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Les produits de Maillard issus de la cuisson ont-ils des effets biologiques ?
G. Saavedra1, L. Ait-Ameur1, F. Tessier1, P. Pouillart1, K. Sebekova3, J.M. Lecerf2, I. Birlouez-Aragon123
SUMMARY
The health and technological implications of a better control of neofor- med contaminants by the food industry
Dietary Maillard Products (MPs) resulting from food heat-treatment are sup- posed to be involved in diabetic complications, atherosclerosis and impair- ment of renal function. The MP Carboxymethyllysine (CML), produced by oxidative degradation of fructosyllysine, the first stable product arising from proteins and sugars interaction, is considered as the most pertinent indica- tor of the dietary as well as inner exposure to MPs. Its stability and recog- nized bioactivity, as well as its ubiquitous presence in aging tissues and correlation with degenerative pathologies, explain its general selection as Maillard reaction indicator.
The present paper reports the main conclusions drawn from two clinical studies performed in the scope of the European project ICARE, aiming to determine the potential health impact of a high versus low dietary exposure to NFCs. A first study was carried out on young healthy adults fed two diets, nutritionally equivalent but differing in the MPs content due to different cooking methods, on the one hand grilling and frying techniques, and on the other hand exclusive steam cooking. A second study was performed on 6 month old infants fed either MPs containing infant formulas, or mother milk.
MPs bioavailability was assessed by analysis of CML in the total food ingested and in urine and plasma after one month on the diet. A significantly higher CML level was evidenced in biological media as a response to a higher dietary exposure. Such results demonstrate that NFC are absorbed by the gut and rapidly excreted while tending to slightly accumulate in the plasma of both young adults and infants exposed to MPs.
1. Institut Polytechnique LaSalle Beauvais – Unité SPECTRAL – FRANCE 2. Institut Pasteur de Lille, FRANCE
3. Slovak Medical University, Bratislava, SLOVAKIA
* Correspondant : Inès BIRLOUEZ-ARAGON, inesbirlouez@wanadoo.fr
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The main biological impact evidenced after one month on a MPs rich diet in young adults and 6 months on formula feeding in infants, was a significant increase in the insulin resistance index (HOMA) and an oxidative stress. A deep modification of lipid metabolism was also observed in young volonteers fed the severely cooked diet, including increased plasma levels of triglycerides and cholesterol and decreased concentration of long chain omega3 fatty acids.
In conclusion, these two clinical studies demonstrate for the first time that dietary NFC produced by food cooking or milk heat processing, are absorbed and significantly contribute to the inner exposure to Maillard prod- ucts. Short term health impact was deduced from the significant modifica- tion of many biological parameters, indicative for increased risk of diabetes and cardiovascular diseases.
Keywords
Maillard products, bioavailability, insulin, lipids, clinical assay.
RÉSUMÉ
Les produits de Maillard (PM) issus du traitement thermique des aliments sont suspectés de participer au développement des complications diabéti- ques, cardiovasculaires et rénales chez les sujets à risque. La carboxy- methyllysine (CML), un PM résultant de la dégradation oxydative de la fructosyllysine, premier produit stable formé au cours de l’interaction entre sucres et protéines, est considéré comme le marqueur le plus pertinent de l’exposition alimentaire et biologique aux PM. Ce choix s’explique par la sta- bilité, l’activité biologique de ce composé et la relation entre sa concentra- tion tissulaire et l’âge et/ou la sévérité des complications dégénératives.
Ce document expose les conclusions essentielles tirées de deux études cli- niques, réalisées dans le cadre du projet européen ICARE, qui explorent l’impact possible des produits de Maillard alimentaires sur la santé. Une pre- mière étude a été conduite chez l’adulte jeune et sain exposé à deux régi- mes équivalents sur le plan diététique mais distincts par leur contenu en produits de Maillard du fait de l’utilisation de différents modes de cuisson, des cuissons standard de type grillade et friture d’une part, et une cuisson exclusivement basée sur la vapeur d’autre part. Une deuxième étude a été réalisée sur des nourrissons de 6 mois nourris soit par des formules infanti- les qui contiennent des concentrations variables en PM, soit par le lait maternel quasiment exempt de ces composés.
