Étude de la stabilitÉ des fibres alimentaires seules et …
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ÉMILIE PAQUET
ÉTUDE DE LA STABILITÉ DES FIBRES
ALIMENTAIRES SEULES ET EN MÉLANGE DANS
UN BREUVAGE À BASE DE JUS DE FRUITS ET
COMPRÉHENSION DE LEUR EFFET SUR LES
RÉPONSES GLYCÉMIQUE ET INSULINÉMIQUE
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en Sciences et technologie des aliments
pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
DÉPARTEMENT DES SCIENCES DES ALIMENTS ET DE NUTRITION
FACULTÉ DES SCIENCES DE L’AGRICULTURE ET DE L’ALIMENTATION
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2010
© Émilie Paquet, 2010
Résumé court
L’objectif de ce travail était d’étudier la stabilité de la gomme de guar (G), du β-glucane
d’orge (Bg) et du konjac-mannan (K) seuls et en mélange avec la gomme xanthane (X)
durant la pasteurisation et l’entreposage de breuvages à base de jus de fruits et de
déterminer l’effet des deux mélanges les plus stables, détenant une viscosité commune à
30 s-1, sur les réponses glycémique et insulinémique de même que sur les sensations
d’appétit de 20 sujets masculins sains. L’ajout de X a limité la variation de la viscosité de
Bg et K, mais n’a eu aucun effet sur G. Dans un devis randomisé en chassé-croisé,
l’ingestion des breuvages enrichis en G-X et en K-X n’a pas diminué significativement les
réponses glycémique et insulinémique comparativement au breuvage témoin. Néanmoins,
le breuvage enrichi en K-X a significativement augmenté la satiété comparativement aux
deux autres breuvages. Ainsi, la nature et la concentration des fibres ont un effet
possiblement plus déterminant que la viscosité sur le contrôle de la glycémie et de
l’insulinémie.
ii
Résumé long
Les fibres alimentaires sont grandement étudiées en raison de leurs nombreux attributs
santé, dont le contrôle de la glycémie et de l’insulinémie. La gomme de guar (G), les
β-glucanes (Bg) céréaliers et le konjac-mannan (K) en sont de bons exemples. Leur
mécanisme d’action semble étroitement lié à la viscosité induite dans le système digestif.
Toutefois, la majorité des études compare l’effet des différentes fibres selon leur
concentration et non selon leur viscosité. Également, l'effet des procédés de transformation
et des conditions d’entreposage sur la stabilité des fibres est encore méconnu
particulièrement dans les aliments liquides en milieu acide. Des travaux récents ont
rapporté un effet synergique entre la gomme xanthane (X) et le Bg d’avoine sur la viscosité
des breuvages à base de jus de fruits pasteurisés. Par conséquent, l’objectif de cette étude
était de vérifier la stabilité de G, K et Bg d’orge seuls et en mélange avec le X durant la
pasteurisation et l’entreposage de breuvages à base de fruits et de déterminer l’effet des
deux mélanges les plus stables sur les réponses glycémique et insulinémique de même que
sur les sensations d’appétit de 20 sujets masculins sains.
Le ratio et la concentration finale des mélanges binaires de polysaccharides ont été
sélectionnés de manière à atteindre une viscosité commune à 30 s-1, reconnue pour avoir
amélioré significativement la réponse glycémique de sujets normaux après l’ingestion d’un
breuvage enrichi en un mélange de Bg d’avoine et de X. L'effet de la pasteurisation, du
temps (4 mois) et de la température d’entreposage (4 ou 20 °C) sur la viscosité, la turbidité
et le pH des breuvages a été étudié par un modèle Anova hétérogène en split-plot. La
pasteurisation, le temps et la température d’entreposage influencent significativement et
différemment la viscosité des breuvages contenant des fibres alimentaires. L’ajout de X a
un effet protecteur sur Bg d’orge (BgX) et K (KX), mais n’a aucun effet sur G (GX). Les
deux breuvages les plus stables sont ceux enrichis en GX et en KX. Ainsi, l’étape de
formulation est cruciale pour assurer la stabilité technologique et l’effet physiologique des
fibres alimentaires.
