar (G), le β-glucane d’orge (Bg) et le konjac-mannan (K) en

sont de bons exemples. Plusieurs de ces bienfaits seraient liés à la viscosité qu’elles

induisent dans le système digestif. L'effet des procédés de transformation et des conditions

d’entreposage sur la stabilité des fibres est encore méconnu en particulier dans les aliments

liquides en milieu acide. Des travaux récents ont rapporté un effet de synergie entre la

gomme xanthane (X) et le β-glucane d’avoine sur la viscosité des breuvages à base de jus

de fruits traités thermiquement. Par conséquent, l'objectif de cette étude était de déterminer

si X avait un effet protecteur sur la stabilité de G, K et Bg durant la pasteurisation et

l’entreposage lorsqu’incorporé à des breuvages à base de jus de fruits. Le ratio et la

concentration finale des mélanges ont été sélectionnés de manière à atteindre une viscosité

commune à 30 s-1. Des analyses statistiques ont été réalisées afin d’étudier l'effet de la

pasteurisation, du temps (0 à 4 mois) et de la température d’entreposage (4 °C ou 20 °C).

La pasteurisation stabilise la viscosité et la turbidité des breuvages enrichis en Bg et en

BgX. La viscosité des breuvages pasteurisés enrichis en K et en G varie dans le temps.

L’ajout de X a un effet protecteur sur K (KX), mais aucun sur G (GX). La viscosité et la

turbidité des breuvages enrichis en Bg et en BgX ont significativement (p < 0,01) augmenté

avec le temps. La viscosité des breuvages enrichis en G et en K a, quant à elle, légèrement

diminué au fil du temps. L’ajout de X procure une protection complète contre la

dégradation à 4 °C pour K (KX), mais ne procure aucun effet protecteur sur G (GX).

L’évolution de la viscosité et de la turbidité sont plus rapides lorsque les breuvages sont

entreposés à 20 °C. Par conséquent, les traitements de transformation et les conditions

d’entreposage ont un impact majeur sur la stabilité des fibres alimentaires. Dans certain cas,

l'ajout de X a un effet protecteur. Ainsi, l’étape de formulation est cruciale pour assurer la

stabilité technologique et l’effet physiologique des fibres alimentaires.

Mot-clé : Gomme de guar, β-glucane d’orge, konjac-mannan, gomme xanthane,

pasteurisation, viscosité, turbidité, stabilité.

43

2.2 Abstract

Fruit juice based beverages represent a good vector to deliver functional ingredients.

Dietary fibers have several health attributes as contribution to digestive health or control of

glycemic index. Guar gum (G), barley β-glucan (Bg) and konjac-mannan (K) are few good

examples. Several health effects seem to be related to increased viscosity of added fiber.

Effect of processing and storage conditions on dietary fibers stability is still unknown

especially in acidic liquid products. Recent works reported an effect of synergy between

xanthan gum (X) and oat β-glucan on viscosity of heat-treated fruit juice based beverages.

Therefore, the objective of this study was to determine if X has a protective effect on

stability of G, Bg and K in a fruit juice based beverage during processing and storage. Ratio

and final concentration of fibres and X have been chosen to reach a common viscosity at

30 s-1. Statistical analyses were done to study the effect of pasteurization, time (0 to 4

months) and storage temperature (4 °C or 20 °C). Pasteurization stabilized viscosity and

turbidity of beverages enriched in Bg and BgX. Viscosity of pasteurized beverages

enriched in K and G varied with storage time. Addition of X had a protective effect on K

(KX) but none on G (GX). Viscosity and turbidity of beverages enriched in Bg and BgX

significantly (p <0.01) increased over time. Viscosity of beverages enriched in G and K

slightly decreased over time. Addition of X provides complete protection against

degradation at 4 °C for K (KX), but it provides no protection at all for G (GX). Viscosity

and turbidity changes are faster when beverages are stored at 20 °C. Therefore, processing

and storage treatments have a major impact on dietary fiber’s stability. In many cases,

addition of X can have a protective effect. Formulation is crucial to ensure technological

stability and physiological effect of dietary fibers.

Keywords: Guar gum, β-glucan, konjac-mannan, xanthan gum, pasteurization, viscosity,

turbidity, stability

44

2.3 Introduction

Importance of preventing type 2 diabetes is highlighted by the substantial worldwide

increase in the prevalence of diabetes in recent years [198]. In 1998, the World Health

Organization (WHO) and the Food and Agriculture Organization (FAO) recommended that

the food industries attempt to lower the glycemic response to foods and diets [199, 200]. To

achieve this aim, food enrichment in soluble dietary fibers could be used. Guar gum (G)

[76, 122], cereal β-glucans (Bg) [9, 127] and konjac-mannan (K) [201, 202] are some fibers

known to attenuate blood glucose and insulin responses. The beneficial physiological effect

of soluble dietary fibers seems to be closely related to the induced increase in viscosity in

the gastro-intestinal tract that reduces the rate of gastric emptying and decreases nutrient

absorption by increasing the unstirred layer in the small intestine [10, 75, 88].

Induction of viscosity by dietary fibers and consequently their bioactivity are influenced by

several intrinsic (structural features, concentration, average molecular weight, molecular

weight distribution, solubility) and extrinsic (pH, temperature, processing steps, food

matrix characteristics) factors. Thus, a particular attention must be given to processing and

storage treatments to ensure integrity of the functional ingredients. A study on processed

oat solid foods (isocaloric crisp bread, granola, porridge, and pasta containing 4 g of

β-glucan) has demonstrated that the highest efficacy in attenuating the peak blood glucose

response (PBGR) is obtained with porridge and granola that present the highest peak

molecular weight and viscosity [140]. It seems that Bg glycosidic bounds would be more

stable during high-temperature short-time treatments than during treatment at lower

temperature; β-glucanases from wheat flour remain active at the latter conditions [140,

203]. For G and K, physiological effects have also been related to their induced viscosity

[1, 7, 13, 91] but only few experiments established the effect of technological treatments.

Moreover, it is important to mention that studies have mainly been performed with solid

foods rather than with liquid foods; in which cases, no industrial treatment was applied.

Xanthan gum (X) is widely used in food industries because of its excellent stability over a

broad range of pH values and temperatures [194]. Furthermore, it interacts synergistically

45

with oat and barley Bg [204, 205], G [28, 145] and K [25, 186, 187]. A recent report noted

a synergistic viscosifying effect of X and oat Bg mixtures in heat-treated fruit juices [205].

Juices enriched with Bg experienced a dramatic decrease in viscosity during heat

processing (pasteurization) while juices supplemented with a mixture of Bg and X

remained stable and effectively reduced the human glycemic response.

Therefore, for the first time, this study aimed to verify the stability of dietary fibers alone

and in mixture with X in a fruit base beverage after an industrial pasteurization treatment

and during storage.

2.4 Material and methods

2.4.1 Material

Three readily available commercial dietary fibers were used: barley Bg (Barliv™, Cargill,

Wayzata, MN, USA; β-glucan 72.2 %, moisture 4.5 % and protein < 2.0 %), G (TIC

Pretested® GuarNT® Flavor Free 4000, TIC GUMS, Philadelphia, MD, USA; moisture

10.2 % and protein 4.5 %) and K (TIC Pretested® Ticagel® Konjac High Viscosity, TIC

GUMS, Philadelphia, MD, USA; moisture 10.6 % and protein < 2.0 %). Mixtures of

dietary fibers were performed in combination with X (TIC Pretested® Ticaxan®, TIC

GUMS, Philadelphia, MD, USA; moisture 9.5 % and protein 6.0 %), because, as mentioned

previously, the latter acts in synergy with barley Bg, G and K. The latter were incorporated

into a clarified apple concentrate kindly donated by Industries Lassonde, Rougemont, QC,

Canada to which water was added to formulate the beverage. Apple juice was chosen as its

clarity allows the observation of destabilization phenomena (formation of a precipitate,

color change, opalescence).

46

2.4.2 Beverage formulation

Table 2.1 presents the composition of each beverage. Ratio and final concentration of

dietary fibers and X have been chosen in order to have a similar targeted viscosity of

0.18 Pa*s at 37 °C (related to body temperature), 30 s-1 (related to the hypothetic shear rate

in gastro-intestinal tract [11]). This viscosity setting was based on previous work that

showed that beverages enriched in polysaccharides under those conditions presented the

desired hypoglycaemic effect as well as acceptable organoleptic characteristics [205].

Selected ratios are those mentioned in the literature to present the highest synergistic effect

except for the mixture with K and X (KX). Preferential ratio for this mixture is 50:50 [25,

186], but at this point, a gel was formed after heat treatment. Then, ratio of 90:10 (90%

konjac-mannan: 10% xanthan gum) was used to ensure liquid behaviour of the beverage.

Beverages enriched with dietary fibers alone were also studied at the concentration level

used in the mixture. For the beverage enriched with X alone, the selected concentration was

the highest used in the mixture (Table 2.1). Three repetitions (batches) of the eight

beverages (30L) were produced.

2.4.3 Beverage preparation

First, stock solutions of Bg, K, G and X were prepared. Table 2.2 presents the

polysaccharide concentration used for each beverage. K, G and X were dissolved in

deionized water at room temperature using an axial flow impeller (A-100, Cole-Parmer,

Vernon Hills, IL, USA; diameter of 69 mm, pitch of 38 mm) at 1500 rpm (K and G) or 600

rpm (X) for two hours. To ensure complete solubilization of Bg, deionized water was

preheated at 90 ± 2 °C. Barley Bg was subsequently hydrated using mixer (at 1500 rpm

with the same paddle) at this temperature for 10 minutes in a double wall cooker (Lee

Industries Inc., Philipsburg, PA, USA) and then cooled to room temperature. In order to

ensure the final concentration, water was added after the cooling process to compensate

water evaporation during hydration (as measured by weight). After hydration, stock

solutions were stored at 4 ± 2 °C over night (~18 hours). The following day,

polysaccharides, concentrate juice and water were blended and stirred at 1200 rpm with a

47

four inches three palm helix paddle (EVIP25M, Lightnin Mixers & Aerators, Richester,

NY, USA) during 15 minutes at room temperature to homogenize the mixture.

2.4.4 Pasteurization and storage procedures

Beverages were pasteurized using a tubular heat exchanger (UHT/HTST Lab-25 HV,

MicroThermic Inc., Raleigh, NC, USA) at 98 ± 2 °C during 30 seconds, cooled at 20 ± 4 °C

and bottled in 300 mL poly(ethylene terephthalate) (PET) bottles. To study the

pasteurization effect, 4.8 L of each beverage were not heat treated. However, in order to

ensure their preservation, they were supplemented with 260 ppm sodium benzoate and 260

ppm potassium sorbate. After this process, treated and untreated beverages were stored, in

equal amount, at 4 and 20 ± 2 °C.

