Conception des matrices alimentaires

Une matrice alimentaire modèle caractérisée par les apports nutritionnels recommandés pour un repas a été réalisée en utilisant les macronutriments retrouvés fréquemment dans notre alimentation. La source glucidique utilisée est de l’amidon de blé, la source lipidique de l’huile de tournesol et la source de fibres un mélange équimolaire d’inuline (fibres solubles) et de méthylcellulose (fibres insolubles). Deux modes de chauffage ont été utilisés pour étudier leur influence sur la digestibilité de la matrice : le four à micro-ondes (chauffage par agitation des molécules d’eau) et le chauffage sur plaque chauffante (chauffage par gradient de diffusion), représentatifs des modes de cuisson classiquement utilisés dans les foyers ménagers ou dans des industries agro-alimentaires. L’homogénéisation de chaque matrice a été réalisée par pale rotative à 160 rpm. Plus d’une vingtaine de matrices ont été réalisées permettant ainsi d’optimiser les concentrations de chaque macronutriment. Les critères de choix ont été l’homogénéité et la texture de la matrice. Ainsi, les matrices aux textures trop liquides ou trop friables ont été écartées. Les matrices sélectionnées ont été digérées avec le modèle statique précédemment décrit.

L’influence de chaque macronutriment (lipide, glucide et fibres) sur la digestibilité de la matrice alimentaire a été étudiée et comparée à la digestion de la protéine modèle. Les digestats obtenus ont été analysés par RP-HPLC et les profils peptidiques ont été comparés avec ceux issus de la digestion de l’hémoglobine bovine. L’influence du mode de chauffage a également été étudiée. De manière générale, il est ressorti que la présence de lipide, glucide ou de fibres avec l’hémoglobine bovine n’a eu aucune influence sur les profils peptidiques générés en phase gastrique et intestinale. De même, le mode de cuisson de la matrice (plaque chauffante ou chauffage par micro-ondes) n’a eu aucune influence sur les profils peptidiques des digestats comparé à celui issu de la digestion de la protéine seule.

Les résultats présentés ici concernent la digestion de la matrice la plus aboutie de l’étude. Elle contient un taux de protéines de 13 % (p/p), un taux de glucides de 40 % (p/p), un taux de lipides de 15 % (p/p) et un taux de fibres de 5 % (p/p), le tout complété avec de l’eau

ultrapure. Sa cuisson a été réalisée sur plaque chauffante. Les profils peptidiques obtenus en phase gastrique et phase intestinale des digestions de la protéine seule et de la matrice complète sont présentés Figure 50.

Figure 50: Profils de séparation RP-HPLC de digestats GI d’hémoglobine et de matrice

A : digestats gastriques 120 min et B : digestats intestinaux 120 min. Noir : hémoglobine bovine, bleu : hémoglobine bovine chauffée avec lipides, glucides et fibres. La séparation a été réalisée avec une colonne C18 en appliquant un gradient de 0-70 % d’un mélange de 99,9 % d’acétonitrile, 0,1 % de TFA pendant 80 min à un débit de 0,6 mL.min-1.

Les chromatogrammes des digestats gastriques d’hémoglobine et de matrice ont montré une élution des pics comprise entre tR = 30 min et tR = 60 min (Figure 50 A) et entre tR = 6 min et

tR = 65 min pour les deux digestats intestinaux (Figure 50 B). Le pic élué à tR = 75 min

correspond à l’élution de l’hème. Les chromatogrammes issus des digestats de la matrice complète ou de l’hémoglobine sont relativement semblables en termes de profil et de temps de rétention. Les concentrations peptidiques des digestats issus de la digestion de la matrice

complète et de l’hémoglobine ont été estimées par dosage BCA et les valeurs ont reportées dans le Tableau 7.