iii
Dans un devis randomisé en chassé-croisé, l’ingestion des breuvages enrichis en GX et en
KX n’a pas diminué significativement les concentrations en glucose, en insuline et en C-
peptide comparativement au breuvage témoin. Néanmoins, le breuvage enrichi en KX a
significativement augmenté la satiété comparativement aux deux autres breuvages. Ainsi, il
est possible de croire que la nature et la concentration des fibres alimentaires ont un effet
probablement plus déterminant que la viscosité sur le contrôle des réponses glycémique et
insulinémique de même que sur les sensations d’appétit.
iv
Abstract
The purpose of this research was to study the stability during pasteurization and storage of
guar gum (G), barley β-glucan (Bg) and konjac-mannan (K) alone and in mixture with
xanthan gum (X) in a fruit juice based beverage and to determine the effect of the two most
stable mixtures at a common viscosity of 30 s-1, on glycemic and insulinemic responses as
well as on appetite sensations of 20 healthy men. Addition of X had a protective effect on
viscosity of Bg and K, but had no effect on G. In a randomized crossover design, intake of
beverages enriched with G-X and K-X failed to significantly reduce glycemic and
insulinemic responses compared to the control beverage. However, beverage enriched with
K-X significantly enhanced satiety compared to the other beverages. Thus, the nature and
concentration of fibers may have a more important effect than the viscosity on the control
of glycemia and insulinemia.
Avant-Propos
Ce mémoire est divisé en cinq chapitres, dont deux sont sous forme d’articles scientifiques.
Je suis l’auteure principale de tous ces chapitres. Les expériences que j’ai planifiées et
réalisées ont principalement eu lieu dans les laboratoires du pavillon Paul-Comtois de
l’Université Laval à Québec à l’exception des traitements technologiques. Ces derniers ont
été effectués dans le laboratoire pilote des Industries Lassonde inc. à Rougemont. De plus,
l’étude nutritionnelle que j’ai réalisée a été effectuée dans les locaux de l’Unité
d’Investigation Clinique de l’Institut des Nutraceutiques et des Aliments Fonctionnels
(INAF) de l’Université Laval. L’élaboration du programme d’analyse statistique des
résultats a été effectuée avec l’aide de Gaétan Daigle (statisticien professionnel) du Service
de Consultation Statistique de l’Université Laval et du Dr. Simone Lemieux, également de
l’Université Laval. J’ai entièrement effectué l’analyse des résultats. Ce projet de recherche
a été supervisé par les Dr. Sylvie L. Turgeon (directrice) et Simone Lemieux (codirectrice)
qui m’ont, toutes les deux, apporté leur soutien scientifique de même que de judicieux
conseils selon leurs expertises. La réalisation de ce projet de recherche a été facilitée grâce
au support financier du Conseil de Recherche en Science Naturelle et Génie (CRSNG) qui
m’a accordé une bourse d’études supérieures de maîtrise (BESC M). Enfin, les partenaires
financiers du projet, sans quoi ce travail n’aurait pas eu lieu, ont été le CRSNG ainsi que les
Industries Lassonde inc.
Le premier chapitre titré « Introduction » présente la problématique générale du mémoire.
Le second, intitulé « Revue de littérature », résume d'abord les principes entourant la
régulation de la glycémie et de l’insulinémie puis fait état des connaissances actuelles quant
au rôle des fibres alimentaires sur le contrôle de l’homéostasie du glucose. Les principaux
facteurs pouvant influencer l’activité biologique des fibres sont par la suite énumérés suivi
d’une discussion sur l’intérêt technologique d’utiliser des polysaccharides en mélange.