2.4.5 Physico-chemical analyses

Pasteurization effect on beverage’s viscosity was evaluated over time (one week) using

viscosity profiles of the heat-treated and untreated beverages. These rheological

measurements were performed at 37 ± 1 °C (body temperature) with a shear-rate controlled

rheometer (ARES-100FRT, TA Instruments, New Castle, DE, USA) equipped with a

couette-type sensor (couette diameter of 33.93 mm, bob diameter and length of 32.05 mm

and 33.29 mm). Shear-rate range explored for the complete profile was from 0.03 up to

1000 s-1 and a specific attention has been given at 30 s-1 (as mentioned previously). For

treated beverage, viscosity has been followed up to 16 weeks (0, 1, 2, 4, 8 and 16 weeks) to

verify the polysaccharide stability over time.

Flow curves behaviour of pasteurized beverages at 37 °C was also modeled using TA

Orchestrator v7.2.0.2 software (TA Instruments-Water LLC, New Castle, DE, USA).

Power Law model, represented by the following equation, is usually used to describe the

pseudoplastic behaviour of gums [206]:

τ = Kẏn

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MathURL&_method=retrieve&_udi=B6T6R-4W3PT8H-5&_mathId=mml2&_user=1069155&_cdi=5037&_pii=S0308814609004877&_rdoc=1&_issn=03088146&_acct=C000051263&_version=1&_userid=1069155&md5=c0b9c6411d18ada8f937d0b477e7ceba

48

where τ is the shear stress (N/m2), ẏ is the shear rate (s−1), K is the consistency coefficient

and n is the flow behaviour index or Power Law index.

Other parameters were also studied over the same period of time for treated and untreated

beverages: settling stability by visual inspection, pH using pH-meter (pH-meter Symphony

SB20, VWR®, West Chester, PA, USA) and turbidity (laboratory turbidimeter 2100AN IS,

Hach Company, Loveland, CO, USA).

2.4.6 Molecular weight measurement

Dietary fibers and X weights average (Mw) were determined by high performance size

exclusion chromatography-multiangle laser light scattering (HPSEC-MALLS). The HPSEC

system consisted of a Waters 515 HPLC pump (Waters Corporation, Milford, MA, USA), a

200 μL manual injecting loop and Wyatt Optilab 903 refractometer (Wyatt Technology

Corporation, Santa Barbara, CA, USA), a K5 flow cell and a He-Ne laser operating at

λ=628.8nm. The detection of scattering light was possible at 18 angles. Prior to

measurements, the Dawn apparatus was calibrated with pullulan standard (P-82 kit,

Shodex, Japan) as described by Rioux et al. (2007) [207].

Three columns were used in line: a TSK-guard column PWXL (6 mm x 40 mm), a TSK-

G6000 PW (7.5 mm x 300 mm) and a TSK-G4000 PW (7.8 mm x 300 mm) (Tosoh

Bioscience LLC, Montgomeryville, PA, USA). The mobile phase consisted of 0.1 M

NaNO3 with 0.05% N3Na realised with HPLC grade water. The latter was filtered on

0.22 μm filters. The flow rate was 0.5mL/min and analyses were performed at 40 °C to

reduce the viscosity. Dietary fibers and X samples were first solubilised in water at 90 °C

during 6 minutes, cooled down and then centrifuged at 1500 g during 15 minutes to remove

the insoluble molecules. Samples were secondly mixed with a twofold concentrated mobile

phase to reach a concentration of 1 mg/mL for Bg and 0.5 mg/mL for G, K and X. Samples

were then filtered on 0.45 μm filters to eliminate dust particles. The MALLS instrument

49

was placed directly after the HPSEC columns and before the refractive index detector

(DRI).

Data collected from DRI and MALLS were evaluated with the ASTRA software 4.70.07.

The dn/dc values used were 0.150 for G [208], 0.145 for X [188], 0,140 for K [209] and

0.150 [210] /0.175 [211] for barley Bg. Averages molecular weight were estimated using

second-order Debye for all of them.

2.4.7 Statistical analyses

All statistical analyses were performed using SAS v9.2 software (SAS Institute Inc., Cary,

NC, USA). For all analyses, the assumptions of normality were verified with the Shapiro-

Wilk's test, while the homogeneity of variances was verified with the Bartlett's chi-square

statistic. The inference was made at the α = 0.01 level of significance because of the high

power of the statistical tests and because there are many factors involved in the experiment.

For the viscosity measurement, a heterogeneous split-plot Anova model was used. The

logarithmic transformation was applied to the data to satisfy the assumptions of the model.

The effect of pasteurization was studied using only the data at time 0 and after one week to

avoid skewing the results by a possible contamination, while the effect of time was studied

using only the pasteurized data. For the pH values, a usual split-plot Anova was employed

without any transformation. However, for the turbidity, a square root transformation was

applied to satisfy the assumptions of the model. A heterogeneous split-plot Anova model

was used to study the effect of pasteurization, while a traditional split-plot Anova model

was used to study effect of time. Appendice B presents Anova tables for each performed

test.

2.5 Results

During experimentation, two different apple juice concentrates were used because the base

selected from preliminary works was back order. Only first repetition of beverages enriched

50

in K, KX, G and GX were produced with the concentrated used during preliminary tests.

Thus, for the other beverages and repetitions, a new apple juice concentrate was used at the

same concentration. Statistical analysis revealed that there was a significant difference

(p < 0.01) between the two apple juice concentrates. Beverages (K, KX, G and GX) made

with the first concentrate were then removed from the other tests. Also, the desired

viscosity of 18 Pa*s at 37 °C 30 s-1 obtained with the first concentrate was not reached with

the second concentrate under the same conditions. This indicates that the juice composition

can influence polysaccharide viscosity.

2.5.1 Rheological profile

Initial rheological behaviour of beverages enriched with Bg and the control beverage was

newtonian (n for Bg: 1.006; Control: 1.065) while those of beverages added with G, K and

X were pseudoplastic-like (n for G is: 0.895 < K: 0.857 < X: 0.384) (Figure 2.1 A).

Addition of X to dietary fibers changed the rheological behaviour of beverages by

increasing their pseudoplastic character (n for KX is: 0.580 < GX: 0.363 < BgX: 0.340)

(Figure 2.1 B). Rheological profile did not change over time except for the untreated Bg-

enriched beverage for which the Power Law index showed a more pseudoplastic behaviour

after one week (n = 0.843) while the reological profile of the untreated BgX remained

practically the same (n = 0.312) (Figure 2.2).

2.5.2 Effect of pasteurization

2.5.2.1 Viscosity

Overall, pasteurization affected viscosity of beverages. For those enriched in Bg and BgX,

pasteurization stabilized their viscosity because there was no significant difference between

baseline and one-week viscosities while for the untreated beverages, viscosity significantly

(p < 0.01) increased after one week by 47 % and 35 % for Bg and BgX respectively

(Bg: 0.018 to 0.027 Pa*s; BgX: 0.27 to 0.37 Pa*s) (Figure 2.3).

51

Pasteurization significantly increased (p < 0.01) initial viscosity of beverages enriched in G

and GX by respectively 18 % and 15 % (G: 0.021 vs. 0.018 Pa*s; GX: 0.22 vs. 0.20 Pa*s)

(Figure 2.4).

Unlike G-enriched beverages, pasteurization caused a weak but significant (p < 0.01)

viscosity loss for the beverages added with K (13%: 0.14 vs. 0.16 Pa*s) (Figure 2.5).

Addition of X had a protective effect on K since there was no significant difference in

viscosity between pasteurized and untreated KX beverage and viscosity also remaine stable

after one week.

Finally, for the beverage to which only X was added additioned with X and for the control

juice, pasteurization also significantly (p < 0.01) increased initial viscosity (11% for

X: 0.10 vs. 0.09 Pa*s; 61% for the control: 0.0014 vs. 0.0009 Pa*s). However, viscosity

values of control juice were close to the detection’s threshold of the rheometer. Thus, a

relative increase of 61% was in fact an absolute increase of 0.000 6 Pa*s which could be

considered as being negligible.

2.5.2.2 pH

Pasteurized beverages had a pH value significantly lower (4.16 vs 4.29) than those of the

untreated beverages probably due to the preservatives used. An aqueous solution of 260

ppm of potassium sorbate and sodium benzoate has a pH value of 5.93. Thus, addition of

these additives could have contributed to this pH increase.

2.5.2.3 Turbidity

Turbidity results obtained with beverage enriched which Bg and BgX are consistent with

viscosity results; pasteurization stabilized turbidity since no significant difference between

initial and one-week turbidity was observed while turbidity of the untreated beverages

significantly (p < 0.01) increased over the same period by 59 % and 37 % for Bg and BgX

52

respectively (Bg: 63 to 100 NTU; BgX: 197 to 270 NTU). For all other beverages,

pasteurization had no significant effect on turbidity. Addition of X caused a significant

(p < 0.01) increase in turbidity for all mixtures.

2.5.3 Effect of time

Effect of time was studied with pasteurized beverages over a 16-week period of storage at

4 °C and 20 °C.

2.5.3.1 Viscosity

Viscosity of beverages supplemented with Bg and BgX significantly increased (p < 0.01)

over time for both storage temperatures (Figure 2.7). When stored at 4 °C, addition of X

significantly reduced the viscosity increase observed with Bg. In fact, while Bg viscosity

tripled from 0.018 to 0.054 Pa*s, BgX value rather doubled from 0.29 to 0.58 Pa*s. At

20 °C addition of X did not influence viscosity increases and Bg and BgX viscosities

almost tripled (Bg: 0.017 to 0.050 Pa*s; BgX: 0.29 to 0.70 Pa*s) over time.

Viscosity of G and GX beverages were stable over the first eight weeks when stored at 4 °C

while a viscosity loss was observed much earlier when they were stored at 20 °C (Figure

2.8). At 20 °C, the viscosity loss of G beverage was significantly (p < 0.01) larger than that

for GX (G: 0021 to 0011 Pa*s; GX: 0.22 to 0.19 Pa*s) while when stored at

4 °C, no significant difference were observed (G: 0021 to 0018 Pa*s; GX: 0.23 to 0.21

Pa*s). Thus, X had a protective effect on G degradation observed with time only at 4 °C.

Beverages supplemented with K were stable for the first eight weeks when stored at 4 °C

(Figure 2.9). When X was added, no significant difference between initial and 16-week

viscosities was observed. Although viscosity changes of K and KX were similar over time,

when data at all temperature were combined, it is possible that X had a slight protecting

effect against depolymerised reactions affecting K. When beverages were stored at 20 °C,

viscosity loss appeared much faster (Figure 2.9). X could only extend stability of mixture

53

during an additioned week. Changes in viscosity over time of beverage enriched K and KX

were similar at 4 °C (K: 0.14 to 0.12 Pa*s; KX: 0.27 to 0.25 Pa*s) as well as at 20 °C (K:

0.14 to 0.07 Pa*s; KX: 0.27 to 0.16 Pa*s).

Viscosity of beverage enriched with X alone and the control juice remained stable over

time at both storage temperatures; no significant differences appeared between initial

viscosity and that measured after the 16-week period (results not shown).

2.5.3.2 pH

PH beverage after four weeks of storage was significantly higher (4.25 vs. 4.16-4.18) than

at any other time. Even if statistical test found significant this 0.07 pH unit difference, in

practice, this result is barely interpretable.