La biodisponibilité des PM a été analysée par comparaison des contenus de la diète totale et des urines et plasma des volontaires après un mois de régime. Une augmentation significative des concentrations de CML a été mise en évidence dans les milieux biologiques en réponse à une exposition plus élevée aux PM au cours des deux études. Ces résultats démontrent que les PM sont absorbés au niveau de l’intestin, puis excrétés activement, sans pour autant empêcher une certaine accumulation dans le plasma.
Les effets essentiels de cette exposition interne accrue concernent le risque de résistance à l’insuline et une élévation du stress oxydant suite à l’inges- tion d’une alimentation riche en PM. Des changements profonds du métabo-
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lisme des lipides ont été également observés chez les adultes en réponse à l’augmentation d’exposition aux PM, illustrés par une augmentation des tri- glycérides et du cholestérol plasmatiques ainsi qu’une baisse des acides gras omega 3 à longue chaîne.
En conclusion, ces deux essais cliniques démontrent pour la première fois que les PM alimentaires issus de la cuisson des aliments ou du traitement thermique des formules, sont absorbés et contribuent significativement au pool endogène de produits de Maillard. Des effets métaboliques à court terme ont été mis en évidence suggérant une augmentation du risque de diabète et de maladies cardiovasculaires.
Mots clés
produits de Maillard, biodisponibilité, insuline, lipides, essais cliniques.
INTRODUCTION
Les produits de Maillard formés durant la cuisson industrielle ou domestique des aliments sont essentiellement identifiés comme des molécules aromatiques qui confèrent aux aliments grillés et frits leur saveur caractéristique très appré- ciée. Cependant, depuis une cinquantaine d’années environ, certains des composés formés par cette réaction ont été identifiés comme potentiellement cancérigènes ; c’est le cas des amines hétérocycliques qui apparaissent notamment au niveau de la croûte des viandes grillées (Cheng et al. 2006). Plus récemment, deux autres composés ont été identifiés comme potentiellement toxiques, l’acrylamide en 2002 (Slayne et Linebak, 2005) et le furane en 2005 (CIARC, 1995). Ces composés sont présents au sein d’une large palette d’ali- ments que nous consommons quotidiennement et le risque possible pour la santé d’une exposition chronique des populations a suscité de très nombreuses recherches depuis 5 années (Somoza, 2005, Birlouez-Aragon, 2008). Par ailleurs, la Commission européenne a édité deux recommandations incitant chaque pays membre à évaluer régulièrement le niveau de ces contaminants dans des aliments cibles.
De manière plus générale, la faible connaissance que nous avons aujourd’hui de l’ensemble complexe des molécules formées au cours de la réaction de Maillard, et le manque de données toxicologiques amènent à la pru- dence. Les craintes sont d’autant plus fondées que des molécules similaires à celles produites par la cuisson des aliments, sont formées in vivo dans le contexte du diabète ou de l’insuffisance rénale. Elles semblent jouer un rôle clé dans les processus dégénératifs de type diabète, athérosclérose, maladies neu- rodégénératives, oculaires et articulaires (Hofmann et al., 2004, Ahmed et al., 2007, Rabbani et al. 2007, Sebekova et Somoza, 2007). La question qui se pose en premier lieu est celle de la biodisponibilité des composés de Maillard alimentaires. Dès les années 1998, l’équipe de Helen Vlassara utilisait le terme de « glycotoxines alimentaires » pour rendre compte de l’aggravation des pathologies du système cardiovasculaire chez des modèles animaux lorsque
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ceux-ci ingéraient des concentrations importantes de produits de Maillard, du fait d’une cuisson à température élevée de leurs aliments (Lin et al., 2003). Ces complications dégénératives sont associées à la production de radicaux libres et à une micro-inflammation qui résultent de l’augmentation de la concentration circulante d’AGEs (Advanced Glycation End products ou produits de Maillard d’origine biologique), ainsi que de l’activation proportionnelle des récepteurs RAGE, impliqués dans la production de cytokines pro-inflammatoires (Bierhaus et al., 2005). De nombreux essais animaux révèlent en effet que l’exposition de rats et de souris à des produits de Maillard alimentaires en forte concentration accélère le développement des complications cardiovasculaires lors d’un dia- bète ou d’une insuffisance rénale provoqués (Rabbani et al., 2007). De plus, les souriceaux nés de mères nourries avec des doses élevées de produits de Maillard, développent un diabète insulino-dépendent (Peppa et al., 2003). À l’inverse, la baisse de l’apport en produits de Maillard dans la diète diminue chez ces animaux le niveau de micro-inflammation et ralentit le développement de la plaque d’athérome (Zheng et al., 2002).