Finalement, le but, les hypothèses de recherche et les objectifs spécifiques de l’étude sont
présentés.
vi
Le troisième chapitre est un article scientifique intitulé « Effect of food processing and
storage conditions on stability of fruit juice base beverages enriched with dietary fiber
alone and in mixture with xanthan gum ». Ce dernier porte sur l’effet des procédés de
transformation et des conditions d’entreposage sur la stabilité des fibres alimentaires seules
et en mélange avec la gomme xanthane lorsqu’incorporées à un breuvage à base de jus de
fruits. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible d’utiliser la gomme xanthane pour
mieux contrôler la fonctionnalité des fibres alimentaires dans un tel produit. Toutefois, son
efficacité peut varie en fonction de la nature de la fibre utilisée.
Le quatrième chapitre « Effect of fruit juice based beverages enriched with dietary fiber
and xanthan gum on the glycemic and insulinemic responses as well as on appetite
sensations in healthy men » porte sur l’étude nutritionnelle realisée à l’INAF. Cet article
vise à démontrer l’effet de breuvages à base de jus de fruits enrichis en différentes fibres
alimentaires en mélange avec la gomme xanthane détenant une viscosité commune à 30 s-1
(vitesse de cisaillement hypothétique du tractus gastro-intestinal) sur les réponses
glycémique et insulinémique de même que sur les sensations d’appétit. Les résultats de ce
travail ont permis de démontrer que la viscosité n’est probablement pas le seul facteur
impliqué dans le mécanisme d’action des fibres alimentaires sur la modulation de la
glycémie et de l’insulinémie de même que sur la régulation des prises alimentaires.
Enfin, les conclusions générales et les perspectives de ce travail sont présentées au
cinquième au chapitre. Ce dernier fait un retour les hypothèses émises, présente l'impact
des résultats obtenus et discute des améliorations à apporter pour les travaux futurs de
même que des nouvelles pistes à étudier.
vii
Remerciements
La réussite de ce projet de recherche a nécessité la collaboration et le support de plusieurs
personnes dont j’aimerais faire mention.
D’amblé, je tiens à exprimer ma reconnaissance à ma directrice Sylvie Turgeon et ma
codirectrice Simone Lemieux qui m’ont, toutes les deux, offert un inestimable appui
scientifique et moral. Je tiens également à vous remercier, Simone et Sylvie, non seulement
pour avoir mis à ma disposition tous les outils nécessaires à ma réussite et à mon
accomplissement professionnel, mais également pour votre grand sens de l’écoute de même
que pour votre dynamisme et votre positivisme qui m’ont grandement motivé.
J’aimerais également souligner l’exceptionnel support technique que j’ai reçu de la part de
tous les techniciens et professionnels de recherche du département des sciences des
aliments et de nutrition. Un merci particulier à Diane Gagnon pour son dévouement et sa
grande disponibilité de même qu’à Louise Corneau, à Gaétan Desnoyers, à Alain Gaudreau,
à Pascal Cliche, à Danielle Aubin, à Steeve Larouche et à Mélanie Martineau. Merci à
Hélène Fortier, Diane Robert et Johanne Talbot pour leur soutien au niveau administratif.
J’ai également eu la chance d’avoir à mes côtés quatre excellents étudiants stagiaires, soit
Émilie Thibodeau, Vincent Banville, Solène Lemaux et Michaëlle Bouilloud qui m’ont
grandement aidée dans la collecte de données. Un gros merci à vous tous!
De plus, je tiens à remercier toute l’équipe de la RDC-Industries Lassonde pour leurs
judicieux conseils et leur implication au sein de ce projet de recherche. Je voudrais
souligner de façon particulière la grande dévotion de Stéphanie Bernier lors des
productions à échelle industrielle.
viii
Un remerciement particulier est également adressé au Conseil de Recherche en Sciences
naturelles et en Génie du Canada (CRSNG) pour m’avoir accordé une bourse d’études
supérieures (BESC M) de même que pour la subvention de ce projet de recherche. Je tiens
aussi à exprimer ma gratitude aux Industries Lassonde pour leur soutien financier.