2.5.3.3 Turbidity

Turbidity of all beverages except for those enriched with Bg and BgX were stable over

time. For the latter, a significant (p < 0.01) increase in turbidity was observed (Bg has more

than doubled from 76 to 175 NTU; BgX from 194 to 265 NTU) (Figure 2.10). Similarly to

viscosity data, addition of X slowed turbidity change of Bg since its increase was

significantly (p < 0.01) higher than that of BgX (increase of 130 % and 37 % for Bg and

BgX).

2.5.4 Effect of storage temperature

2.5.4.1 Viscosity

Storage temperature had no significant effect on viscosity evolution of beverages

supplemented with Bg, BgX and X over time (Figure 2.7). However, for G and GX-

enriched beverages, viscosity loss was significantly (p < 0.01) more pronounced when they

were stored at 20 °C (Figure 2.8). Addition of X stabilized G for an additional two weeks

54

(week 2 vs week 4) when stored at 20 °C, but did not provide a complete protection against

degradation reactions.

Beverages supplemented with K were the most sensitive to storage temperature. A

significant difference (p < 0.01) in viscosity between beverages stored at 4 °C and 20 °C

occurred after the first week for K beverage while for KX a significant difference was only

seen after eight weeks (Figure 2.9). Thus, X partly protected K against depolymerisation.

As observed with beverage enriched with G, K and KX beverages had a more pronounced

viscosity loss at 20 °C than at 4 °C.

For the control beverage, analyses revealed that storage temperature had a significant effect

on the viscosity change; a significant (p < 0.01) viscosity loss over time was observed at

4 °C while a significant (p < 0.01) increase was seen at 20 °C. As previously mentioned,

viscosity values were near the detection’s threshold of the equipment for the control

beverage.

2.5.4.2 pH

Beverages stored at 4 °C had a significantly higher pH value (4.20 vs 4.17) than those

stored at 20 °C but this 0.03 pH unit difference, in practice, result is not interpretable in

practice.

2.5.4.3 Turbidity

Storage temperature had no significant effect on turbidity of pasteurized beverages.

2.5.5 Molecular weight determination

Table 2.3 presents the Mw of the dietary fibers and X used. G, K and X had an estimated

molecular weight around 3 000 kDa. Those are in accordance with the literature [212-214].

As expected, K had the highest estimated molecular weight [153]. HPSEC results for Bg

revealed two dispersions (peak): the first one at 914 kDa and the other at 130 kDa.

55

2.6 Discussion

Before setting up experimental protocol, preliminary tests were conducted under laboratory

and pilot conditions to find the optimal concentration for each beverage to reach a common

viscosity of 18 Pa*s at 37 °C and 30 s-1. The viscosity values obtained under laboratory

conditions did not correspond perfectly to those reached in pilot conditions which show the

importance of processing effect (Table 2.4). This is probably due to the different shear rates

applied under both conditions. This demonstrates that laboratory results should be verified

before their use in industrial condition.

As mentioned previously, the composition of the juice base can also influence

polysaccharide viscosity. This is in accordance with recent studies which have

demonstrated that concentration of ascorbic acid, copper, iron and sugar influenced the

viscosity of oat β-glucan solutions [215, 216]. It was shown that free radicals (°OH)

produced by the interaction between ascorbic acid, or its oxidation product, and oxygen

induced a reduction of β-glucan viscosity due to a depolymerization through the Fenton

reaction:

Cu+/ Fe2+ + H2O2 → °OH + OH- + Cu2+/ Fe3+

Polysaccharides such as pectin, wellan, gellan, scleroglucan, alginate, κ-carrageenan, X,

hydroxyethylcellulose and carboxymethylcellulose are affected by free-radical

depolymerization reactions [217, 218]. Degradation kinetics varied according to their

conformations. Thus, juice composition as affected by formulation seems also crucial to

ensure technological stability of functional polysaccharides as dietary fibers.

Pseudoplastic behaviors observed with beverages enriched with G, GX, K, KX, BgX and X

are in agreement with literature [28, 153, 186, 194, 204, 219]. However, for Bg, most

studies reported a pseudoplastic profile rather than a newtonian behaviour. According to

Antilla et al. (2004), the rheological behavior of oat Bg solutions depends on concentration

and molecular dimensions (molecular weight, intrinsic viscosity) of the fiber [220];

pseudoplastic behaviour increases with concentration and molecular weight [221, 222].

56

Doublier & Wood (1995) as well as Autio et al. (1987) found that at low concentrations

(< 0.3%), oat Bg solutions with an estimated molecular weight of 1 300 and 2 000 kDa both

had a newtonian behaviour [221, 222]. At 0.5%, Gothra et al. (2009) showed that barley Bg

solution adopted a pseudoplastic profile with a Power Law index of 0.740 [204]. Thus,

since the concentration used in our study was much higher than 0.3 %, the newtonian

behaviour could be related to their lower molecular weights (130 and 900 kDa). Addition of

X increased the pseudoplastic behaviour of dietary fibers. Like Ghotra et al. (2009), X

showed the most pronounced shear-thinning profile [204]. This is due to its unique rigid,

rod-like conformation which is more responsive to shear than other random-coil

polysaccharides [223].

Heat treatment affected differently viscosity of beverages. For G, GX and X beverages, it

could be hypothesized that the pasteurization step resulted in a better hydration because a

significant increase of viscosity was observed compared with the untreated juices.

According to Kök et al. (1999), it is recognised that typically 80 % of G is soluble at room

temperature [224]. Higher temperature (80 °C) increased the solubility of G to 91 % due

more numerous intra and/or intermolecular bonds as well as hydration of some insoluble

molecules [28]. For X, temperature affects its conformation and consequently its solubility

and the resulting viscosity. When the polymer (0.3 %) is dissolved in deionised water at

low temperature (between 25 and 40 °C), an ordered conformation and low viscosity are

found while at high temperature (over 50 °C) a disordered conformation associated with

higher viscosity values is observed [225]. In presence of low levels of salt, typical of those

used in food products, the thermal transition occurs at temperature above 90 °C [212].

Thus, that could explain why pasteurized X beverage was more viscous than the untreated

one. Mix of both polysaccharides reacts similarly than polysaccharides taken separately.

Unlike G, pasteurization caused a viscosity loss for the beverage enriched in K. This is

consistent with results of Maekaji (1984) (from Nishinari et al., 1992) who had observed

that viscosity of the solution enriched in K once heated and cooled was smaller than the

initial value [153]. Author reported that this is probably due to an irreversible disruption of

hydrogen bound by heating. In the light of our results, addition of X had a protective effect

57

on the stability of K-enriched beverages viscosity. The viscosity loss of K is then probably

offset by the increased viscosity of X during the thermic treatment.

Pasteurization stabilized viscosity of beverages enriched with Bg and BgX while a

significant viscosity increase was found after the first week of storage when they were not

heat treated. The same phenomenon was observed with the turbidity. Thus, this increase

was probably the consequence of endogenous self-aggregation of Bg molecules. The

rheological profile of Bg supports this possibility as, after the first week of storage, the

behaviour changed form a newtonian to a pseudoplastic-like. Similarly Doublier and Wood

(1995) have found that when oat gum was acid-hydrolyzed, its rheological profile was

more gel-like. Hydrolyzed Bg tends to aggregate and form a three-dimensional

macromolecular network while the original one showed a typical none interacting

behaviour [222].

This tendency of Bg to aggregate was first described by Vårum et al. (1992) with low

molecular weight (sonicated) samples [226]. The self-associative tendency may be initiated

through Bg cellulose-like regions by hydrogen bounds [222]. Using light scattering and

viscosimetry on Bg extracted from beer, Grimm et al. (1995) proposed that molecular

aggregation proceeds through the formation of fringed micelles with side-to-side

aggregation of chains of estimated molecular weight around 175 kDa [227, 228].

According to Gómez et al. (1997), aggregation of barley Bg occurs both in low and high

molecular weight samples. Perhaps, upon heating, they found that structuration appeared to

be more developed at high temperatures than at room temperature [227]. That appears to be

in contradiction with ours results. However, Vaikousi and Biliaderis (2005) did not observe

this increase when they pasteurized an acidic liquid such as fruit and tomato juice enriched

in barley Bg. They rather found a viscosity loss that they attributed to an acid hydrolysis

[229]. They also reported that the effect of acid hydrolysis were more pronounced for high

molecular weight (250 kDa) isolate than for a low molecular one (140 kDa) [129].

58

Aging also seriously affected Bg and BgX beverages; their viscosity increased by two or

three folds over time. This viscosity change over time should be attributed to the fiber

behaviour in solution as well as molecular interactions between the different

polysaccharides as the viscosity of the control beverage and the X-enriched beverage

remained stable over this period of time. As mentioned previously, this behaviour is

probably due to the strengthening of polysaccharide-polysaccharide interactions which, in

the case of Bg, increases the size of aggregates (being visible to naked eye) and, in the case

of BgX, increases the strength of the network to form a semi-gel observable after eight

weeks of storage (Figures 2.11 and 2.12). Turbidity increase also supports polysaccharide-

polysaccharide aggregation. When stored at 4 °C, addition of X reduced viscosity increase

over time probably because Bg-X interactions created a network in which Bg self

aggregation is slowed. Following a study on the stability of a pasteurized orange-flavored

barley Bg beverage (0.7%) over 12 weeks, Temelli et al. (2004) did not observe an increase

in viscosity, but rather a viscosity loss [230]. This could be due to ascorbic acid content

(0.03%) which could induce depolymerisation of the fibers through the Fenton reaction as

mentioned previously. A viscosity increase as important as measured could have a sizeable

effect in our study on the physiological behaviour of Bg and it is essential to find a way to

stabilize the molecule.

When stored at 4°C, beverage enriched in K and G remained relatively stable over time. A

slight viscosity loss was observed at 16-week of storage compared to the initial viscosity.

This decrease is in accordance with the literature [153, 231, 232] and could be explained by

hydrolysis reactions. For K, Sugiyama et al. (1973) have shown that tubers of

Amorphophallus konjac contain mannanase enzymes which could hydrolyse the molecule

if they are not inhibited [233]. For G, study on its chemical stability over 250 days revealed

an obvious cleavage of the main mannan backbone [231]. Ascorbic acid breakdown should

also be considered in the viscosity loss. In both case, addition of X reduced viscosity loss.

Thus, fiber interactions with X protect the structure against depolymerising reactions. This

is in accordance with a recent work in our team on oat Bg degradation where it was shown

that the presence of X significantly delayed the viscosity loss induced by ascorbic acid over

59

time. These viscosity losses were more acceptable than the viscosity changes of Bg and

they will probably not affect the physiological behavior of the dietary fibers.

Storage temperature mainly influenced molecular reactions. Overall, when beverages were

stored at 20 °C, viscosity gain and loss are faster and greater. This is in accordance with

others studies [231, 234]. These observations could be explained by the fact that molecular

reactions are sped by temperature.

K was the most sensitive to storage temperature. Addition of X slightly delayed its

viscosity change at both temperatures while for G and Bg, it was significantly useful to

minimise the variations only at one of the two temperatures (at 4°C for BgX and 20°C for

GX). These observations show once again the importance of the Bg self-aggregation and

the temperature sensitivity of G as reported by Cheng and Prud’homme (2000) [234]. Thus,

in order to preserve fiber integrity and consequently their beneficial physiological effect, all

beverages should be refrigerated during storage.

