La micelle de caséine : vecteur de biomolécules

Parmi les nombreux systèmes d’encapsulation disponibles, les nanoparticules à base de protéines ont joui d’un intérêt considérable ces dernières années. Les caséines du lait sont considérées comme des vecteurs naturels de composés bioactifs. Leur structure et leurs propriétés physicochimiques permettent leur utilisation à des fins d’encapsulation et de libération contrôlée de composés d’intérêt dans des applications alimentaires 251. Leur caractère non toxique et leur stabilité au cours des

procédés de transformation les rendent d’autant plus intéressantes 265.

4.4.1. Propriétés de surface et d’auto-assemblage

Les caséines se distinguent par des propriétés de surface et d’assemblage particulières. En effet, les micelles de caséine sont des auto-assemblages à caractère amphiphile disposant d’une structure

ouverte très hydratée contenant 3,7-4 g d’eau/g de protéine 442,447,448. Elles sont stabilisées par une

couche de κ-caséines qui permettent une stabilisation stérique 449 et électrostatique. Elles possèdent

une structure poreuse à travers laquelle peuvent diffuser des petites molécules bioactives 249. Leur

caractère amphiphile leur permet de se placer aux interfaces huile/eau et de jouer le rôle d’émulsifiant

dans des systèmes d’encapsulation 450. L’assemblage des caséines sous forme de micelles ou

l’auto-assemblage de caséines individuelles comme la β-caséine génère des nanovecteurs qui peuvent être chargés par divers composés. L’encapsulation et la stabilisation de composés thérapeutiques

hydrophobes tels que la curcumine par la β caséine ont été déjà étudiées 260,451. D’une part, la capacité

des caséines à s’auto-assembler a permis aussi l’encapsulation du beta carotène le protégeant ainsi de la dégradation pendant les procédés de traitements industriels tels que la stérilisation, la

95

pasteurisation et le traitement à haute pression hydrostatique 367. D’autre part, il a été démontré qu’il

était possible d’encapsuler la vitamine liposoluble D2 en utilisant l’aptitude des caséines à se réassembler en micelles. Les micelles de caséines réassemblées autour de la vitamine ont permis de la

stabiliser dans un environnement aqueux et d’augmenter sa biodisponibilité 265.

4.4.2. Propriétés d’interaction avec d’autres molécules

Les caséines ont la capacité de former des complexes avec diverses molécules de petite taille et peuvent se lier à des composés hydrophobes (vitamines liposolubles, polyphénols, acides gras,

colorant…) principalement via des interactions hydrophobes et de Van der Waals 452,453. La micelle de

caséine elle-même peut véhiculer le calcium441 et ce dernier peut être même substitué par le fer afin

de le stabiliser 454–456. En effet, les nanoparticules d’oxyde de fer interagissent avec les micelles de caséines pour former des agrégats linéaires (je crois ce qui indique que le fer est internalisé) de 615

nm de taille 456. En outre, les régions hydrophobes des caséines sont de véritables sites d’interaction

avec les bioactifs hydrophobes. L’encapsulation de la curcumine par les micelles de caséines a été étudiée dans le but de créer des vecteurs qui permettraient de délivrer des composés à effets thérapeutiques et à activité antioxydante intéressante 438,451. L’interaction de la curcumine avec la micelle de caséines a été étudiée par Benzaria et al, 2013 par spectroscopie de fluorescence ; les résidus tryptophane de la micelle de caséines et la curcumine interagissent via des interactions

hydrophobes 457. L’interaction des caséines avec d’autres polyphénols, en particulier les polyphénols

du thé, a été décrite par plusieurs auteurs 328,458. Les polyphénols du thé sont capables de se fixer sur

les caséines α et β via essentiellement des interactions hydrophobes. Ces interactions modifient la

structure secondaire des caséines et contribuent à leur dépliement 459.

4.4.3. Propriétés de protection

L’acide docosahexaénoique (DHA), un acide gras polyinsaturé oméga-3 permettant de réduire le risque des maladies cardiovasculaires et autres pathologies, a été encapsulé dans des micelles de caséines

réassemblées 460. L’encapsulation a montré un pouvoir de protection remarquable contre l’oxydation

96

barrière stérique des micelles. D’autre part, les micelles absorbent et diffusent la plus grande partie

de la lumière reçue et l’empêche ainsi d’atteindre les molécules de DHA encapsulées 460. Les capacités

protectrices des caséines contre l’oxydation et leur propriété d’absorption des rayons UV peuvent servir pour stabiliser des composants bioactifs sensibles. Ces études suggèrent la possibilité d’utiliser les micelles comme vecteurs pour des composés nutraceutiques hydrophobes tels que la vitamine D

265,461, le beta carotène 367 et la curcumine face à la photodégradation 55,111,462. Une étude sur l’encapsulation des lipides polyinsaturés (PUFA oils) par des micelles de caséines a démontré que l’utilisation du pH alcalin et du traitement à l’ultrason permettent d’augmenter la taille des micelles

chargées et d’améliorer leur stabilité et leur capacité d’encapsulation 359.