Finalement, je voudrais exprimer toute ma reconnaissance à ma famille et mes amis pour
leur support et leur encouragement tout au long de cette aventure. Un merci tout spécial à
mon amoureux Jean-François pour sa patience et sa compréhension de même que pour
n’avoir jamais cessé de croire en moi.
à Jeff,
pour son soutien inconditionnel
Table des matières
INTRODUCTION ........................................................................................................................ 1
CHAPITRE 1 : Revue de littérature ........................................................................................... 3
1.1 Glycémie et insulinémie ............................................................................................... 3 1.1.1 Régulation de la réponse glycémique .................................................................... 3
1.1.1.1 Le diabète de type 2 ........................................................................................ 7 1.1.2. L’index glycémique .............................................................................................. 9
1.2 Ingrédients pouvant présenter un effet sur les réponses glycémique et insulinémique
.......................................................................................................................................... 11 1.2.1 Les fibres alimentaires ......................................................................................... 11
1.3 Mécanismes d’actions proposés des fibres alimentaires pour contrôler la réponse
glycémique et insulinémique............................................................................................ 13 1.3.1 Effet au niveau stomacal ...................................................................................... 13 1.3.2 Effet au niveau de la partie supérieure de l’intestin ............................................. 14
1.3.3 Impact des fibres alimentaires sur l’index glycémique des aliments ................... 16 1.3.4 Impact des fibres alimentaires sur la satiété et le contrôle du poids corporel ..... 17
1.4 Les fibres alimentaires ayant potentiellement un effet sur la réponse glycémique et
insulinémique ................................................................................................................... 18 1.4.1 Les β-glucanes céréaliers ..................................................................................... 20
1.4.2 La gomme de guar ............................................................................................... 23
1.4.3 Le konjac-mannane (glucomannane) ................................................................... 25 1.5 Facteurs influençant la viscosité ................................................................................ 28
1.5.1 Facteurs intrinsèques ............................................................................................ 29
1.5.2 Facteurs extrinsèques ........................................................................................... 30 1.6 Effet des procédés de transformation et d’entreposage sur le potentiel
hypoglycémiant des fibres................................................................................................ 31 1.7 Synergie de viscosité entre les polysaccharides ......................................................... 33
1.7.1 La gomme xanthane ............................................................................................. 35 1.8 Buts, hypothèses et objectifs ...................................................................................... 39
CHAPITRE 2: Effet des procédés de transformation et des conditions d’entreposage sur la
stabilité de breuvages à base de jus de fruits enrichis en fibre alimentaire seule et en
mélange avec la gomme xanthane ........................................................................................ 41
2.1 Résumé ....................................................................................................................... 42 2.2 Abstract ...................................................................................................................... 43 2.3 Introduction ................................................................................................................ 44
2.4 Material and methods ................................................................................................. 45 2.4.1 Material ................................................................................................................ 45 2.4.2 Beverage formulation .......................................................................................... 46
2.4.3 Beverage preparation ........................................................................................... 46
xi
2.4.4 Pasteurization and storage procedures ................................................................. 47
2.4.5 Physico-chemical analyses .................................................................................. 47 2.4.6 Molecular weight measurement ........................................................................... 48 2.4.7 Statistical analyses ............................................................................................... 49
2.5 Results ........................................................................................................................ 49 2.5.1 Rheological profile .............................................................................................. 50
2.5.2 Effect of pasteurization ........................................................................................ 50 2.5.3 Effect of time ....................................................................................................... 52 2.5.4 Effect of storage temperature ............................................................................... 53 2.5.5 Molecular weight determination .......................................................................... 54