2.7 Conclusion

Development of functional beverages may seem simple, but unfortunately, the reality is

quite different. The development of such beverages is a major technological challenge

because, in addition to sensory acceptability (taste, color, texture in the mouth), the

bioactivity of functional ingredients must be preserved during the processing treatments as

well as over storage time.

This study showed that the rheological behavior of G, K and Bg alone in a clarified apple

juice change over time. Bg was the polysaccharide that undergoes the greatest changes.

Adding X was beneficial to the fibers, particularly for K, because it slowed down the

reactions. Significant increase in viscosity of BGX beverage limits its use in beverage

formulations. Thus, only GX and KX, wiches are more stable, will be tested in vivo.

Storage of beverages at 20 °C was not desirable because changes in viscosity and turbidity

60

appeared faster than at 4 °C. Particular attention should be given to the choice of juice base

because it may influence polysaccharides viscosity induction. Antioxidant compounds

naturally present in numerous fruits and vegetables, e.g., anthocyanins, phenolic acids,

tannins and flavonoids, could also contribute to stabilizing dietary fibers.

61

Table 2.1: Composition of beverages

Beverages Abbreviation Ratio

(FPS:X) [Ref.]

[PS] total

(%, w/w)

Control C --- ---

Barley β-glucan Bg --- 1.040

Barley β-glucan/Xanthan gum BgX 80:20 [204] 1.300

Konjac-mannan K --- 0.288

Konjac-mannan/Xanthan gum KX 90:10 0.320

Guar gum G --- 0.235

Guar gum/Xanthan gum GX 50:50 [28] 0.470

Xanthan gum X --- 0.260

Legend: FPS: Functional polysaccharides; X: Xanthan gum.

62

Table 2.2: Concentration of stock solutions used for

each beverage

Stock solutions Concentration

(%, w/w)

Beverages

Barley β-glucan 2.0 Bg, BgX

Guar gum 0.8 G, GX

Konjac-mannan 0.8 K, KX

Xanthan gum 1.5 Bg, BgX

Xanthan gum 0.8 K, KX, G, GX

63

Figure 2.1: Initial rheological profile measured at 37 °C of pasteurized beverages enriched

in polysaccharides alone A) and in mixture with xanthan gum B).

64

Figure 2.2: Rheological profile measured at 37 °C of beverages pasteurized (P) or

untreated (U) in β-glucan alone A) and in mixture with xanthan gum B) at t = 0 (0) and 1

week (1).

65

Figure 2.3: Effect of pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages

enriched in β-glucan alone A) and in mixture with xanthan gum B) over time. t=0: initial

viscosity; t=1: viscosity measured after one week; *significantly different (p < 0.01) from initial viscosity.

66

Figure 2.4: Effect of the pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of

beverages enriched in guar gum alone A) and in mixture with xanthan gum B) over time.

* Significantly different (p <0.01) from pasteurized beverage.

67

Figure 2.5: Effect of the pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of

beverages enriched in konjac-mannan alone A) and in mixture with xanthan gum B) over

time. * Significantly different (p <0.01) from pasteurized beverage.

68

Figure 2.6: Effect of the pasteurization on the turbidity of beverage enriched in β-glucan

alone A) and in mixture with xanthan gum B) over time. t=0: initial viscosity; t=1: viscosity after

one week; * significantly different (p <0.01) from initial turbidity.

69

Figure 2.7: Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in β-glucan alone

(open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled symboles) stored at 4 °C ( ) or

20 °C ( ) over time. * Significantly different (p < 0.01) from initial viscosity.

*

* *

*

*

*

* *

70

Figure 2.8 : Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in guar gum alone

(open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled symbols) stored at 4 °C ( ) or 20

°C ( ) over time. * Significantly different (p < 0.01) from initial viscosity; † significant differences

(p < 0.01) between 4 °C and 20 °C.

*

*

* * *

*

* *

*

† †

†

† †

†

†

71

Figure 2.9 : Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in konjac-mannan

alone (open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled symbols) stored at 4°C

( ) or 20°C ( ) over time. * Significantly different (p < 0.01) from initial viscosity; † significant

differences (p < 0.01) between 4 °C and 20 °C.

*

*

* *

*

*

*

*

*

† † † †

†

† †

72

Figure 2.10: Effect of time on turbidity of beverage enriched in β-glucan alone ( ) and in

mixture with xanthan gum ( ). * Significantly different (p <0.01) from initial turbidity; † significantly

different (p <0.01) from the turbidity measured after one week.

*

*

† † †

*

73

Table 2.3: Polysaccharide average molecular weight.

Polysaccharides Mw

(kDa)

Barley β-glucan Peak #1 : 914 Peak #2: 130

Guar gum 2 772

Konjac-mannan 3 087

Xanthan gum 2 776

Legend: Mw: average molecular weight

74

Table 2.4: Difference of viscosity between beverages prepared under

laboratory and pilot scale conditions.

Beverages Concentration

(%, w/w)

Viscosity at 30 s-1 37 °C

Laboratory

(± 0.005 Pa*s)

Pilot

(± 0.005 Pa*s)

BgX 1.35 0.219 0.265

GX 0.47 0.206 0.190

KX 0.33 0.189 0.216

Legend : BgX : Barley β-glucan/xanthan gum mixture; GX: guar gum/xanthan gum

mixture; KX: Konjac-mannan/xanthan gum mixture

75

Figure 2.11: Beverage enriched in β-glucan alone after

eight weeks of storage at 20 °C.

76

Figure 2.12: Beverage enriched in a mixture of

β-glucan-xanthan gum after eight weeks of storage at

20 °C.

77

Chapitre 3: Effet de la consommation de breuvages à

base de jus de fruits enrichis en fibre alimentaire et en

gomme xanthane sur les réponses glycémique et

insulinémique de même que sur les sensations d’appétit

chez des hommes en bonne santé

“Effect of fruit juice based beverages enriched with dietary fiber

and xanthan gum on the glycemic and insulinemic responses

as well as on appetite sensations in healthy men”

Émilie Paquet1,2, Simone Lemieux2* et Sylvie L. Turgeon1,2

1 STELA Dairy Research Centre and 2 Institute of Nutraceuticals and Functional

Foods (INAF), Université Laval, Québec, Qc, Canada G1K 7P4

L’objectif de ce chapitre était de vérifier l’effet de deux breuvages enrichis en fibres

alimentaires et en gomme xanthane, détenant la même viscosité, sur la réponse glycémique

et insulinémique de volontaires masculins en bonne santé comparativement à un breuvage

témoin sans polysaccharide. Les sensations de satiété ont également été recensées au

moyen d’échelles visuelles analogues. Les résultats obtenus ont permis d’émettre des

propositions quant à l’importance de la viscosité dans le mécanisme d’action des fibres

alimentaires sur la modulation de la réponse glycémique.

*Corresponding author. E-mail address: [email protected].

Tel: + 1 418 656-2131 ext.3637. Fax: +1 418 656-5877.

78

3.1 Résumé

Les fibres alimentaires sont grandement étudiées en raison de leurs nombreux attributs

santé, dont le contrôle de la réponse glycémique, de la perte de poids et de la concentration

en lipides sanguins. Leur mécanisme d’action semble étroitement lié à la viscosité induite

dans le tractus gastro-intestinal. Toutefois, la majorité des études compare l’effet des

différentes fibres selon leur concentration et non selon leur viscosité. Des travaux récents

ont rapporté un effet bénéfique sur la réponse glycémique générée après l’ingestion d’un

breuvage à base de jus de fruit enrichi en un mélange synergique de gomme xanthane (X) et

de β-glucane d’avoine détenant une viscosité de 0,18 Pa*s à 30 s-1 37 °C. Par conséquent,

l’objectif de cette étude était de déterminer si ces paramètres de viscosité appliqués à la

gomme de guar (G) et au konjac-mannane (K), deux fibres relativement stables dans le

temps et envers les procédés de transformation, en mélange avec la X (soit GX et KX),

contribuent significativement à diminuer la glycémie et l’insulinémie postprandiale de 20

sujets masculins sains. Dans un devis randomisé en chassé-croisé, chaque volontaire a

consommé, en respectant un délai d’une semaine entre chaque test, deux breuvages enrichis

en fibres (GX et KX), à viscosité égale, de même qu’un breuvage témoin sans fibre. Huit

prises de sang étaient effectuées suite à la consommation des breuvages afin de mesurer la

concentration sanguine de glucose, d’insuline et de C-peptide. Les sensations d’appétit ont

également été évaluées au moyen d’échelles visuelles analogues. L’ajout de fibres aux

niveaux choisis n’a pas réussi à diminuer significativement la réponse glycémique et

insulinémique de même que la concentration en C-peptide comparativement au témoin.

Toutefois, la consommation du breuvage KX a procuré une sensation de plénitude

significativement (p < 0,05) plus grande que celle ressentie avec le breuvage GX de même

qu’une tendance à diminuer le désir de manger comparativement à ce même breuvage. Ces

résultats démontrent que la nature de la fibre a un effet probablement plus déterminant que

la viscosité sur les sensations d’appétit. Néanmoins, d’autres études seront nécessaires pour

déterminer la viscosité et la concentration minimales bénéfiques en GX et en KX

supplémentés dans des breuvages, pour observer des effets sur la glycémie et l’insulinémie.

Mot-clé : Gomme de guar, konjac-mannan, gomme xanthane, viscosité, glycémie,

insulinémie, C-peptide, satiété.

79

3.2 Abstract

Dietary fibers are widely studied because of their numerous health attributes such as the

regulation of blood glucose response, body weight and blood lipid concentrations. Their

mechanism seems closely related to the viscosity induced in the gastrointestinal tract.

However, most studies have compared the effect of different fibers according to a given

concentration rather than to a given viscosity. Recent studies have reported a beneficial

physiological effect on glycemic response after ingestion of a fruit beverage enriched in a

synergistic blend of xanthan gum (X) and oat β-glucan holding a viscosity of 0.18 Pa*s to

30 s-1 37 °C. Therefore, the objective of this study was to determine if guar gum (G) and

konjac-mannan (K) in mixture with X (GX and KX), at this viscosity value, contribute

significantly to reduce the postprandial glucose and insulin levels of 20 healthy male

subjects. In a randomized crossover design, each volunteer had to drink two beverages

enriched with fibers (GX and KX) with a common viscosity as well as a control beverage

without fiber. One week wash-out separated the testing of each beverage. Eight blood

samples were performed to measure blood levels of glucose, insulin and C-peptide after the

consumption of each beverage. Appetite sensations were also assessed using visual

analogue scales. Adding the amount of fiber required to obtain the targeted viscosity failed

to significantly reduce blood glucose, insulin and C-peptide responses compared to the

control beverage. However, consumption of the beverage enriched with KX brought a

fullness feeling significantly (p < 0.05) higher than the one after GX beverage ingestion.