Tableau 7: Estimation de la concentration peptidique des digestats déterminées par dosage BCA

Hémoglobine bovine Matrice complète Phase gastrique 38,2 ± 6,5 g.L-1 _{18,4 ± 1,2 g.L}-1

Phase intestinale 12,2 ± 2,4 g.L-1 _{9,7 ± 0,7 g.L}-1

Ces résultats ont démontré une tendance à la baisse de la concentration peptidique dans les digestats de la matrice complète comparé à ceux de l’hémoglobine bovine. En phase gastrique, une baisse de plus de 50 % de la teneur en peptide a été constatée dans le digestat de la matrice comparé à celui de la protéine modèle. En phase intestinale, l’écart de concentration peptidique entre les deux digestats est plus réduit : la présence de la matrice a engendré une baisse d’environ 20 % de la teneur en peptide du digestat comparé à celui de la protéine.

En brève conclusion intermédiaire, l’élaboration de matrices alimentaires a permis d’étudier l’influence de plusieurs facteurs comme la présence de macronutriments ou le mode de cuisson sur les populations peptidiques générées par la digestion GI de l’hémoglobine bovine. Il a été observé que la présence d’une matrice complète contenant une source de lipides, de glucides et de fibres a essentiellement modifié la concentration protéique des digestats gastriques et intestinaux mais n’a pas significativement affecté les profils peptidiques détectés après RP-HPLC. Cette matrice a donc été utilisée pour la suite de l’expérience.

1.7 Validation du modèle d’étude par un modèle de digestion GI in vitro dynamique

Jusqu’à présent, notre modèle de digestion GI in vitro statique a été appliqué à une protéine modèle (l’hémoglobine bovine) et à une matrice modèle complète. Dans un objectif de validation de ce modèle d’étude dans des conditions de digestion GI plus proches de celles de la digestion humaine, la protéine modèle et la matrice modèle ont été digérées dans un digesteur dynamique TIM représenté dans la photo ci-après (Figure 51).

Figure 51 : Photographie du digesteur TIM

Les prélèvements directs réalisés à 30, 120 et 240 min dans les compartiments gastrique, duodénal, jéjunal et iléal ainsi que les échantillons d’absorptions jéjunale et iléale ont été analysés par SEC et RP-HPLC dont les protocoles d’analyses sont décrits au paragraphe 3 du chapitre Matériels et Méthodes.

1.7.1 Caractérisation par RP-HPLC des populations peptidiques générées Les prélèvements réalisés dans l’estomac, le duodénum, le jéjunum et l’iléon après 30, 120 et 240 min de digestion ainsi que les absorptions jéjunales et iléales ont été analysés par RP- HPLC. Les digestions de la protéine seule et de la protéine en matrice ont été comparées grâce aux profils chromatographiques obtenus et aux aires sous la courbe (permettant une évaluation approximative de la concentration peptidique).

1.7.1.1 Profils chromatographiques issus de la digestion dynamique in vitro

de l’hémoglobine bovine

• Profils chromatographiques de la digestion dynamique « blanc »

Une digestion dynamique avec de l’eau (« blanc ») a été réalisée pour repérer les peptides provenant de l’autolyse des enzymes. Les digestats collectés à 30, 120 et 240 min de digestion ont été analysés par RP-HPLC (Figure 52).

Figure 52 : Profils RP-HPLC des digestats gastriques issus de la digestion dynamique « blanc »

Les digestats sont collectés à 30 min (courbe noire), à 120 min (courbe bleue) et 240 min (courbe verte). La séparation a été réalisée avec une colonne C18 en appliquant un gradient de 0-70 % d’un

mélange de 99,9 % d’acétonitrile, 0,1 % de TFA pendant 80 min à un débit de 0,6 mL.min-1_{. La}

détection UV est réalisée à 215 nm.

Aucun pic n’a été détecté sur les chromatogrammes des digestats du compartiment gastrique tout au long de la digestion. Les profils peptidiques des trois compartiments intestinaux ont montré la même tendance. Seuls les chromatogrammes du compartiment duodénal sont ici exposés Figure 53.