Chez l’homme, seuls deux essais cliniques ont été conduits sur des sujets diabétiques par deux groupes de recherche indépendants (Vlassara et al., 2002 ; Negrean et al., 2006). Ces deux études ont confirmé l’augmentation du pool circulant d’AGEs et la production de cytokines après consommation d’un régime à teneur élevée en produits de Maillard par rapport à un régime vapeur.
La question se posait donc de savoir si les produits de Maillard alimentaires que nous ingérons chaque jour au travers des aliments cuits à haute tempéra- ture, grillés et frits, peuvent également générer des perturbations inflammatoires et métaboliques chez le sujet sain. Afin de répondre à cette question, le projet européen ICARE a été construit visant notamment à évaluer les conséquences sur la santé d’une ingestion de produits de Maillard à niveaux nutritionnels.
L’étude ICARE (coordonnée par l’ACTIA, coordination scientifique : Inès BIRLOUEZ-ARAGON) est un projet de recherche collective regroupant 5 asso- ciations nationales d’industries alimentaires, dont l’ANIA, 6 organismes de recherche de 5 pays, 3 centres techniques français de l’ACTIA, 10 PME alimen- taires et 3 PME, constructeurs d’équipement. Au-delà les enjeux santé liés à l’ingestion de produits de Maillard alimentaires, le projet ICARE visait également à mieux comprendre les réactions responsables de la formation des contami- nants néoformés dans les aliments transformés par réaction de Maillard et éva- luait l’intérêt de nouvelles technologies comme le chauffage ohmique et la cuisson micro-onde. De plus, un outil analytique simple et rapide a été conçu pour permettre aux industriels de contrôler ces contaminants tout au long de la fabrication des aliments.
Deux études cliniques ont été conduites, l’une comparant chez le sujet jeune et sain les effets métaboliques d’un régime vapeur par rapport à un régime standard naturellement riche en produits de Maillard, et l’autre étudiant l’impact comparé d’une alimentation infantile à base soit de lait de femme, pauvre en produits de Maillard, soit de formules infantiles connues pour contenir des teneurs variables en ces composés.
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1 – INTÉRÊT DE LA CUISSON VAPEUR : ÉTUDE CHEZ LE SUJET JEUNE ET SAIN
Étude clinique réalisée à LaSalle Beauvais sous la responsabilité d’Inès Bir- louez-Aragon et de Philippe Pouillart, en collaboration avec le Service de Nutri- tion de l’Institut Pasteur de Lille (Dr J.-M. Lecerf) et les partenaires d’ICARE.
Cette étude a porté sur 62 volontaires sains, non fumeurs, soumis successi- vement (cross over) pendant un mois à deux régimes contrastés quant à leur niveau de contamination en composés néoformés, tout en étant équivalents sur le plan nutritionnel ((Pouillart et al., 2008) :
– Un régime standard proposant des produits grillés et frits, du café, des biscuits secs et des corn flakes riches en composés de Maillard, y compris en contaminants néoformés ;
– Un régime vapeur, équivalent sur le plan nutritionnel, mais dont tous les aliments ont subi des transformations douces, comme la cuisson vapeur.