KX enriched beverage also tended to decrease the desire to eat compared to the GX

beverage. These results suggest that the nature of the fiber probably has a more important

effect than the viscosity on the modulation of satiety. Further studies will be required to

determine polysaccharide viscosity and concentration needed to obtain significant effects

on glycemic and insulinemic responses for beverage enriched in GX and KX.

Keywords: Guar gum, konjac-mannan, xanthan gum, viscosity, glycemia, insulinemia,

C-peptide, satiety.

80

3.3 Introduction

It is estimated that 47 millions of adults in the United States are affected by the metabolic

syndrome, which is a constellation of risk factors for type 2 diabetes and cardiovascular

diseases [235, 236]. According to several studies, changes in lifestyle lead to significant

improvements in markers of the metabolic syndrome and significant reduction of

cardiovascular disease and type 2 diabetes risk. Accordingly, adopting a healthy diet rich in

fibers and low in fat has been recommended [237, 238].

Dietary fibers intake can decrease postprandial glycemia and insulinemia and enhance

insulin sensitivity [61, 239]. Several studies have claimed that the effect of dietary fibers,

especially soluble fibres, on glycemic response depends on their capacity to develop

viscosity [75, 87, 88, 116, 200]. In fact, fiber viscosity would mainly act on two levels:

slowing the rate of gastric emptying and decreasing the absorption of glucose in the lumen

of small intestine [10, 239]. However, most studies have compared the effect of different

fibers as a function of their concentration and not in terms of their viscosity. Study of Wood

(2004) is one of the first to establish a relationship between viscosity induced by a

polysaccharide (oat β-glucan) and the glycemic response. According to his work, β-glucan

must induce a viscosity at 30 s-1 (shear rate representing the hypothetical peristaltic

movements of the gastro-intestinal) between 0.1 and 1 Pa*s in order to decrease the blood

glucose concentration by 0.3 mmol/L after an ingestion of 50 g glucose [11]. Specifically,

Paquin (2008) showed that a fruit juice beverage enriched with a mixture of oat β-glucan

and xanthan gum holding a viscosity of 0.18 Pa*s at 30 s-1 (viscosity at the limit of

acceptability by the consumer) was able to significantly reduce the peak in postprandial

blood glucose by 0.9 mmol/L [205]. Since these effects were based on β-glucan, it is

unclear whether the same viscosity would be valid for other functional polysaccharides.

It has also been proposed that the viscosity of dietary fibers would promote satiety and

would facilitate body weight control [61, 72, 240, 241]. In fact, the increase of chyme

viscosity in the gut by soluble dietary fibers would promote gastric distension, slow down

the gastric emptying time and prolong the small intestine transit time, which may increase

81

satiety and satiation after meals by mediating signals to the central nervous system [114].

These reactions would also slow down the absorption rate of macronutrients and

consequently affect the secretion of hunger-related hormones such as cholecystokinin

(CCK), glucagon-like peptide-1 (GLP-1), and peptide YY (PYY) [241]. Again, previous

studies on the effects of fibers on appetite sensations were mainly based on different fibers

at the same concentration rather than different fibers at the same viscosity.

In light of previous works, guar gum and konjac-mannan are dietary fibers known to

attenuate both blood glucose and insulin responses [76, 122, 201, 202] and promote satiety

[6, 201, 242]. Considering that fruit based beverages represent a good vector to deliver

dietary fibers, the aim of this study was to determine if a fruit juice beverage enriched in a

mixture polysaccharide (guar gum or konjac-mannan) and xanthan gum with a viscosity of

0.18 Pa*s, 30 s-1 at 37 °C would significantly decrease postprandial glycemia and

insulinemia in healthy subjects. The effect of these fruit beverages on appetite sensations

was also tested.

3.4 Material and methods

3.4.1 Material

Two readily available commercial dietary fibers were used: guar gum (TIC Pretested®

GuarNT® Flavor Free 4000, TIC GUMS, Philadelphia, MD, USA) and konjac-mannan

(TIC Pretested® Ticagel® Konjac High Viscosity, TIC GUMS, Philadelphia, MD, USA).

Binary mixtures of polysaccharides were performed in combination with xanthan gum (TIC

Pretested® Ticaxan®, TIC GUMS, Philadelphia, MD, USA), because, as mentioned

previously, the latter acts in synergy with guar gum and konjac-mannan. As previously

determined by HPSEC-MALLS (see chapter 2), polysaccharides average molecular weight

was 2 772 kDa for guar gum, 2 087 kDa for konjac-mannan and 2 776 kDa for xanthan

gum. Fibers were incorporated into a clarified apple juice concentrate kindly donated by

Industries Lassonde, Rougemont, QC, Canada to which water was added to formulate the

82

beverage. Apple juice has been chosen as its clarity facilitates the observation of

destabilization phenomena (formation of a precipitate, color change, opalescence).

3.4.2 Beverage formulation

Three beverages (two enriched in dietary fibers and xanthan gum and one control beverage

without polysaccharide) were formulated to be tested. Table 3.1 presents the composition

of each beverage. As mentioned in chapter 2, ratio and final concentration of

polysaccharides have been chosen in order to have a similar target viscosity of 0.18 Pa*s at

37 °C (related to body temperature), 30 s-1 (related to the hypothetic shear rate in gastro-

intestinal tract [11]). The viscosity setting has been based according to previous work that

showed that beverages enriched in polysaccharides under those conditions had a significant

effect on glycemic response and also preserved acceptable organoleptic characteristics

[205]. One batch of each beverage was prepared to avoid variations in physico-chemical

properties.

3.4.3 Beverage preparation

First, 0.8 % (w/w) stock solutions of each polysaccharide were prepared. Konjac-mannan,

guar gum and xanthan gum were dissolved in deionized water at room temperature using an

axial flow impeller (A-100, Cole-Parmer, Vernon Hills, IL, USA; diameter of 69 mm, pitch

of 38 mm) at 1500 rpm (konjac-mannan and guar gum) or 600 rpm (xanthan gum) for two

hours. After hydration, stock solutions were stored at 4 ± 2 °C overnight (~18 hours). The

following day, polysaccharides, concentrated juice and water were blended and stirred at

1200 rpm with a four inches three palm helix paddle (EVIP25M, Lightnin Mixers &

Aerators, Richester, NY, USA) during 15 minutes at room temperature to homogenize the

mixture. Beverages were pasteurized using a tubular heat exchanger (UHT/HTST Lab-25

HV, MicroThermic Inc., Raleigh, NC, USA) at 97 ± 1 °C during 30 seconds, cooled at

21 ± 1 °C for beverages enriched in fibers and 10 ± 1 °C for the control beverage and then

bottled in 300 mL poly(ethylene terephthalate) (PET) bottles. After this process, beverages

were stored in a refrigerator at 4 ± 2 °C.

83

3.4.5 Beverage physico-chemical analysis

Viscosity and pH measurement of beverages were performed every week (for 7 weeks)

until the end of the clinical study to verify whether some changes would occur over time.

Rheological measurement was performed at 37 ± 1 °C (body temperature) with a shear-rate

controlled rheometer (ARES-100FRT, TA Instruments, New Castle, DE, USA) equipped

with a couette-type sensor (couette diameter of 33.93 mm, bob diameter and length of

32.05 mm and 33.29 mm). TA Orchestrator v7.2.0.2 (TA Instruments-Water LLC, New

Castle, DE, USA) was used. Shear-rate range explored for the complete profile was from

0.03 up to 1000 s-1 and a specific attention was given at 30 s-1 (as mentioned previously).

pH evaluation was done with a pH-meter (pH-meter Smphony SB20, VWR®, West

Chester, PA, USA). Total glucose concentration for each beverage was also determined

using an enzymatic kit (Sucrose/D-Glucose/D-Fructose UV Method, R-Biopharm Inc.,

South Marshall, MI, USA).

3.4.6 Subjects and design

Twenty healthy non-smoker men aged from 20 to 55 years old were recruited. All subjects

went through a screening test to validate their eligibility. Table 3.2 presents average

concentration of HDL-cholesterol, LDL-cholesterol, total cholesterol to HDL-cholesterol

ratio, triglycerides and glucose measured in the fasting state (12 hours overnight fast). The

study was approved by the Research Ethics Committee of Université Laval. Informed

written consent was obtained from all participants. Subjects received a financial

compensation if they completed the study.

The study followed a randomized crossover design. Volunteers came three times, with at

least one week in between, to the Clinical Investigation Unit of the Institut des

Nutraceutiques et des Aliments Fonctionnels (INAF) to drink 300 mL of one of the three

different beverages. Subjects had to fast 12 hours overnight and to avoid alcohol intake and

strenuous physical training for 48 hours before testing. The sequence of beverage intake

was randomized for each subjects using a Microsoft Excel 2007 application. Before each

84

test, body weight was measured to the nearest 0.1 kg on a calibrated balance to verify the

stability of body weight.

Blood samples through a venous catheter from an antecubital vein were collected in SST

plastic tubes with silica clot activator, polymer gel and silicone-coated interior (SST™

Tube, BD Vacutainer® Blood Collection Tube, Becton Dickinison, Franklin Lakes, NJ,

USA) at -15, 0, 30, 60, 90, 120, 150 and 180 minutes after beverage intake. Samples were

then centrifuged and serum was transferred into screw cap micro tube (0.5 mL screw cap

micro tube, Sarstedt Inc., Montréal, QC, Canada) for determination of glucose, insulin and

C-peptide concentration. Glycaemia was measured using an enzymatic kit (Gluco-quant;

Glucose/HK, Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Germany) while insulin and C-peptide

concentrations were determined by an immunologic test using electrochemiluminescence

(ECLIA) (Elecsys Insulin or C-peptide, Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Germany).

The latter analysis uses two monoclonal antibodies which interaction is specific for human

insulin or C-peptide.

The time to peak (PEAK), the incremental peak (DIFF) and the incremental area under the

curve (AUC0-180 min) were evaluated for each variable. PEAK corresponds to the time at

which concentration of glucose, insulin or C-peptide was found to be maximal. DIFF

evaluates the difference between concentration at peak and the concentration in the fasting

state. AUC0-180 min was determined with the trapezoidal method. Glucose, insulin and

C-peptide AUC0-180 min were calculated by subtracting the fasting area (fasting level over

180 min) from the total area under the curve.

Appetite sensations were also evaluated by visual analogous scales (VAS) at -15, 0, 30, 60,

90, 120, 150 and 180 min. Protocol was adapted from Hill & Blundell (1986) [243]. Four

questions composed the VAS questionnaire:

• How strong is your desire to eat? (very weak / very strong);

• How hungry do you feel? (not hungry at all / as hungry as I have ever felt);

85

• How full do you feel? (not full at all / very full);

• How much food do you think you could eat? (nothing at all / a large amount).

The same four questions were asked after each blood sampling. In addition, the sensorial

appreciation of the beverage was assessed immediately after consumption of the beverage

using the following question:

• To which extent have you liked the beverage? (very much /not at all)

For each question, subjects were asked to position a vertical line on the 150 mm scale to

indicate their perception. Data compilation was performed by measuring the distance

between the lower bound and the line drawn. The appetite score which characterises the

overall subjective appetite using following formula was also measured at each time point.

