Encapsulation d’un extrait de betterave enrichi en bétacyanines pour l’enrichissement de produits alimentaires en antioxydants

Encapsulation of extract enriched in betacyanins for food product enrichment with antioxidants

• Auteur / Autrice : Nesrine Ben Hadj Youssef
• Direction : Anne-Virginie Salsac, Claire Rossi, Aude Falcimaigne-Cordin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie : Unité de recherche Génie Enzymatique et Cellulaire - GEC (UMR-7025)
• Date : Soutenance le 23/10/2020
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industries agroalimentaires

Additifs alimentaires

Aliments enrichis

Émulsions

Gélification

Atomisation

Biopolymères

Pigments végétaux

Betterave rouge

Encapsulation (chimie)

Antioxydants

Mots clés libres

Bétacyanines

Gélification ionotropique

Émulsion en deux étapes

Enrichissement

Agroalimentaire

Antioxidants

Betacyanins

Encapsulation

Biopolymer

Spray-drying

Ionotropic gelation

Double-step emulsion

Food enrichment

Food industry and trade

Beets

Résumé

Les bétacyanines sont des pigments de la betterave rouge (Beta vulgaris) qui font l’objet d’un intérêt croissant de la part des industries agroalimentaires car elles possèdent un fort pouvoir antioxydant. Il a été démontré qu’elles remplacent de manière efficace les antioxydants synthétiques et ont des propriétés bénéfiques sur la santé grâce à des effets anti-cancéreux, anti-inflammatoires et hépatoprotectifs. Cependant, aucune de leurs propriétés bénéfiques ne sont actuellement valorisées, leur utilisation étant limitée à celle de colorant alimentaire. Une des fortes limitations de l’utilisation des bétacyanines est leur grande instabilité lorsqu'elles sont exposées à des facteurs environnementaux (lumière, oxygène, pH, température, etc.), ainsi que leur dégradation presque complète pendant la digestion avant d'atteindre l'intestin, où se produit l'assimilation. L'objectif de l’étude est de développer des stratégies d'encapsulation pour protéger les pigments de la digestion, en particulier des conditions acides et enzymatiques de l'estomac afin de permettre une libération contrôlée au niveau du site d'absorption intestinal. Après extraction des bétacyanines à partir de la betterave rouge, celles-ci ont été encapsulée par atomisation dans diverses matrices en biopolymères : protéines de soja, protéines de pois et polysaccharides tels que la gomme arabique, la maltodextrine, l'alginate et le chitosane. Les propriétés physico-chimiques des extraits enrichis en bétacyanines, sous forme libre ou encapsulée, ont été caractérisées, ainsi que l'effet de l'encapsulation sur la libération des bétacyanines dans les conditions de modèles de digestion in vitro. Les protéines de pois, les protéines de soja et l'alginate se sont révélés être des biopolymères efficaces pour une libération ciblée. Afin de mieux protéger les bétacyanines, une autre approche d'encapsulation a été testée: la formation de particules d’alginate combiné avec différents polymères naturels (protéines de pois, protéines de soja, K-carraghénane, chitosane) par gélification ionotropique. Enfin, le système d'encapsulation a été complexifié en utilisant la méthode de gélification ionotropique couplée à deux phases successives d’émulsion (eau dans huile, puis huile dans eau). Cette technique nous a permis d'obtenir des résultats prometteurs. Moins de 10% des bétacyanines sont relarguées dans les conditions acides de l'estomac et un fort relargage de la phase huile contenant les bétacyanines est obtenu dans le milieu au pH intestinal en utilisant une formulation à base d’alginate seul et à base d’alginate et de protéines de pois. Ceux-ci seraient donc des candidats intéressants pour que ces nouvelles particules totalement naturelles et enrichies en antioxydants puissent être utilisées en tant qu’additifs pour enrichir les produits alimentaires avec des bénéfices pour la santé. Cela ouvre également la voie au remplacement des antioxydants synthétiques dans les produits alimentaires et à la valorisation des bétacyanines comme antioxydants et non seulement comme colorants alimentaires.

A growing interest is being given to betacyanins, the red beetroot (Beta vulgaris) pigments,owing to their high antioxidant capacity. They have been shown to efficiently replace synthetic antioxidants in food products and to have health-promoting properties, such as anti-tumoral, anti-inflammatory and liver-protective effects on human cells. But none of their beneficial health properties is currently valued, their use being restricted to food colouring agent. One strong limitation of betacyanins is their high instability when exposed to several environmental factors (light, oxygen, temperature, pH, etc.) and their almost complete degradation during digestion prior to reaching the intestine, where assimilation occurs. The aim of the study is to develop specific food-grade encapsulation strategies to protect the betacyanin during digestion from the acidic and enzymatic stomach conditions, and to allow a controlled release at the intestinal absorption site. After extracting the betacyanins from red beetroots, they were encapsulated by the spray-drying method within several biopolymers: soy proteins, pea proteins and polysaccharides such as arabic gum, maltodextrin, alginate and chitosan. The physicochemical properties of free and encapsulated betacyanin extracts were characterized, as well as the effect of encapsulation on betacyanin release under in vitro conditions of digestion models. Pea proteins, soy proteins and alginate were found to be efficient to protect betacyanins for targeted delivery. But to better protect the betacyanins, another encapsulation approach was tested based on the formation of alginate-based particles by ionotropic gelation when combined with different polymers: pea proteins, soy proteins, K-carrageenan, chitosan. Lastly, theencapsulation system was complexified by using the ionotropic gelation method coupled to two successive emulsion steps (water-in-oil followed by oil-in-water). This technique allowed us to obtain promising results. Less than 10% of the betacyanins were released in the acidicconditions of the stomach and a strong release of the oil phase containing the betacyanins was observed in a medium at intestinal pH when using alginate and alginate-pea proteins particles. These will be interesting candidates for new entirely natural antioxidant-enriched particles to be used as additives to enrich food products with health benefits. This paves also the road to the replacement of synthetic antioxidants in food products and to the valorization of betacyanin as antioxidants and not only as food coloring agents.