Ce mode de cuisson est censé limiter la production des contaminants néoformés.
Les deux régimes duraient 4 semaines et les menus, différents chaque jour de la semaine, étaient proposés à l’identique chaque semaine. Le niveau d’ingestion de chaque aliment a été mesuré précisément par double pesée pen- dant une semaine type, alors que le contenu en nutriments et en contaminants néoformés a été dosé dans un broyat de l’ensemble des produits ingérés dans la journée et dans quelques aliments cibles.
À l’issue des deux régimes, les contaminants néoformés ont été mesurés dans les plateaux repas et dans les milieux biologiques pour s’assurer de leur biodisponibilité. Des indicateurs du stress oxydant, du métabolisme du glucose et des lipides ainsi que de l’état inflammatoire ont été dosés.
L’analyse individuelle des apports nutritionnels et caloriques a révélé que, malgré un équilibrage précis des rations des deux régimes, le comportement spontané des volontaires a entraîné une consommation calorique significative- ment plus élevée (+ 10 %, p < 0,01) au cours du régime standard, du fait d’une augmentation de l’ingestion des lipides et glucides. De plus, bien que la ration de légumes cuits ait été doublée dans le régime standard afin de compenser les pertes de vitamine C à la cuisson, les volontaires ont consommé 30 % de vita- mine C en moins au cours de ce régime.
Les résultats peuvent être résumés comme suit :
Une diminution importante du taux de contaminants néoformés a été obte- nue suite à l’application de méthodes douces de cuisson, de 3 fois environ pour les produits de Maillard les plus communs tels que la carboxyméthyllysine, à 5 fois pour l’acrylamide et 45 fois pour l’hydroxyméthylfurfural. Une absorption faible mais significative des produits de Maillard a été mise en évidence. Le niveau de contamination des milieux biologiques a baissé significativement après le régime vapeur, de 10 à 30 %. Malgré une excrétion urinaire rapide, une concentration significativement plus élevée de produits de Maillard a été obser- vée à jeun, suggérant qu’une part de ces composés tend à s’accumuler.
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En réponse à une exposition accrue des volontaires aux produits de Maillard par l’ingestion d’une alimentation standard, l’insulinémie a augmenté de 15 %, alors que la glycémie s’est élevé non significativement, expliquant que l’indice de résistance de l’insuline (HOMA) augmente de 17 %. Parallèlement, les trigly- cérides plasmatiques s’élevaient de 10 %. Le cholestérol total était plus élevé, mais essentiellement du fait d’une augmentation du cholestérol HDL. Alors que le profil lipidique des deux régimes était identique, notamment le rapport oméga6/oméga3, les taux plasmatiques d’acide gras oméga 3 totaux, et plus particulièrement d’acides gras à longue chaîne, ont diminué, suggérant une baisse d’activité des élongases et désaturases. Enfin, la vitamine E et la vita- mine C plasmatiques diminuaient également, indiquant une moins bonne pro- tection des lipoprotéines. Néanmoins, aucune trace de peroxydation lipidique n’a été mise en évidence dans le régime standard. Notons cependant une aug- mentation de la synthèse hépatique d’ubiquinol, puissant antioxydant lipidique, qui vient a, comme déjà décrit dans le contexte d’un syndrome métabolique, corrigé le plus fort stress oxydant mis en évidence dans le contexte du régime standard (Miles et al., 2004).
Des études de corrélations montrent que ni le plus fort apport calorique, ni le plus faible apport en vitamine C associés à la consommation du régime stan- dard ne semblent impliqués dans ces changements. À l’inverse, les teneurs plasmatiques de produits de Maillard sont significativement corrélées aux chan- gements métaboliques, suggérant un rôle de ces molécules.
En conclusion, on peut donc affirmer que remplacer les cuissons conven- tionnelles à haute température par des cuissons douces comme la cuisson vapeur induit en un seul mois chez le sujet jeune et sain des effets favorables sur de nombreux paramètres métaboliques qui peuvent jouer un rôle préventif vis-à-vis du risque cardiovasculaire et diabétique.