Appetite score = VAS hunger + VAS desire to eat + VAS prospective consumption + (150 –VAS fullness) [244]

4

The time to peak (PEAK) and the incremental area under the curve (AUC0-180 min) were also

measured as described above for all appetite sensations. Moreover, the time elapsed before

going back to the baseline value (TBAS) which indicates the time spent over the baseline

for fullness and below the baseline for desire to eat, hunger and prospective food

consumption was also determined.

3.4.7 Statistical analyses

All statistical analyses were performed using SAS v9.2 (SAS Institute Inc., Cary, NC,

USA). For pH and viscosity analyses, the assumptions of normality were verified with the

Shapiro-Wilk's test, while the homogeneity of variances was verified with the Bartlett's chi-

square statistic. The inference was made at the α = 0.01 level of significance because of the

86

high power of the statistical tests and because there are many factors involved in the

experiment. Repeated measures Anova model was used on both pH and viscosity data, with

time of measurements (weeks) as a covariate. This model allows studying the presence of a

gradient in the measurements in any particular juice. The logarithmic transformation was

applied to the viscosity’s data in order to satisfy the assumptions of the model while for the

pH values, no transformation was needed.

For glycemic and insulinemic responses as well as for appetite sensations, data were

expressed as mean ± standard error of the mean (S.E.M.) for data presented in figures or

standard deviation of the mean (S.D.) for data presented in tables. Statistical significance

was also evaluated with a repeated measurement Anova model. A Turkey-Kramer’s

multiple comparisons test was performed when a main group effect was found with Anova.

The inference was made at the α = 0.05 level of significance. Appendice C presents Anova

tables for each performed test.

3.5 Results

3.5.1 Viscosity, pH and sugar concentration

Baseline viscosity values of the two enriched beverages were identical (Figure 3.1).

However, when calculating the mean of viscosity for values measured over the 7-week

period a significant difference (p < 0.01) was observed. In fact, mean viscosity of the KX

beverage was slightly but significantly higher than the GX beverage (0.190 vs. 0.178 Pa*s)

(Table 3.3). A significant (p < 0.01) juice effect was also seen with the mean pH values;

KX and control beverages had lower pH values than the GX beverage (4.26 and 4.32

respectively vs. 4.20) (Table 3.3). Enzymatic test revealed that all beverages contained

8.7 ± 0.5 g of glucose (29 ± 1 g of total sugar) by 300 mL serving.

87

3.5.2 Serum glucose, insulin and C-peptide concentrations

Fasting concentration of blood glucose, insulin and C-peptide concentration did not differ

significantly according to the beverage studied (Table 3.4). As it can be seen in figures 3.2

to 3.4, no significant difference in postprandial response were found between the three

beverages resulting in similar AUC0-180 min for glucose, insulin and C-peptide. Only

C-peptide concentration at 30 minutes was significantly (p < 0.05) lower for the KX

beverage than for the control beverage (Figure 3.4). Furthermore, no significant difference

in PEAK and DIFF were observed between beverages (Table 3.4). However, it was found

that ingestion of the KX-enriched beverage tends to result in higher serum insulin

concentration at 60 minutes than the ingestion of the two other beverages (p = 0.083) and

PEAK for insulin value for the KX-enriched beverage tended to be higher than the PEAK

insulin value measured following the ingestion of the GX beverage (p = 0.073).

3.5.3 Appetite sensations

The control juice was significantly more appreciated than KX and GX beverage whereas no

significant difference was observed between KX and GX-enriched beverages (GX: 52%

KX: 49%) (Figure 3.5).

Figures 3.6 to 3.9 represent the mean response to the four appetite sensations. As shown in

Figures 3.7 and 3.9, no significant difference was found between the three beverages for

hunger and prospective food consumption. Ingestion of beverage enriched in KX was

characterized by a feeling of fullness that was significantly (p < 0.05) greater than the one

experienced following the ingestion of the GX beverage (AUC0-180 min: -1 vs. 287) (Figure

3.8). However, fullness perceived after the ingestion of GX and KX beverages was not

significantly different from the fullness perceived after ingestion of the control beverage.

Moreover, it was observed that TBAS for the desire to eat following KX beverages intake

was significantly (p < 0.05) higher than the value measured following the ingestion of the

control beverage. Also, AUC0-180 min in desire to eat of GX beverage tended (p =0.065) to be

88

lower than AUC0-180 min for KX beverage (Figure 3.6) while no significant difference was

found when either enriched beverage was compared to the control beverage.

The overall subjective appetite score is presented in Figure 3.10. Analyses were performed

with pre-ingestion value (t = -15 min) entered as a covariate. For most of the time points

(except at 0, 30 and 120 min), the KX-enriched beverage provided a subjective feeling of

overall appetite significantly lower than the GX and, at 30 minutes, than the control

beverage. At 180 min, the overall subjective appetite score was significantly lower for KX-

enriched beverage than for both GX-enriched beverage and control beverage.

PEAK for all appetite sensations did not differ significantly according to the beverage

studied (Table 3.5).

3.6 Discussion

This study was the first to report the effects of dietary fibers in mixture with xanthan gum

holding a commun viscosity at 30 s-1 on glycemic and insulinemic responses as well as on

appetite sensations. Our results showed that fruit beverages enriched with either GX or KX

with a viscosity of 0.18 Pa*s at 30 s-1 37 °C had globally no significant effect on

postprandial glucose, insulin or C-peptide concentrations. Despite the absence of

significant effects on variables related to glucose homeostasis, beverage enriched in KX

had significant effects on appetite sensations as it was associated with higher fullness and

tended to lower the desire to eat.

Our results regarding postprandial glycemia are discordant from those obtained by Paquin

(2008) [205] who showed that a pasteurized fruit beverage enriched with a mixture of oat

β-glucan and xanthan gum sharing the same viscosity than the one obtained in our study,

under the same conditions, reduced significantly the peak of blood glucose generated after

ingestion of the enriched beverage. This suggests that all polysaccharide and

polysaccharide mixes do not physiologically behave the same at a given viscosity. It can

89

also be suggested that viscosity changes during digestion are not the same for all types of

fibres or fibre mixtures.

In line with this, study of Edwards et al. (1987) reported that the polysaccharide mixture

(locust bean gum in combination with xanthan gum) which induced the greatest viscosity

into a glucose drink did not reduce blood glucose and insulin levels to any greater extent

than the other polysaccharides (generating less viscosity) although the mix was the most

effective at inhibiting glucose movement across a three-compartment cell model [22].

Authors suggested that this discrepancy was probably due to the change in viscous

properties as polysaccharides passed from mouth to duodenum. In fact, being indigestible,

dietary fibers cannot be degraded by human enzymes. However, pH and salt concentration

can mainly influence their structure and consequently induce viscosity. In an in vitro study,

Edward et al. (1987) have demonstrated that acidification of xanthan gum alone slightly

increased solution viscosity by 38% while viscosity of locust bean gum decreased by 25%

[22]. Change in viscosity of the mix of both gums was greater with a significant 87%

viscosity loss. However, other studies reported increases in viscosity of dietary fibers

solution upon acidification [85, 245]. This discrepancy in viscosity changes in response to

pH decreases might be due to various factors like dilution factor, salt concentration and pH

differing from one study to another. Furthermore, the subsequent neutralization occurring

in intestine did not allow viscosity to reach high values again [22]. Therefore dietary fibers

may react differently to pH changes depending on their nature and the presence of other

polysaccharides.

Secondly, it seems that despite the increase in apparent viscosity of human gastric contents

after ingestion of a high consistency food, increasing viscosity of the chyme would not be

proportional. In fact, Marciani et al. (2000) have shown by echo-planar magnetic resonance

imaging in humans that increasing viscosity 1000 times slows gastric emptying time only

by 1.3 times [83]. This low response was probably due to significant increase in gastric

secretions happening in order to reduce the gastric emptying time [84, 85]. In fact the more

viscous is the food, the more important is the volume of gastric secretions [83, 86].

90

Therefore, all those studies suggest that viscosity is not the only factor that impact on

glycemia; nature of the polysaccharide also influences postprandial glycemic response.

In line with this, study on mice under controlled diet showed that consumption of 4%

barley β-glucan promoted insulin sensitivity and improved glucose tolerance [246]. In fact,

barley β-glucan would interact with insulin receptor increasing insulin signalling and likely

suppress glucose production. Since the postprandial plasma insulin levels were essentially

unchanged, this finding suggested an increased responsiveness to insulin. According to

Choi et al. (2010), these beneficial effects could be the consequence of several mechanisms

acting in parallel achieved by reducing de novo lipid synthesis, decreasing lipid storage and

improving insulin signalling in hepatic tissues [246]. Thus, this study puts in perspective

the importance of fiber structure in the mechanism of action on glycemic response rather

than viscosity per se in the gastrointestinal tract.

The concentrations of dietary fibers used in our study could also have had an impact on the

glycemic and insulinemic responses observed. Compared with our results, significant

changes in postprandial glucose concentrations were reported in many studies which have

examined the effects of konjac-mannan and guar gum consumption [76, 122, 142, 152,

163]. This discrepancy is probably due to the fact that, the majority of studies

demonstrating that konjac-mannan and guar gum significantly reduced glycemic and / or

insulin responses involved ingestion of 1 g or more of dietary fibers [82, 202]. Although the

viscosity reached in our beverage was in the range known to have beneficial effects on

glycemic responses [11, 205], the dietary fibers concentrations (0.22% for guar gum and

0.26% for konjac-mannan) incorporated in the beverages were lower than those recognized

in literature to promote a beneficial physiological effect. However, assessment of the

beverages indicated that organoleptic quality of the beverages enriched with dietary fiber

was found to be at the lower threshold of acceptability. Though, in regard to a potential

commercialization of fiber-enriched beverages, quantity of polysaccharides added cannot

be higher and ideally should be lower than what was found in our enriched beverages.

91

In our study, we used xanthan gum for its synergy with konjac-mannan and guar gum in

our enriched beverages. Since we hypothesized that viscosity was the critical aspect to

control for inducing changes in glycemic and insulinemic responses, addition of xanthan

gum to our mixture was a logical choice. In fact, xanthan gum is widely recognized for its

high stability in presence of salt and over a broad range of pH value [194] and was

therefore chosen to help preserve and stabilize viscosity induced in our enriched beverages.

However, since results of the present study suggest that viscosity is not the sole factor

involved in the regulation of glycemia and insulinemia and considering the hypothesis that

the nature of dietary fibre is also an important factor to consider, it is possible that the

structure of xanthan gum might have impede the effects of KX or GX on glycemic control.

Accordingly, it is interesting to note that effects of xanthan gum alone on glucose

homeostasis are inconsistent. In fact, Eastwood et al. (1987), showed that a daily intake of

either 10.4 or 12.9 g of xanthan gum during 23 consecutive days had no significant effect

on glucose tolerance and insulin secretion [247]. However, a study on healthy subject

showed that a simple dose of 2.5 g of xanthan gum improve significantly glucose tolerance

and reduced insulinemic response [22]. Further studies will be needed to verify whether

xanthan can interact with konjac-mannan and guar gum to reduce their potential beneficial

effects on glycemic and insulinemic responses.

