Compréhension et modélisation de l'impact de la structure des matrices laitières sur la biodisponibilité des acides aminés chez le mini-porc

French. L’impact de la structure sur les propriétés biologiques et nutritionnelles des aliments est un sujet d’intérêt récent. La digestion est un processus complexe faisant intervenir plusieurs mécanismes, tels que l’hydrolyse des macronutriments, leur vidange gastrique et leur transit dans l’intestin, la libération de leurs produits d’hydrolyse et l’absorption finale de leurs constituants élémentaires. Tous ces mécanismes sont susceptibles d’être modifiés par la structure de l’aliment ingéré. Le lait est l’un des produits majoritaires de la nutrition humaine et les protéines laitières sont connues pour leur apport en acides aminés essentiels. Le lait peut être transformé et valorisé en de nombreux produits, tels que les yaourts ou les fromages. De plus ces aliments sont très digestibles et apparaissent comme des sources intéressantes de peptides potentiellement bioactifs et d’acides aminés ayant des rôles physiologiques connus. Pour ces raisons, le lait peut être considéré comme un vecteur de bénéfices nutritionnels. Cette étude a ainsi été menée pour comprendre les effets de la structure d’une matrice laitière, modifiée par des procédés technologiques couramment utilisés en industrie, sur les cinétiques de digestion des protéines laitières majeures, les caséines et la β-lactoglobuline. Trois procédés technologiques ont été étudiés, soit seul ou en combinaison : un traitement thermique et une gélification du lait induite par acidification ou par la présure. Six matrices laitières, ayant la même composition mais de structures différentes, ont ainsi été préparées : deux laits écrémés dont l’un natif et l’autre traité thermiquement, les gels présures issus de ces deux laits, et deux gels acides (l’un ferme et l’autre brassé) préparés à partir du lait traité thermiquement. Ces matrices ont ensuite été ingérées par 6 mini-porcs équipés de canules digestives au niveau du duodénum et du jéjunum moyen, ainsi que d’un cathéter artériel. Les effluents digestifs et les plasmas ont alors été prélevés à différents temps sur une période de 7 heures après ingestion. Les concentrations duodénales en chrome (un marqueur de la phase liquide du repas), le contenu en matière sèche, les concentrations résiduelles en protéines, la formation des peptides et les concentrations plasmatiques en acides aminés ont été déterminés sur la période postprandiale. Les caséines et la β-lactoglobuline étaient respectivement sensibles et résistantes à l’hydrolyse dans l’estomac avec les matrices natives, mais leurs cinétiques de digestion étaient au contraire très similaires avec les matrices traitées thermiquement. Les gélifications présure ou acide du lait ont ralenti la vidange gastrique du repas et retardé l’apparition duodénale des protéines et par conséquent, l’absorption des acides aminés, induisant ainsi une diminution de leur biodisponibilité dans le sang. Les gels présures, et plus particulièrement le gel présure non traité thermiquement, ont généré un comportement digestif spécifique, caractérisé par des quantités très faibles de tous les paramètres mesurés au niveau duodénal et dans le sang. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer ce résultat, telle qu’une rétention gastrique très longue associée à des sécrétions digestives prolongées et à une résistance accrue à la protéolyse. Les protéines laitières étaient complètement hydrolysées au niveau jéjunal, quelle que soit la structure de la matrice ingérée. Nous avons ainsi montré que la phase gastrique joue un rôle déterminant dans le contrôle de la biodisponibilité des acides aminés, leur absorption étant en effet fortement liée à la vitesse d’apparition des protéines dans le duodénum. Lorsque nous nous sommes intéressés à la population de peptides libérés dans le duodénum, la structure des matrices laitières n’a pas modifié la localisation des sites de clivage, mais a eu une influence importante sur le nombre de peptides identifiés. Une approche mécanistique de modélisation mathématique a été développée de manière complémentaire aux analyses biologiques. Un modèle à compartiments, basée sur des équations différentielles, a été construit de manière à reproduire les données in vivo en intégrant les processus de vidange et de sécrétions gastriques, de transit intestinal et d’absorption des acides aminés exogènes. Ce modèle était capable de simuler correctement les données expérimentales et d’estimer différents paramètres, principalement liés au transit le long du tractus digestif. Les simulations du modèle ont montré que les différences de cinétiques d’absorption des acides aminés étaient étroitement liées au comportement des matrices laitières dans l’estomac. Ce modèle offre des perspectives intéressantes pour l’intégration de paramètres décrivant la structure des aliments, et plus spécifiquement des produits laitiers, dans un but de prédiction de la biodisponibilité en fonction de la structure de l’aliment ingéré. Les approches in vivo et in silico menées en interaction dans ce projet ont ainsi mis en évidence le rôle majeur de la matrice alimentaire dans la biodisponibilité des nutriments. Cette étude suggère par ailleurs de considérer la modulation de la structure des aliments comme un outil de régulation lors de stratégies nutritionnelles ciblées, notamment pour des populations spécifiques (personnes âgées, en surpoids…).