2.6 Discussion .................................................................................................................. 55
2.7 Conclusion ................................................................................................................. 59
CHAPITRE 3: Effet de la consommation de breuvages à base de jus de fruits enrichis en fibre
alimentaire et en gomme xanthane sur les réponses glycémique et insulinémique de même
que sur les sensations d’appétit chez des hommes en bonne santé ....................................... 77
3.1 Résumé ....................................................................................................................... 78 3.2 Abstract ...................................................................................................................... 79 3.3 Introduction ................................................................................................................ 80
3.4 Material and methods ................................................................................................. 81 3.4.1 Material ................................................................................................................ 81
3.4.2 Beverage formulation .......................................................................................... 82 3.4.3 Beverage preparation ........................................................................................... 82 3.4.5 Beverage physico-chemical analysis ................................................................... 83
3.4.6 Subjects and design .............................................................................................. 83
3.4.7 Statistical analyses ............................................................................................... 85 3.5 Results ........................................................................................................................ 86
3.5.1 Viscosity, pH and sugar concentration ................................................................ 86
3.5.2 Serum glucose, insulin and C-peptide concentrations ......................................... 87 3.5.3 Appetite sensations .............................................................................................. 87
3.6 Discussion .................................................................................................................. 88 3.7 Conclusion ................................................................................................................. 92
CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES .......................................................................... 108
BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................... 111
APPENDICE A. Exemples d’aliments à index glycémique bas, moyen et élevé .................. 128 APPENDICE B. Anova tables from experiences in chapter 2 ............................................... 129 APPENDICE C. Anova tables from experiences in chapter 3 ............................................... 131
Liste des tableaux
Tableau 1.1: Sites de résistance à l’insuline…………………………………………
8
Tableau 1.2: Changement de l’aire sous la courbe de glucose et d’insuline sanguins
suite à la consommation de différentes fibres alimentaires……………..
19
Tableau 1.3: Effet de différents procédés de transformation sur le poids moléculaire,
la solubilité et le taux de β-glucane dans les aliments transformés…….
32
Tableau 1.4: Mélanges binaires de polysaccharides présentant une synergie de
viscosité………………………………………………………………….
34
Tableau 1.5: Composition moyenne des polysaccharides excrétés par quelques
souches du genre Xanthomonas…………………………………………
37
Table 2.1: Composition of beverages..........................................................................
61
Table 2.2: Concentration of stock solutions used for each beverage………………
62
Table 2.3: Polysaccharide’s average molecular weight............................................
73
Table 2.4: Difference of viscosity between beverages made under laboratory and
pilot conditions.........................................................................................
74
Table 3.1: Composition of beverages........................................................................
93
Table 3.2: Subject’s characteristics...........................................................................
94
Table 3.3: Mean viscosity and pH value of beverages measured weekly over a
7-weeks period..........................................................................................
96
Table 3.4: Effect of beverages enriched with dietary fibers on the time to peak
and the increment blood glucose concentration between 0 and 30
minutes for the blood glucose, insulin and C-peptide concentrations.....
97
Table 3.5: Effect of beverages enriched with polysaccharide on the time to peak,
area above the baseline and incremental area under the curve as well
as each sample time on the appetite sensations compared to the control
juice..........................................................................................................
106
Liste des figures
Figure 1.1 Digestion des glucides dans la lumière intestinale du petit intestin………
4
Figure 1.2: Absorption des glucides à l’intérieur des entérocytes…………………….
5
Figure 1.3: Importation du glucose dans les cellules hépatiques……………………...
6
Figure 1.4: Structure moléculaire globale du β-glucane et ses résidus issus de la
lichenase…………………………………………………………………..
21
Figure 1.5: Structure moléculaire d’un galactomannane………………………………
24
Figure 1.6: Structure moléculaire du konjac-mannane………………………………..
26
Figure 1.7: Structure moléculaire de la gomme xanthane……………………………..
37
Figure 2.1: Initial rheological profile measured at 37 °C of pasteurized beverages
enriched in polysaccharides alone A) and in mixture with xanthan gum
B)................................................................................................................