2 – COMPARAISON DE L’IMPACT DES LAITS INFANTILES ET DU LAIT DE MÈRE SUR DES INDICATEURS MÉTABOLIQUES DES NOURRISSONS
Étude clinique réalisée à la faculté de médecine de Bratislava (Slovaquie) sous la responsabilité de Katarina Sebekova, en collaboration avec des pédia- tres locaux et les partenaires d’ICARE.
34 nourrissons allaités et 25 autres nourris avec 14 types de formules infan- tiles en poudre (la moitié recevant des formules à protéines hydrolysées) ont été inclus dans l’étude à l’âge de 6 mois. Le lait de la mère et les formules infantiles ont été analysées, révélant que seules des traces de produits de Maillard sont contenues dans les premières, alors qu’une concentration variable, de 28 à 400 fois plus élevée que dans le lait de femme, a été quantifiée dans les formu- les (Sebekova et al., 2008).
L’absorption intestinale de ces composés est démontrée par la présence quasi exclusive de carboxyméthyllysine dans les urines des bébés nourris avec les formules. En revanche, les plasmas des deux groupes de bébés contenaient
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de la carboxyméthyllysine, mais en concentration significativement plus élevée de 45 % dans le cas d’une alimentation par formules (Sebekova et al., 2008).
De nombreux paramètres métaboliques ont été analysés, révélant des diffé- rences significatives entre les deux groupes. Signalons une augmentation du facteur de résistance à l’insuline chez les bébés nourris par les formules com- parées aux bébés nourris au sein, une augmentation de l’excrétion des bases oxydées de l’ADN (8-OH-dG), ainsi que l’urée, et une élévation de quelques marqueurs de l’inflammation, tels que la CRP, l’ICAM1 et les leucocytes. En revanche, les taux de rétinoïdes et β-carotène plasmatiques étaient significati- vement plus élevés chez les bébés nourris aux formules infantiles, vraisembla- blement en raison des hautes concentrations de vitamines rajoutées dans ces laits. Cette augmentation de nutriments antioxydants plasmatiques a permis d’abaisser significativement le taux de MDA ainsi que le pouvoir antioxydant total du plasma des bébés nourris avec les formules, mais elle ne semble cependant pas suffire pour empêcher l’oxydation des bases d’ADN.
Les différences entre le lait de femme et les formules infantiles sont telles qu’il est difficile d’attribuer les changements observés aux seuls produits de Maillard contenus dans les formules. Des études de corrélation doivent encore être réalisées sur un échantillon de taille supérieure pour évaluer le rôle possible de ces composés de Maillard.
3 – CONCLUSION
Ces deux études révèlent clairement que les produits de Maillard formés dans les aliments par réaction à la chaleur entre d’une part les sucres, les vita- mines et les lipides oxydés et, d’autre part, les protéines, sont absorbés et ten- dent à s’accumuler dans l’organisme. Ces molécules semblent provoquer des perturbations du métabolisme du glucose, notamment une diminution de la sensibilité à l’insuline et du métabolisme des lipides, ainsi qu’un risque de stress oxydant et de microinflammation. La question des conséquences à long terme des microchangements observés ici sur quelques mois est fondamentale.
Des études récentes montrent que des teneurs de glucose, d’insuline et de tri- glycérides situées dans le quartile le plus élevé des valeurs normales consti- tuent déjà un risque accru de diabète et de maladies cardiovasculaires (Rutter et al., 2008, Tirosh et al., 2007).
Dans ce contexte, une diminution de ces teneurs grâce à une baisse de l’exposition aux produits de Maillard alimentaires pourrait permettre de dimi- nuer le risque de ces pathologies. La cuisson vapeur et l’introduction de tech- nologies alternatives plus douces de cuisson et de stérilisation, comme le chauffage ohmique, sont un moyen efficace de diminuer notre exposition quoti- dienne aux produits de Maillard.
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