Although no acute effect on the modulation of blood glucose and plasma insulin response

was observed, our study showed that consumption of beverages rich in dietary fibers may

have a significant effect on food intake. In fact, results from the measurement of appetite

sensations and appetite score showed that KX beverage globally decreased appetite more

than the control and than the GX beverages. The satiety effect of konjac-mannan is in

accordance with several other studies [15, 152, 242, 248]. Potentially, that could have some

repercussions on the regulation of energy balance and therefore body weight. Given that

weight loss can improve insulin sensitivity [249], dietary fibers acting on satiety could, in

the long term, impact on glycemic and insulinemic control through the regulation of energy

balance [72, 75].

92

It is somewhat surprising that guar gum had no effect on satiety compared to the control

beverage since a number of studies have showed opposite data [6, 114, 250]. This

discordance may be due to the use of deodorized guar gum in our study and/or the lower

concentration of polysaccharide (below 1g). Original guar gum has a poor palatability

which limits its practical use especially in beverage and liquid meals [251]. In humans there

are several factors that influence food intake such as sensory factors. For example,

appearance, taste, smell and texture of food have all been demonstrated to impact on food

intake [252]. Food consumption is favoured if the product is palatable, but it decreases if

the sensation is unpleasant [253]. Thus, the usually poor palatability of guar gum could

explain its impact on satiety in previous studies. Moreover, beverages enriched in KX were

slightly but significantly more viscous than the GX. Although this difference had no

significant effect on blood glucose and insulin responses, it was noticed by participants

when they drank the beverage. This increase in perceived viscosity could also have

influenced appetite sensation associated with KX beverage. Moreover, to our knowledge,

no study has yet reported effects of xanthan gum on appetite sensations.

3.7 Conclusion

Results from our study suggest that for the same viscosity measured, the satiety effects

depend on the fibres ingested with KX enriched beverage globally decreasing the subjective

appetite sensations compared to GX and control beverage Our results along with other

published papers suggest that viscosity cannot be the only factor influencing blood glucose

and insulin concentrations. In the future, it would be interesting to evaluate, in vitro, the

impact of the same mixes of polysaccharides on gene expression involved in glucose and

insulin pathway. Moreover, to achieve a better evaluation of the impact of dietary fibers on

the satiety, a study measuring energy intake of volunteers during a buffet meal following

the beverage consumption could be realized.

93

Table 3.1: Composition of beverages

Beverages Abbreviation Ratio

(PS:X) [Ref.]

[PS] total

(%, w/w)

[Fiber]

(%, w/w)

[X]

(%, w/w)

Control C --- --- --- ---

Konjac-Xanthan KX 90:10 0.290 0.261 0.029

Guar-Xanthan GX 50:50 [28] 0.440 0.220 0.220

Legend: PS: Functional polysaccharide (dietary fibers); X: xanthan gum.

94

Table 3.2: Subject’s characteristics

Characteristics Values a

Age (years) 28 ± 7

Height (cm) 177.1 ± 7.8

Weight (kg) 76.7 ± 14.0

BMI (kg/m2) 24.4 ± 4.0

LDL-cholesterol (mmol/L) 2.62 ± 0.78

HDL-cholesterol (mmol/L) 1.31 ± 0.25

Total cholesterol /HDL-cholesterol (mmol/L) 3.44 ± 0.94

Triglycerides (mmol/L) 0.98 ± 0.46

Fasting glycaemia (mmol/L) 5.14 ± 0.36 a:

Mean ± S.D.; n = 20

Legend: BMI: Body mass index; LDL: Low-density lipoprotein;

HDL: High-density lipoprotein

95

Figure 3.1: Viscosity at 37 °C 30 s-1 of the three different beverages measured weekly

during the study. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum

mixture.

96

Table 3.3: Mean viscosity and pH value of beverages measured

weekly over a 7-week period. a

Beverages Viscosity at 30 s-1 37 °C

(m Pa*s) pH

Control a 0.90 ± 0.03 a 4.32 ± 0.06

GX b 178 ± 2 b 4.20 ± 0.02

KX c 190 ± 4 a 4.26 ± 0.03

a: Data are presented as mean ± S.D.

Legend: GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan –

xanthan gum mixture; Values with the same letter are not significantly

different at p < 0.01.

97

Table 3.4: Effect of beverages enriched with dietary fibers on the time to peak (PEAK) and

the increment blood glucose concentration between 0 and 30 minutes (DIFF) for the blood

glucose, insulin and C-peptide concentrations. a

PEAK (min) DIFF (mmol/L)

Control GX KX Control GX KX

[Blood glucose] (mmol/L) 33 ± 9 32 ± 7 30 ± 0 1.9 ± 0.6 1.8 ± 0.7 1.7 ± 0.4

[Blood insulin] (pmol/L) 38 ± 13 32 ± 7 39 ± 14 †

[Blood C-peptide] (pmol/L) 39 ± 14 41 ± 18 44 ± 15


Legend: GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture; AUC0-180 min:

response; PEAK: time at which concentration of the variable was found to be maximal; DIFF: difference

between the blood glucose concentration at 0 and 30 minutes; † tendency to be different from the GX

beverage (p = 0.073).

98

Figure 3.2: Incremental changes from baseline in serum glucose concentration after

ingestion of the three different beverages enriched or not with polysaccharides. GX: guar gum

– xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture; AUC0-180 min: incremental area under the

curve. Data are presented as mean ± S.E.M.

99

Figure 3.3: Incremental changes from baseline in serum insulin concentration after



curve. †: tendency for a group effect (p = 0.083). Data are presented as mean ± S.E.M.

100

Figure 3.4: Incremental changes from baseline in serum C-peptide concentration after



curve. * Significantly different between the control and the KX beverage (p < 0.05). Data are presented as

mean ± S.E.M.

101

Figure 3.5: Mean appreciation of the three beverages: like

the beverage very much (100 %); not at all (0 %). GX: guar

gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum

mixture; **: significantly different from control (p <0.01). Data are

presented as mean ± S.E.M.

102

Figure 3.6: Change in desire to eat as assessed by visual analogous scales, before and after

consumption of beverages. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum

mixture; AUC0-180 min: incremental area under the curve. †: tendency to be different from the GX beverage

(p = 0.065). Data are presented as mean ± S.E.M.

103

Figure 3.7: Change in perception of hunger as assessed by visual analogous scales, before

and after consumption of beverages. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan –

xanthan gum mixture: AUC0-180 min: incremental area under the curve. Data are presented as mean ± S.E.M.

104

Figure 3.8: Change in perception of fullness as assessed by visual analogous scales, before

and after consumption of beverages. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan –

xanthan gum mixture; AUC0-180 min: incremental area under the curve. *: significantly different from the GX

beverage (p < 0.05). Data are presented as mean ± S.E.M.

105

Figure 3.9: Change in prospective of food consumption as assessed by visual analogous

scales, before and after consumption of beverages. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX:

konjac-mannan – xanthan gum mixture; AUC0-180 min: incremental area under the curve. Data are presented as

mean ± S.E.M.

106

Table 3.5: Effect of beverages enriched with polysaccharide on the time to peak, area above the baseline and incremental area

under the curve as well as each sample time on the appetite sensations compared to the control juice. a

Desire to eat Hunger Fullness Prospective of

food consumption

Control GX KX Control GX KX Control GX KX Control GX KX

PEAK 35 ± 47 13 ± 33 26 ± 34 38 ± 54 21 ± 40 39 ± 45 48 ± 56 17 ± 33 35 ± 34 37 ± 53 17 ± 33 18 ± 34

TBAS 41 ± 74 52 ± 68 86 ± 69 * 38 ± 59 53 ± 74 65 ± 78 77 ± 71 77 ± 71 96 ± 77 62 ± 81 46 ± 66 48 ± 72


Legend: GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture; PEAK: time at which perception of the variable

was found to be maximal; TBAS: time elapsed before going back to the baseline value; *: significantly different from the control beverage

(p <0.05).

Figure 3.10: Comparison of appetite score profiles between the three beverages. GX:

guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture. Data are presented as

mean ± S.E.M. Analyses were performed on data adjusted for baseline value. *: significantly different

between the KX beverage and the GX beverage (p < 0.05); **: significantly different between the control

and the KX beverage (p < 0.01); +: significantly different between the KX beverage and the others

beverages (p < 0.05).

*

+

* **

*

108

Conclusion générale et perspectives

Le but de ce projet de recherche était d’étudier la stabilité des fibres alimentaires seules et

en mélange dans un breuvage à base de jus de fruits pasteurisé de même qu’à comprendre

leur effet sur les réponses glycémique et insulinémique chez des sujets normaux. La

première hypothèse qui a été émise était que la viscosité induite par un mélange binaire de

fibres alimentaires et de gomme xanthane est plus stable aux traitements technologiques

subis par les jus de fruits comparativement à la viscosité induite par les fibres seules.

L’objectif de cette partie était donc d’étudier la stabilité à la pasteurisation et aux conditions

d’entreposage du comportement rhéologique des fibres alimentaires seules et en mélange

avec la gomme xanthane dans un jus de fruits.

Suite aux résultats obtenus, cette première hypothèse n’a été que partiellement confirmée.

En fait, nos travaux sont les premiers à montrer que l’efficacité de la gomme xanthane à

stabiliser les fibres alimentaires lors des traitements technologiques et dans le temps varie

en fonction de la nature de la fibre utilisée. Notre étude est également une des premières à

démontrer et à comparer sur une longue période (4 mois) l’effet des conditions

d’entreposage et du temps, sur la viscosité des breuvages à base de jus de fruits traités

thermiquement enrichis avec trois différentes fibres alimentaires seules et en mélange avec

la gomme xanthane.

Les résultats obtenus, dans cette partie du travail, montrent la possibilité d’utiliser la

gomme xanthane pour mieux contrôler la fonctionnalité des fibres alimentaires lors de leur

incorporation dans un aliment. Ils démontrent également l’importance de l’étape de

formulation dans le processus de développement d’un breuvage fonctionnel, car le

comportement des fibres alimentaire suite aux traitements technologiques et dans le temps

varie d’un type de fibre à l’autre. Nos résultats démontrent d’autant plus aux industriels

109

l’importance d’anticiper les points critiques pouvant affecter l’action biologique des

ingrédients bioactifs, lorsqu’incorporés à un breuvage à base de fruits.

Bien que trois des principaux facteurs pouvant influencer la stabilité des fibres alimentaire

lorsqu’incorporés à un aliment liquide en milieu acide aient été étudiés dans ce projet (la

pasteurisation, la température et le temps d’entreposage), il aurait également été intéressant

de vérifier l’effet de la composition de la matrice alimentaire sur la bioactivité des fibres

alimentaires. En ce sens, la présence d’antinutriments (ex. les tannins et les phytates) ou

encore la vitamine C, l’acidité titrable, le pH, la concentration en sels et en sucre peuvent

également provoquer des changements de conformation et de structure au sein de la

molécule et ainsi diminuer son efficacité ou sa biodisponibilité.