63
Figure 2.2: Rheological profile measured at 37 °C of beverages pasteurized (P) or
untreated (U) in β-glucan alone A) and in mixture with xanthan gum B)
at t = 0 (0) and 1 week (1)..........................................................................
64
Figure 2.3: Effect of pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of
beverages enriched in β-glucan alone A) and in mixture with xanthan
gum B) over time........................................................................................
65
Figure 2.4: Effect of the pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1
of beverages enriched in guar gum alone A) and in mixture with xanthan
gum B) over time........................................................................................
66
Figure 2.5: Effect of the pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1
of beverages enriched in konjac-mannan alone A) and in mixture with
xanthan gum B) over time..........................................................................
67
Figure 2.6: Effect of the pasteurization on the turbidity of beverage enriched in
β-glucan alone A) and in mixture with xanthan gum B) over time............
68
Figure 2.7: Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in β-glucan
alone (open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled
symboles) stored at 4 °C ( ) or 20 °C ( ) over time..................................
69
2
Figure 2.8 : Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in guar gum
alone (open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled symbols)
stored at 4 °C ( ) or 20 °C ( ) over time...................................................
70
Figure 2.9 : Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in konjac-
mannan alone (open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled
symbols) stored at 4°C ( ) or 20°C ( ) over time.....................................
71
Figure 2.10: Effect of time on turbidity of beverage enriched in β-glucan alone ( )
and in mixture with xanthan gum ( ).........................................................
72
Figure 2.11: Beverage enriched in β-glucan alone after eight weeks of storage at
20 °C...........................................................................................................
75
Figure 2.12: Beverage enriched in β-glucan-xanthan gum mixture after eight weeks
of storage at 20 °C......................................................................................
76
Figure 3.1: Viscosity at 37 °C 30 s-1 of the three different beverages measured
weekly during the study.............................................................................
95
Figure 3.2: Incremental changes from baseline in serum glucose concentration after
ingestion of the three different beverages enriched or not with
polysaccharides...........................................................................................
98
Figure 3.3: Incremental changes from baseline in serum insulin concentration after
ingestion of the three different beverages enriched or not with
polysaccharides...........................................................................................
99
Figure 3.4: Incremental changes from baseline in serum C-peptide concentration
after ingestion of the three different beverages enriched or not with
polysaccharides...........................................................................................
100
Figure 3.5: Mean appreciation of the three beverages...................................................
101
Figure 3.6: Change in desire to eat as assessed by visual analogous scales, before
and after consumption of beverages............................................................
102
Figure 3.7: Change in perception of hunger as assessed by visual analogous scales,
before and after consumption of beverages.................................................
103
Figure 3.8: Change in perception of fullness as assessed by visual analogous scales,
before and after consumption of beverages.................................................
104
Figure 3.9:
Change in prospective of food consumption as assessed by visual
analogous scales, before and after consumption of beverages....................
105
Figure 3.10 Comparison of appetite score profiles between the three beverages........... 107
Introduction
Avec une épidémie florissante d’obésité et la prolongation de l’espérance de vie, le nombre
de personnes prédisposées à développer le diabète et à mourir prématurément de maladies
cardiovasculaires est grandissant. Malgré tous les efforts déployés pour développer des
médicaments efficaces, la prévention et le traitement du diabète de type 2 restent, encore
aujourd’hui, insatisfaisants [1]. Au Québec seulement, on estime à près de 650 000, le
nombre de personnes diabétiques et parmi ce nombre, environ 200 000 ignorent encore leur
état [2]. La situation ne tend malheureusement pas à s’améliorer avec le temps, car selon
l'Organisation mondiale de la santé (OMS), la population diabétique doublera d'ici l'an
2025. Cette ascension aura inévitablement pour effet d’alourdir le fardeau économique et
social du diabète qui est déjà énorme. En fait, il est estimé à près de 3 milliards de dollars
par année en coûts directs et indirects à l’ensemble de la société québécoise, car en plus
d’être affectées par la maladie, 40 % des personnes diabétiques sont susceptibles de
contracter des complications débilitantes, voire même mortelles [2].