Figure 53: Profils de séparation RP-HPLC des digestats duodénaux issus de la digestion dynamique

« blanc »

Les digestats sont collectés à 30 min (courbe noire), à 120 min (courbe bleue) et 240 min (courbe verte). La séparation a été réalisée avec une colonne C18 en appliquant un gradient de 0-70 % d’un

mélange de 99,9 % d’acétonitrile, 0,1 % de TFA pendant 80 min à un débit de 0,6 mL.min-1_{. La}

Les profils peptidiques du compartiment duodénal ont mis en évidence la présence de trois pics principaux élués aux temps de rétention tR = 28 min, tR = 31,5 min et tR = 40 min

présents tout au long de la digestion (Figure 53). La présence de ces trois pics est également observée sur les profils peptidiques des compartiments jéjunal et iléal.

• Profils chromatographiques des prélèvements directs

Les chromatogrammes obtenus des prélèvements directs effectués dans les quatre compartiments de la digestion sont présentés Figure 54.

Figure 54: Profils de séparation RP-HPLC des prélèvements directs de la digestion dynamique de

l’hémoglobine bovine.

Les prélèvements sont réalisés à A) 30 min, B) 120 min et C) 240 min de digestion. Pour tous les chromatogrammes, les mêmes codes couleur ont été suivis. Noir : solution initiale d’hémoglobine 2,6 % (p/v), bleu marine : estomac, vert : duodénum, turquoise : jéjunum, rose : iléon. La séparation a été réalisée avec une colonne C18 en appliquant un gradient de 0-70 % d’un mélange de 99,9 %

d’acétonitrile, 0,1 % de TFA pendant 80 min à un débit de 0,6 mL.min-1_{. La détection UV est réalisée}

Le profil obtenu pour la solution initiale d’hémoglobine a été superposé comme repère du temps de rétention de la protéine native (Figure 54). Les pics correspondant aux deux chaînes de la protéine sont élués aux temps de rétention tR = 72 min et tR = 78 min. Dès 30 min de

digestion, la protéine n’a été que très partiellement hydrolysée au niveau de l’estomac, en témoigne l’élution majoritaire de pics au même temps de rétention que la protéine native (courbe bleu marine, Figure 54A). En revanche, l’apparition de pics d’intensité comparable a été observée dans les profils chromatographiques des compartiments duodénal et jéjunal entre les temps de rétention tR = 24 min et tR = 56 min (courbes verte et turquoise, Figure 54A).

Bien que d’intensité plus faible, le profil du compartiment iléal est comparable aux profils des deux autres compartiments intestinaux en termes de temps de rétention et d’allure des pics (courbe rose, Figure 54A). Dès 30 min, l’hémoglobine a donc été plus hydrolysée dans les compartiments intestinaux que dans le compartiment gastrique, générant une population peptidique éluée à des temps de rétention inférieurs à ceux de la protéine native. La faible hydrolyse de la protéine dans le compartiment gastrique est probablement liée aux conditions de pH. En effet, le pH optimal de la pepsine se situe entre 1,8 et 4,4. Un relevé des variations de pH a montré que le pH a évolué de 6,6 à 5,1 dans le compartiment gastrique pendant les 30 premières min de digestion. En revanche, les conditions de pH intestinaux favorisent déjà l’hydrolyse par les enzymes pancréatiques : en 30 min, elles sont passées de de 6,4 à 6,3 dans le compartiment duodénal, de 7,2 à 6,7 dans le compartiment jéjunal et de 7,6 à 7,3 dans le compartiment iléal.