La deuxième hypothèse qui a été émise était que les breuvages à base de jus de fruits

enrichis en un mélange binaire de fibres alimentaires et de gomme xanthane détenant une

viscosité de 0,18 Pa*s, à 30 s-1 à 37 °C diminuent significativement la glycémie

postprandiale in vivo. L’objectif spécifique de cette partie était d’évaluer cliniquement

l’effet des fibres alimentaires en mélange avec la gomme xanthane sur les réponses

glycémique et insulinémique de même que sur les sensations d’appétit de 20 sujets

masculins en bonne santé.

Cette deuxième hypothèse a été infirmée. Nos résultats, en relief avec ceux de l’étude sur la

consommation d’un jus de fruits enrichi en β-glucane d’avoine et en gomme xanthane

détenant une viscosité identique à celle nos breuvages, ont permis de mettre de l’avant une

nouvelle hypothèse quant au mécanisme d’action des fibres alimentaires sur les réponses

glycémique et insulinémique. Cette nouvelle hypothèse voudrait que la nature de la fibre

alimentaire en mélange avec la gomme xanthane ait un effet plus déterminant sur la

modulation de la glycémie et de l’insulinémie que la viscosité lors de leur incorporation

dans un breuvage à base jus de fruits. Ce travail a ainsi permis d’élargir les connaissances

sur l’importance de la viscosité induite par les fibres alimentaires sur le contrôle des

110

réponses glycémique et insulinémique. Il a également permis de démontrer que tous les

facteurs impliqués dans la modulation de la glycémie et de l’insulinémie ne sont pas encore

tous bien connus. D’autres études, à plus large spectre, seront ainsi nécessaires afin de

valider tous les mécanismes d’action impliqués dans ce contrôle.

Par ailleurs, les résultats des échelles visuelles analogues ont démontré que, pour une même

viscosité, les sensations d’appétit ressenties varient selon la nature de la fibre alimentaire en

mélange avec la gomme xanthane. En fait, une amélioration des sensations d’appétit

favorisant la satiété a été observée que pour un des deux breuvages enrichis en fibres

alimentaires (soit celui supplémenté en konjac-mannane et en gomme xanthane). Des

résultats encore plus objectifs auraient pu être obtenus si un buffet avait été mis à la

disposition des participants, après le test, et que la quantité de nourriture qu’ils auraient

ingérée avait été mesurée. Également, il aurait été intéressant de vérifier l’effet chronique

de la consommation de breuvages enrichis en fibres alimentaires à long terme sur la

glycémie et l’insulinémie, car la satiété, la prise alimentaire, le contrôle du poids et la

réponse glycémique sont tous interreliés.

Enfin, en plus de permettre l’avancement des connaissances dans le domaine de

l’enrichissement des aliments et breuvages par des composés d’intérêt nutritionnel, cette

étude démontre bien les réalités du développement d’un breuvage fonctionnel. Même si

cela peut paraître un jeu d’enfant, le développement de tels produits s’avère un réel défi

technologique, car en plus de devoir être acceptable d’un point de vue organoleptique

(goût, couleur, texture en bouche), les ingrédients fonctionnels doivent être conservés sous

forme active durant les étapes de la transformation (hydratation, homogénéisation,

pompage, traitement thermique, emballage) de même que durant toute la durée de vie du

produit (jusqu’à sa consommation). À l’aide de ces résultats issus de procédés à échelle

industrielle, les compagnies agroalimentaires se trouvent ainsi mieux outillées pour offrir à

la population des produits pouvant améliorer leur santé et leur mieux-être.

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59(1):87-91.

251. Lu, Z. X., Walker, K. Z., Muir, J. G., Mascara, T., et O'Dea, K. 2000. Arabinoxylan

fiber, a byproduct of wheat flour processing, reduces the postprandial glucose

response in normoglycemic subjects. Am. J. Clin. Nutr. 71(5):1123-1128.

252. Luquet, S. 2008. Régulation de la prise alimentaire. Nutrition Clinique et

Métabolisme. 22(2):52-58.

253. Drewnowski, A. 1998. Energy density, palatability and satiety: Implications for

weight control. Nutr. Rev. 56(12):347-353.

Appendice A. Exemples d’aliments à index glycémique

bas, moyen et élevé

Tableau A : Index glycémique de quelques aliments selon l’Association Canadienne du

Diabète (2008). Adapté de Foster-Powell, K., Hol,t S.H.A., Brand-Mille,r J.C. 2002. Am. J.

Clin. Nutr., 76:5-56.

IG Bas (≤ 55) * †

à consommer le plus

souvent

IG moyen (56-69) * †

à consommer souvent

IG élevé (≥70) * †

à consommer moins

souvent

PAINS :

Grains entiers broyés à la

meule

Grains mélangés lourds

Pumpernickel

PAINS :

Blé entier

Seigle

Pita

PAINS :

Pain, blanc

Petit pain kaiser

Bagel, blanc

CÉRÉALES :

All BranMC

Bran Buds with PsylliumMC

Gruau

Son d’avoine

CÉRÉALES :

GrapenutsMC

Shredded WheatMC

Gruau à cuisson rapide

CÉRÉALES :

Flocons de son

Flocons de maïs

Rice KrispiesMC

CheeriosMC

GRAINS :

Riz étuvé ou précuit

Orge

Bulgare

Pâtes/Nouilles

GRAINS :

Riz basmati

Riz brun

Couscous

GRAINS :

Riz à grains ronds

AUTRES :

Patate douce

Igname

Légumineuses

Lentilles

Pois chiches

Haricots

Pois cassés

Fèves de soya

Fèves au four

AUTRES :

Pomme de terre,

nouvelle/blanche

Maïs sucré

Maïs soufflé

Stoned Wheat ThinsMC

RyvitaMC (croquants au seigle)

Soupe aux haricots noirs

Soupe aux pois

AUTRES :

Pommes de terre, au

four (Russet)

Pommes de terre, frites

Bretzels

Galettes de riz

Craquelins

*Exprimé en pourcentage du glucose

† Valeurs canadiennes si elles existent

129

Appendice B. Anova tables from experiences in chapter 2

Test:

A) Effect of pasteurization on the viscosity, turbidity and pH values

Effects DF

Viscosity Turbidity pH

F Value p Value F Value p Value F Value p Value

beverage 7 1790.09 < 0.0001 932.33 < 0.0001 2.22 0.1072

pasteurization 1 30.22 < 0.0001 19.57 < 0.0001 178.55 < 0.0001

beverage*pasteurization 7 67.09 < 0.0001 12.54 < 0.0001 1.94 0.0739

T° 1 25.24 < 0.0001 9.32 0.0030 4.14 0.0451

beverage*T° 7 11.38 < 0.0001 1.46 0.1926 0.40 0.9014

pasteurization*T° 1 13.04 0.0005 7.13 0.0091 0.41 0.5260

beverage*pasteurization *T° 7 8.34 < 0.0001 0.37 0.9199 0.50 0.8343

Time 1 8.78 0.0040 35.93 < 0.0001 1.18 0.2798

beverage*time 7 12.92 < 0.0001 11.08 < 0.0001 1.36 0.2330

pasteurization*time 1 16.66 0.0001 40.46 < 0.0001 1.72 0.1927

beverage*pasteurization*time 7 7.77 < 0.0001 11.41 < 0.0001 1.48 0.1852

T°*time 1 0.23 0.6323 2.78 0.0990 0.04 0.8441

beverage*T°*time 7 3.95 0.0010 0.78 0.6085 0.65 0.7115

pasteurization*T°*time 1 0.13 0.7199 1.41 0.2387 0.00 0.9686

beverage*pasteurization*T°*time 7 0.61 0.7459 0.90 0.5099 0.63 0.7301

Legend : T° : storage temperature

130

B) Effect of time and storage temperature the viscosity, turbidity and pH values

Effects DF Viscosity Turbidity pH


beverage 7 6164.80 < 0.0001 606.98 < 0.0001 3.39 0.0308

T° 1 31.09 < 0.0001 0.92 0.3392 6.92 0.0095

beverage*T° 7 103.44 < 0.0001 1.09 0.3716 0.41 0.8935

Time 5 8.52 < 0.0001 8.99 < 0.0001 10.20 < 0.0001

beverage*time 35 31.00 < 0.0001 4.52 < 0.0001 0.88 0.6642

T°*time 5 7.11 < 0.0001 1.42 0.2226 0.67 0.6435

beverage*T°*time 35 6.51 < 0.0001 1.40 0.0922 0.21 1.0000

Legend : T° : storage temperature

131

Appendice C. Anova tables from experiences in chapter 3

Test:

A) Beverages’ stability on viscosity and pH values

Effects DF Viscosity pH

F Value p Value F Value p Value

week 1 1.46 0.2422 1.94 0.1811

beverage 2 41 780.4 < 0.0001 7.48 0.0043

beverage*week 2 0.63 0.5416 0.38 0.6866

B) Blood analyses

Treatments DF [Blood glucose] [Blood insulin] [Blood C-peptide]


AUC0-180 min 2 0.21 0.8103 0.13 0.8820 0.39 0.6805

PEAK 2 1.54 0.2273 2.87 0.0690 0.87 0.4274

DIFF 2 0.95 0.3951

t=0 2 1.74 0.1895 0.12 0.8871 0.36 0.7014

t=30 2 0.25 0.7812 0.82 0.4464 3.38 0.0446

t=60 2 0.64 0.5331 2.67 0.0825 1.95 0.1558

t=90 2 0.28 0.7571 0.12 0.8881 0.92 0.4073

t=120 2 0.45 0.6381 1.96 0.1549 0.19 0.8237

t=150 2 1.88 0.1669 0.06 0.9460 0.42 0.6587

t=180 2 0.03 0.9704 1.54 0.2279 1.74 0.1884

Legend: AUC0-180 min: response; PEAK: time at which concentration of the variable was found to be maximal;

DIFF: difference between the blood glucose concentration at 0 and 30 minutes; t =: value of variable for a

specific time (min).

132

C) Appetite sensations

Treatments DF Desire to eat Hunger Fullness PFC

F Value p Value F Value p Value F Value p Value F Value p Value

AAB 2 4.79 0.0140 0.96 0.3906 0.90 0.4164 0.62 0.5415

AUC0-180 min 2 2.80 0.0734 2.16 0.1297 3.50 0.0401 0.23 0.7995

PEAK 2 2.11 0.1346 1.27 0.2427 2.46 0.0994 1.89 0.1652

Legend: PFC: prospective of food consumption; AAB: area above the baseline value; AUC0-180 min: incremental area under

the curve calculated for 0 to 180 minutes interval; PEAK: time at which concentration of the variable was found to be

maximal.

D) Appetite score

Treatments DF F Value P Value

AS 0 2 1.78 0.1820

AS 30 2 4.89 0.0131

AS 60 2 3.77 0.0323

AS 90 2 3.59 0.0376

AS 120 2 1.22 0.3067

AS 150 2 4.18 0.0231

AS 180 2 4.14 0.0239

Legend: AS: appetite scores for each sampling time.

ÉTUDE DE LA STABILITÉ DES FIBRES ALIMENTAIRES SEULES ET …

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