Les industries alimentaires sont conscientes de la situation et plusieurs d’entre elles vont
tenter d’offrir à la population une stratégie complémentaire aux approches nutritionnelles et
médicales conventionnelles en se tournant vers la création d’aliments fonctionnels. Ce
virage peut s’avérer économiquement judicieux, car le marché des aliments fonctionnels est
en pleine expansion. Seulement en 2007, les ventes des aliments et des breuvages
fonctionnels ont augmenté de 9,6% et 12,2% respectivement [3]. On prévoit que d’ici 2012
les ventes combinées de ces produits devraient dépasser les 192,7 milliards de dollars
américains et que la croissance annuelle devrait se situer aux alentours de 5% ce qui est
assez important comparativement aux aliments classiques [3]. Toutefois, pour n’importe
quelle industrie, le développement d’un produit fonctionnel n’est pas simple. En fait, il
s’avère un grand défi technologique quant à la qualité organoleptique et la stabilité du
produit final, mais également quant aux procédés de transformation. Étant donné la pauvre
littérature sur le sujet, les transformateurs se trouvent en manque d’outil pour arriver à leur
fin.
2
Plusieurs chercheurs ont porté leurs recherches vers les ingrédients à action
hypoglycémiante. Les fibres alimentaires solubles, plus particulièrement les
polysaccharides [4, 5], tels la gomme de guar [6-8], le β-glucane [9-12], le konjac-mannane
[13-15] le psyllium [16-19], sont des composés grandement étudiés en raison de leur
capacité à moduler la réponse glycémique et insulinémique de même qu’à induire la satiété.
Leur mécanisme d’action ne fait toutefois pas l’objet d’un consensus auprès de la
communauté scientifique. Seule l’induction de viscosité réduisant l’absorption intestinale
semble être un point commun à un grand nombre de propositions [5, 20-24]. Ainsi, pour
présenter l’effet hypoglycémiant escompté, il semble important que ces derniers soient
aptes à induire, mais également à maintenir la viscosité élevée tout le long du tractus
gastro-intestinal.
Dans le but d’améliorer cette induction de viscosité, quelques auteurs ont vérifié le
potentiel synergétique de viscosité de quelques polysaccharides [22, 25-29]. Toutefois,
l’évaluation d’un possible effet protecteur des mélanges versus les polysaccharides seuls
sur le maintien de la viscosité suite à des traitements technologiques n’a jusqu’à maintenant
pas été démontré. Seule Paquin (2008) a observé une perte de viscosité en réponse à un
traitement de pasteurisation des breuvages enrichis en β-glucane d’avoine comparativement
à ceux supplémentés en un mélange de gomme xanthane et β-glucane [29].
De ce fait, le présent projet vise à étudier la stabilité des polysaccharides seuls et en
mélange dans un breuvage à base de jus de fruits pasteurisé de même qu’à comprendre leur
effet sur la réponse glycémique et la satiété.
Chapitre 1 : Revue de littérature
1.1 Glycémie et insulinémie
Le terme glycémie signifie la concentration de glucose mesurée dans le sang [30]. Elle est
généralement mesurée en gramme (g) ou millimole (mmol) de glucose par litre (L) de sang.
Une glycémie à jeun (avant les repas) est considérée normale si elle se situe en-dessous de
5,6 mmol/L, tandis qu’une glycémie postprandiale (après les repas) deux heures
après l’ingestion de 75 g de glucose ne devrait pas dépasser la barre des 7,8 mmol/L
[31]. Si la concentration de glucose sanguin à jeun décelée est inférieure à
2,8 mmol/L, on parle d’hypoglycémie. À l’inverse, une valeur égale ou supérieure à
7,0 mmol/L est le critère de diagnostic du diabète de type 2.