Après 120 min de digestion, une population peptidique éluée entre les temps de rétention tR =

30 min et tR = 65 min a été observée dans la phase gastrique, témoignant d’une hydrolyse plus

avancée qu’à 30 min de digestion (courbe bleu marine, Figure 54B). Les populations peptidiques dans les trois compartiments intestinaux ont été éluées aux mêmes temps de rétention que celles obtenues après 30 min de digestion (courbes verte, turquoise et rose, Figure 54B). Aucun pic n’a été détecté au-delà de tR = 70 min ce qui témoigne de la

dégradation complète de l’hémoglobine bovine. Ceci est en partie corrélable aux conditions pH du compartiment gastrique : le pH a évolué de 5,1 à 1,6. Dans les autres compartiments, les valeurs de pH se sont stabilisées à 6,2 dans le duodénum, 6,7 dans le jéjunum et 7,2 dans l’iléon, conditions favorables à l’activité des enzymes pancréatiques.

Après 240 min de digestion, des pics de très faible intensité apparaissent dans le compartiment gastrique, témoignant d’une faible concentration peptidique (Figure 54C) : la poche gastrique est quasiment vide à ce stade de la digestion (courbe bleu marine). Les temps

de rétention des pics présents sur les profils intestinaux ne sont pas différents de ceux observés précédemment. Enfin, les trois pics identifiés dans la digestion « blanc » aux temps de rétention tR = 28 min, tR = 31,5 min et tR = 40 min sont également présents au niveau des

profils des digestats duodénaux, jéjunaux et iléaux à partir de 120 min de digestion (Figure 54 B et C).

La comparaison des aires sous la courbe des chromatogrammes présentés Figure 54 a été utilisée pour estimer l’évolution de la concentration peptidique au cours du temps et par compartiment (Figure 55).

Figure 55: Evolution de l’abondance peptidique dans chaque compartiment durant la digestion

dynamique de l’hémoglobine bovine

L’abondance peptidique est estimée par l’aire sous la courbe de chaque chromatogramme obtenu par RP-HPLC. Les prélèvements sont réalisés à 30 min (noir), 120 min (gris clair) et 240 min (gris foncé) de digestion.

L’estimation de l’abondance peptidique dans chaque compartiment au cours du temps permet de suivre la progression du chyme dans le TIM. Ainsi, au bout de 30 min de digestion (barres noires), la plus forte abondance peptidique estimée a été mesurée dans l’estomac suivie de celle mesurée dans le duodénum. Les valeurs obtenues pour les compartiments jéjunal et iléal sont à ce stade de la digestion encore très faibles. Après 120 min de digestion (barres gris clair), les valeurs d’abondance peptidique sont équivalentes dans les compartiments gastrique, duodénal et jéjunal, et plus de deux fois supérieures à celle mesurée dans le compartiment

iléal. Enfin, après 240 min (barres gris foncé), les plus fortes abondances peptidiques ont été mesurées dans le duodénum, jéjunum et iléon et la valeur d’abondance peptidique gastrique est environ dix fois inférieure à celle des autres compartiments. La diminution globale de la concentration peptidique au cours de la digestion s’explique par les phénomènes d’absorption jéjunale et iléale et de dilution liée à l’ajout des fluides intestinaux.

• Profils chromatographiques des absorptions jéjunales et iléales

Les échantillons issus des absorptions jéjunale et iléale (dialysats concentrés) ont été également analysés par RP-HPLC dans les mêmes conditions que les prélèvements. Pour rappel, les échantillons nommés « absorption » proviennent des compartiments du TIM positionnés en aval des fibres de dialyse dont le seuil de coupure est de 10-12 kDa, ce dispositif mimant de manière approximative l’absorption intestinale. Les chromatogrammes obtenus sont présentés Figure 56.

Figure 56: Profils de séparation RP-HPLC des échantillons d’absorption jéjunale et iléale.

