Éco-extraction de composés bioactifs à partir de marcs de fruits rouges & étude de leur impact sur l'homéostasie intestinale.

Eco-extraction of bioactive compounds from red fruit pomaces and study of their impact on intestinal homeostasis.

• Auteur / Autrice : Morag Davidson
• Direction : Naima Saad, Tan-Sothéa Ouk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Chimie Santé mention Chimie des substances naturelles
• Date : Soutenance le 02/05/2024
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ω-LIM-Biologie-Chimie-Santé (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Agroressources, Biomolécules et Chimie pour l'Innovation en Santé (Limoges ; 2018-)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Liagre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Urdaci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emilie Destandau, Grégory Chatel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prébiotiques

Antioxydants

Polyphénols

Fruits rouges

Mots clés libres

Marcs de fruit rouges

Extraction assistée par enzyme et ultrasons

Polyphénols

Activité antioxydante

Huile

Activité prébiotique

Berry pomaces

Ultrasound-Enzyme-Assisted extraction

Polyphenols

Antioxidant activity

Oil

Prebiotic activity

Résumé

Depuis 2010, 100 millions de tonnes de fruits rouges sont produits chaque année dans le monde. 20% de déchets résultent de leur 1ère transformation industrielle, comprenant les graines et les peaux, appelés marcs. L’épandage et l’alimentation animale constituent leurs principales voies de valorisation, alors qu’ils peuvent être une source potentielle de composés bioactifs hydrophiles (fibres, protéines, polyphénols, oligo-éléments) et lipophiles (acides gras polyinsaturés, phytostérols, tocols). Par conséquent, il devient intéressant de concevoir des procédés d’extraction simultanée de l’ensemble de ces biomolécules pour exploiter pleinement les activités biologiques qui leurs sont associées.Le travail de cette thèse s'est fixé deux objectifs majeurs. Tout d'abord, développer un procédé d'éco-extraction innovant, combinant l’utilisation d’enzymes et d’ultrasons pour extraire, simultanément et en milieu aqueux, les composés hydrophiles et lipophiles des marcs de fruits rouges. Ensuite, évaluer in vitro les propriétés prébiotiques des extraits obtenus.Les différents travaux de la thèse se sont articulés autour de quatre phases successives : (i) la caractérisation chimique des marcs de framboise, de fraise, de mûre et de cassis, (ii) le développement du ou des procédé(s) d’éco-extraction, (iii) la caractérisation chimique globale des « éco-extraits » obtenus et (iv) l’évaluation in vitro de leur activité prébiotique potentielle.Le développement du procédé d’éco-extraction des composés d’intérêt à partir des quatre marcs de fruits s’est déroulé en trois étapes. Tout d'abord, trois enzymes (un mélange de glycohydrolases, une protéase acide et une protéase alcaline) ont été testées seules ou combinées séquentiellement. Ensuite, les systèmes enzymatiques sélectionnés ont été associés à des ultrasons, soit simultanément (enzyme + ultrasons) soit de manière séquentielle (enzyme → ultrasons ou ultrasons → enzyme). Le choix des systèmes enzymatiques et de leurs combinaisons avec les ultrasons s'est basé sur leur efficacité, leur facilité d'utilisation et leur caractère novateur par rapport aux travaux existants. Enfin, les combinaisons retenues ont été optimisées à l'aide d'un plan d'expérience (Definitive Screening Design) en ajustant six paramètres comprenant chacun trois niveaux : amplitude des ultrasons, pH, ratio enzyme/substrat, ratio solide/liquide, durée et température.La combinaison simultanée « protéase alcaline-ultrasons » a été retenue et optimisée pour les marcs de framboise, de fraise et de mûre. Elle a permis d’extraire, dans un solvant aqueux et en une seule étape, la totalité de leurs composés phénoliques, ayant préservé 75% de leur capacité antioxydante, ainsi que 75% de l’huile présente dans ces marcs. Concernant le marc de cassis, la combinaison simultanée « protéase acide-ultrasons » optimisée a permis l’extraction de 75% des polyphénols totaux (dont la totalité des anthocyanes), ainsi que 50% de l’huile.Les extraits obtenus ont également démontré des propriétés prébiotiques, favorisant la croissance de bactéries probiotiques (Lactobacillus plantarum 299v, Lactobacillus rhamnosus), les positionnant comme des candidats potentiels pour l'industrie nutraceutique. Ils pourraient être intégrés dans des compléments alimentaires visant à maintenir ou rétablir l'équilibre du microbiote intestinal.

Since 2010, 100 million tons of red fruits have been produced globally each year. 20% of wastes result from their first industrial transformation, which includes the seeds and the skins, known as pomace. While spreading and animal feeding are common ways to valorise these wastes, they are also a potential source of hydrophilic and lipophilic bioactive compounds (fibres, proteins, polyphenols, minerals & poly-unsaturated fatty acids, phytosterols, tocols). Therefore, it is interesting to design simultaneous extraction processes to extract simultaneously all of these biomolecules to fully exploit their biological activities.This thesis aimed to achieve two goals. The first goal was to develop an innovative extraction process by combining the use of an enzyme(s) with the use of ultrasounds to extract simultaneously, in an aqueous medium, the hydrophilic and lipophilic bioactive compounds of red fruit pomaces. The second goal was to assess in vitro the prebiotic properties of the extracts.The thesis was divided into four successive steps: (i) the characterisation of the proximate compositions of the raspberry, strawberry, blackberry and black currant pomaces, (ii) the design of one or several eco-extraction process(es), (iii) the global chemical characterization of the “eco-extracts” and (iv) the in vitro assessment of their potential prebiotic properties.The design of the eco-extraction process was divided into three steps. First, three enzymes (a cocktail of glycohydrolases, an acid protease and an alkaline protease) were tested, alone or sequentially combined. Secondly, the selected enzymatic systems were associated with ultrasounds, either simultaneously (enzyme + ultrasounds) or sequentially (enzyme → ultrasounds and ultrasounds → enzyme). The choice of the enzymatic system(s) and their combination with ultrasounds was based on their extraction efficiencies, ease of implementation and innovative character compared to existing literature. Finally, the selected combination(s) were optimised by an experimental design (Definitive Screening Design) by adjusting six parameters comprising three levels: ultrasound amplitude, pH, enzyme/substrate ratio, solid/liquid ratio, extraction time and temperature.The simultaneous combination “alkaline protease-ultrasounds” was selected and optimised for the raspberry, strawberry and blackberry pomaces. All of the polyphenols, with 75% of their antioxidant capacities, and 75% of the oil present in the pomaces were extracted in a single step in an aqueous medium. The optimised simultaneous combination “acid protease-ultrasounds” extracted 75% of the polyphenols, with the totality of the anthocyanins, and 50% of the oil of the black currant pomace.The eco-extracts demonstrated prebiotic properties towards probiotic bacteria (Lactobacillus plantarum 299v, Lactobacillus rhamnosus) by favouring their growth. This makes them potential candidates for the nutraceutical industry. The eco-extracts could be integrated into dietary complements to maintain or restore the intestinal microbiota balance.