English. The impact of the structure on the biological and nutritional properties of food has received a growing interest recently. Digestion is a complex process involving different steps such as the macronutrients hydrolysis, their gastric emptying and subsequent transit in the small intestine, the release of their hydrolysis products, and the absorption of the final nutrients. All of these mechanisms are susceptible to be influenced by the structure of the meal.Milk is a widely consumed product in human nutrition and milk proteins are well-known for their ability to provide essentials amino acids to the body. Milk can be transformed into a high diversity of manufactured derivatives, such as yogurt and cheese. Moreover these foods are highly digestible and also known as sources of potential bioactive peptides and amino acids having physiological roles. For these reasons, milk could be considered as a potent vector of nutritional benefits.This study aimed at investigating the effect of the dairy matrix structure, as modified by processes commonly used in the dairy industry, on the digestion kinetics of the milk proteins, caseins and β-lactoglobulin. Three processing operations have been investigated alone or in combination: heat treatment and either acid- or rennet-induced gelation of milk. A total of six dairy matrices having the same composition, but differing by their structures, were prepared: unheated and heated skim milk, the corresponding rennet gels, and a non-stirred or a stirred acid gel prepared from the heated milk. These meals were then given to six minipigs fitted with cannulas at the duodenum and mid-jejunum and an arterial catheter. Effluents and plasma samples were collected at different times over a 7 h-period after meal ingestion. Duodenal chromium concentrations (marker of the liquid phase of the meal), dry matter content, residual concentrations of milk proteins, production of peptides and plasmatic amino acid concentrations were followed over the postprandial period. Caseins and β-lactoglobulin were respectively sensitive and resistant to hydrolysis in the stomach with the unheated matrices, but showed similar digestion kinetics with the heated matrices. Rennet- and acid-induced gelation of milk slowed down the outflow of the meal from the stomach and delayed the duodenal appearance of both proteins and the subsequent absorption of amino acids, which resulted in a decrease in their bioavailability in peripheral blood. The rennet gels, and more specifically the raw rennet gel, displayed specific digestion behaviour with low levels of all the parameters measured in the duodenal effluents and in the plasma. Several hypotheses were proposed to explain the rennet gels specific digestion, such as a dilution by digestive secretions, a resistance to hydrolysis and a long gastric retention due to a mechanism of gastric syneresis. The overall digestion of both proteins was high at the jejunal site, whatever the structure of the ingested dairy matrix was. The gastric phase was thus shown to play a key role in the control of nutrients delivery and bioavailability, milk protein absorption being conditioned by their rate of appearance in the duodenum. When focusing on the population of peptides released in the duodenum, the structure of the dairy matrices did not affect the location of cleavage sites, but had an impact on the number of peptides identified. As a complementary method to animal experiments, an in silico approach was used to have a mechanistic understanding of the digestion process. A compartmental model, based on ordinary differential equations, was developed to match closely in vivo measurements by describing the gastric emptying, intestinal transit and the subsequent absorption of exogenous amino acids. This model provided a good fitting of experimental data and allowed estimating parameters, mainly related to the transit along the digestive tract. Model simulations showed that differences in the kinetics of amino acid absorption can be fully understood by considering the behaviour of the dairy matrices within the stomach. This model offers interesting perspective for the integration of food structure parameters, and more particularly for dairy products, in the comprehensive view of the nutritional quality of food products. The in vivo and in silico approaches employed in this study therefore underlined the crucial influence of the product structure on nutrient bioavailability. They also added valuable contribution to consider the manufacturing of food as a promising tool for specific nutrition goals adapted to different subpopulations (elderly, overweight people…).