A : absorptions jéjunales collectées entre 0-1 h (noir), 1-2 h (bleu marine), 2-3h (vert) et 3-5h (turquoise) et B : absorptions iléales collectées entre 0-1 h (noir), 1-3 h (bleu marine) et 3-5 h (vert) de digestion dynamique in vitro d’hémoglobine.La séparation a été réalisée avec une colonne C18 en

appliquant un gradient de 0-70 % d’un mélange de 99,9 % d’acétonitrile, 0,1 % de TFA pendant 80 min à un débit de 0,6 mL.min-1_{. La détection UV est réalisée à 215 nm.}

Ainsi, les peptides contenus dans les échantillons des absorptions jéjunales collectés au cours de la digestion ont été élués entre les temps de rétention tR = 5 min et tR = 70 min. Les

intensités des chromatogrammes obtenus aux différents temps de digestion sont comparables. Les temps de rétention des pics sont également comparables à ceux des prélèvements intestinaux (Figure 54). Les peptides contenus dans les échantillons des absorptions iléales ont été élués entre tR = 5 min et tR = 50 min tout au long de la digestion, soit à des temps plus

courts que ceux observés pour les pics des absorptions jéjunales. Une plus faible abondance de pics a été remarquée sur les chromatogrammes des échantillons iléaux que sur ceux des échantillons jéjunaux. Une comparaison des aires sous la courbe des profils issus des absorptions jéjunales et iléales a été réalisée (Figure 57).

Figure 57: Evolution de l’abondance peptidique dans les absorptions jéjunales et iléales au cours de

la digestion dynamique de l’hémoglobine bovine

J : Absorption jéjunale, barres gris clair et I : absortion iléale, gris foncé. L’abondance peptidique est estimée par l’intégration des aires sous la courbe du chromatogramme obtenu par RP-HPLC pour chaque échantillon.

L’absorption jéjunale a eu majoritairement lieu pendant les 3 premières heures de la digestion, avec un pic observable entre 1 h et 2 h de digestion. Ces résultats sont corrélables à ceux obtenus pour les prélèvements directs où l’abondance peptidique jéjunale a atteint son maximum au bout de 2 h de digestion (Figure 55). Les valeurs d’abondance peptidique iléales sont entre 4 et 10 fois moins importantes que celles des populations jéjunales. Le maximum en termes de concentration peptidique iléale absorbée a été atteint entre 1 et 3 h de digestion.

1.7.1.2 Profils chromatographiques issus de la digestion dynamique in vitro de la matrice à base d’hémoglobine bovine

Les analyses réalisées sur les prélèvements directs et les absorptions de la digestion dynamique de la matrice complète à base d’hémoglobine bovine ont également été menées.

• Profils chromatographiques des prélèvements directs de la digestion dynamique in

vitro de la matrice à base d’hémoglobine bovine

Les chromatogrammes des prélèvements des différents compartiments ont été regroupés par temps de digestion Figure 58.

Figure 58: Profils de séparation RP-HPLC des prélèvements directs de la digestion dynamique de la

matrice à base d’hémoglobine bovine

Les prélèvements sont réalisés à A) 30 min, B) 120 min et C) 240 min de digestion.Pour tous les chromatogrammes, les mêmes codes couleur ont été suivis. Noir : solution initiale d’hémoglobine 2,6 % (p/v), bleu marine : estomac, vert : duodénum, turquoise : jéjunum, rose : iléon. La séparation a été réalisée avec une colonne C18 en appliquant un gradient de 0-70 % d’un mélange de 99,9 %

d’acétonitrile, 0,1 % de TFA pendant 80 min à un débit de 0,6 mL.min-1_{. La détection UV est réalisée}

Le profil de la solution initiale d’hémoglobine a été placé sur les trois spectres de la Figure 58 comme repère des temps de rétention de la protéine native. Au bout de 30 min de digestion, la protéine a été très peu hydrolysée dans le compartiment gastrique (courbe bleu marine, Figure 58A). En revanche, des pics d’intensité comparable sont apparus entre les temps de rétention tR = 20 min et tR = 60 min dans les compartiments duodénal (courbe verte,

Figure 58A) et jéjunal (courbe turquoise, Figure 58A). Aucun peptide n’a été élué dans le profil du digestat de la matrice provenant du compartiment iléal pendant les 30 premières minutes de la digestion (courbe rose, Figure 58A). Après 120 min de digestion, les peptides du digestat gastrique sont élués entre tR = 30 min et tR = 65 min (courbe bleu marine Figure