4.4.4. Propriétés de relargage contrôlé

L’un des aspects les plus importants dans l’encapsulation est le contrôle du relargage des composés encapsulés. Quand les produits encapsulés sont des composés thérapeutiques ou nutraceutiques sensibles, le vecteur ou la matrice doit permettre de les protéger contre la dégradation mais doit pouvoir aussi les transporter et les libérer sur des cibles particulières afin d’optimiser leur biodisponibilité et leur efficacité. La matrice d’encapsulation doit donc fournir une barrière contre la diffusion et la fuite des composés bioactifs vectorisés et doit empêcher l’accès des enzymes digestives à ces composés. La sensibilité des caséines au clivage protéolytique, due à la richesse de la structure en proline, et la solubilité des ponts phosphocalciques en conditions acides dotent les micelles de

caséines d’un mécanisme de relargage activable dans le système digestif 251. Des études ont démontré

que des complexes de curcumine et phosphocaséines peuvent montrer une résistance à la digestion

au niveau de l’estomac permettant la libération de la curcumine principalement dans les intestins 457.

4.4.5. Propriétés d’interaction avec des polymères

Il a été démontré qu’il était possible de créer des systèmes d’encapsulation par la formation de complexes entre les caséines et d’autre polymères chargés via des interactions électrostatiques. A des pH inférieurs à leurs pH isoélectriques les caséinates portent des charges positives et peuvent interagir avec des polysaccharides chargés négativement. Les nanoparticules qui résultent de cette interaction

97 peuvent servir pour vectoriser des composés bioactifs et contrôler leur relargage 182. En effet, les produits de la réaction de Maillard impliquant des caséines ont été exploités pour former des systèmes d’encapsulation. Un copolymère de caséines et de dextrane a été obtenu par la réaction de Maillard et a servi à l’encapsulation du beta carotène. Les molécules de beta carotène ont interagi avec les fragments hydrophobes des caséines pour former le cœur de la particule. La couche supérieure hydrophile, formée par les molécules de dextrane, permet de stabiliser la particule et la rend dispersible dans l’eau. Le relargage du beta carotène peut se faire par hydrolyse enzymatique par la

pepsine ou la trypsine 271. Une huile de poisson a également été encapsulée par des produits de la

réaction de Maillard. L’huile a été émulsionnée dans une solution aqueuse contenant des caséinates de sodium et des glucides avec un traitement thermique pour déclencher la réaction de Maillard. L’émulsion a été ensuite atomisée pour obtenir une émulsion sèche d’huile encapsulée. Ce procédé a

permis la protection de l’huile de poisson résistante à l’oxydation 463.

4.4.6. Propriétés technofonctionnelles : la gélification

Les caséines possèdent d’excellentes aptitudes à la gélification. La gélification peut être réalisée principalement par acidification ou par voie enzymatique. La gélification par acidification est basée sur la précipitation des caséines au pH isoélectrique et la gélification par voie enzymatique se fait par le clivage du fragment Caséino-Macro-Peptide noté CMP de la caséine κ qui provoque l’agrégation des caséines. La gélification des caséines par voie enzymatique a déjà été mise à profit pour encapsuler

des bactéries probiotiques 464. La gélification peut être obtenue par diverses autres méthodes. Des gels

caséiques ont été préparés à partir de micelles de caséines réticulées par des transglutaminases. La gélification par la transglutaminase d’une suspension de caséines contenant des bactéries probiotiques a donné des nanocapsules qui ont permis la protection de ces cellules contre les

conditions acides de l’appareil digestif 465. Ces méthodes de gélification sans chaleur sont adaptées

pour vectoriser les composés thermolabiles. L’étude de l’interaction entre la norbixine, caroténoïde utilisé comme colorant dans certains fromages, avec des caséinates de sodium et les fractions

98

caséiques αs, β et κ a démontré qu’il y a formation de complexes induisant des changements dans la

conformation des protéines 466.

La figure 57 permet de résumer les diverses propriétés qui font de la micelle de caséine une matrice d’encapsulation efficace.

Figure 57. Propriétésde structure et de fonctions des micelles de caséines lui conférant les bases essentielles pour constituer une matrice d’encapsulation de bioactifs sensibles efficace 251,265,457,467–470.

99