58 B), témoignant d’une hydrolyse plus avancée de la protéine. Les profils peptidiques des compartiments duodénaux et jéjunaux apparaissent similaires à ceux observés à 30 min de digestion (courbes verte et turquoise, Figure 58B). Le profil peptidique du compartiment iléal a montré les mêmes caractéristiques que les profils des deux autres compartiments intestinaux mais avec des intensités de pics inférieures (courbe rose, Figure 58 B). Après 240 min de digestion, des pics de très faible intensité apparaissent dans le compartiment gastrique. Les temps de rétention des pics présents sur les profils des trois compartiments intestinaux ne sont pas différents de ceux observés dans les profils des digestats de l’hémoglobine (courbes verte, turquoise et rose, Figure 58C). Enfin, les trois pics caractérisés lors de la digestion « blanc » ont été observés dans les digestats des trois compartiments intestinaux dès 30 min de digestion aux mêmes temps de rétention (Figure 56).

Tous les chromatogrammes ont été intégrés et les aires calculées ont été comparées pour estimer l’évolution de la concentration peptidique par compartiment et par temps de digestion (Figure 59).

Figure 59: Evolution de l’abondance peptidique dans chaque compartiment durant la digestion

dynamique de la matrice à base d’hémoglobine

L’abondance peptidique est estimée par l’aire sous la courbe de chaque chromatogramme obtenu par RP-HPLC. Les prélèvements sont réalisés à 30 min (noir), 120 min (gris clair) et 240 min (gris foncé) de digestion

Au bout de 30 min de digestion, les plus fortes abondances peptidiques ont été mesurées dans les compartiments gastrique et duodénal (barres noires, Figure 59). Les valeurs maximales d’abondance peptidique ont été mesurées dans le compartiment duodénal après 120 min (barres gris clair, Figure 59) et dans le compartiment jéjunal après 240 min de digestion (barres gris foncé, Figure 59). Dans chaque compartiment, les valeurs d’abondance peptidique ont évolué de manière différente. Elles ont constamment augmenté dans le compartiment iléal, augmentant d’un facteur 10 entre 30 min et 240 min de digestion. Une augmentation significative de l’abondance peptidique a été mesurée entre 30 min et 120 min de digestion dans le compartiment jéjunal. Dans le compartiment duodénal, les valeurs d’abondance peptidique sont plutôt équivalentes tout au long de la digestion.

• Profils chromatographiques des absorptions jéjunales et iléales de la digestion dynamique in vitro de la matrice à base d’hémoglobine bovine

Les échantillons issus des absorptions jéjunales et iléales ont été analysés par RP-HPLC dans les mêmes conditions que les prélèvements. Dans un premier temps, les profils obtenus des

échantillons d’absorption jéjunale et iléale collectés au cours de la digestion dynamique de la matrice ont été représentés Figure 60.

Figure 60: Profils de séparation RP-HPLC des absorptions jéjunales et iléales de la digestion

dynamique de la matrice à base d’hémoglobine bovine.

A : absorptions jéjunales collectées entre 0-1h (noir), 1-2h (bleu marine), 2-3h (vert) et 3-5h (turquoise) et des B : absorptions iléales collectées entre 0-1h (noir), 1-3h (bleu marine) et 3-5h (vert) de digestion dynamique de la matrice à base d’hémoglobine bovine. La séparation a été réalisée avec une colonne C18 en appliquant un gradient de 0-70 % d’un mélange de 99,9 % d’acétonitrile, 0,1 % de

TFA pendant 80 min à un débit de 0,6 mL.min-1_{. La détection UV est réalisée à 215 nm.}

Les quatre échantillons récoltés pendant l’absorption jéjunale après 1, 2, 3 et 5 h de digestion ont montré des profils chromatographiques similaires : les pics sont élués entre tR = 20 min et