L’insulinémie, quant à elle, désigne le taux d’insuline dans le sang [30]. Il a été suggéré
qu’une insulinémie est considérée normale si elle se situe entre 35 et 167 pmol/L, bien que
ces valeurs seuils ne fassent pas l’unanimité [32]. Il est à noter qu’une mauvaise sensibilité
à l’insuline ou une sécrétion inadéquate d’insuline peut provoquer une hyperglycémie [33].
1.1.1 Régulation de la réponse glycémique
La régulation de la glycémie et de l’insulinémie repose sur plusieurs facteurs, dont le
principal est l’action de l’insuline dans les cellules, le foie et les reins. Lors de l’ingestion
de nourriture, les aliments sont initialement mastiqués, humidifiés puis mélangés à l’α-
amylase qui a pour fonction de dégrader l’amidon en dextrines et en maltose. Un bol
alimentaire est ainsi formé. À l’aide des contractions musculaires, ce dernier est dégluti
vers l’estomac où le processus de digestion proprement dit s’enclenche. Le bol alimentaire
est alors transformé en chyme à l’aide des forces mécaniques et des sucs gastriques.
4
La vidange de l’estomac (vidange gastrique) se fait de façon progressive par un mécanisme
réflexe local relié, entre autres, à l’acidité dans l’intestin [34]. Lors du déversement du
chyme dans le duodénum, ce dernier est mélangé à la bile de la vésicule biliaire et du foie
ainsi qu’aux enzymes pancréatiques. C’est dans la lumière du petit intestin qu’est effectuée
la digestion finale des sucres complexes en glucose, fructose et galactose à l’aide de
diverses enzymes (Figure 1.1) [34].
Figure 1.1 : Digestion des glucides dans la lumière intestinale du petit.
Adapté de Broom (2005) [34]. Avant de pouvoir intégrer la circulation sanguine, les
glucides complexes doivent être dégradés en sucre simple tels le fructose, le glucose et le
galactose à l’aide des enzymes présentes dans la lumière de l’intestinal grêle.
L’absorption intestinale du glucose vers les entérocytes, puis le sang et la lymphe fait
intervenir deux principaux mécanismes d’action, soit la diffusion simple et le transport actif
(Figure 1.2). La diffusion simple est régulée par un principe d’osmose tandis que le
transport actif nécessite de l’ATP en raison de sa dépendance au sodium [34]. La nécessité
de transporter activement le glucose au niveau de la muqueuse intestinale réside dans le fait
que lorsque la concentration du glucose dans l'intestin et dans les milieux interstitiel et
intravasculaire est en équilibre, près de 50% du glucose obtenu après digestion des aliments
resterait dans l'intestin et serait éliminé. Plusieurs glucides complexes, telles la cellulose et
la raffinose, ne sont pas digestibles par les enzymes humaines. Ces glucides se retrouvent
lumière intestinale
lactose
glucose
sucrose
amidon
/glycogène glucose
galactose
fructose
surface de la muqueuse
5
alors presque intacts dans le côlon où ils seront mis en contact avec la flore intestinale
capable de les hydrolyser.
Figure 1.2 : Absorption des glucides à l’intérieur des entérocytes. Adapté
de Broom (2005) [34]. L’absorption intestinale du glucose se fait par de mécanisme
soit la diffusion simple régulée osmose et le transport actif nécessitant du sodium.
Tous les capillaires sanguins irriguant l'intestin se déversent dans des veinules qui se
rejoignent dans la veine porte-hépatique. Lorsque la concentration en glucose de la veine
porte tend à augmenter, les cellules bêta du pancréas sécrètent de l’insuline de manière à ce
qu’elle soit également déversée dans cette même veine. Cette stimulation pancréatique est
intensifiée par certaines hormones gastro-intestinales, dont le peptide inhibiteur gastrique
(GIP) et quelques acides aminés (leucine, arginine et leucine) [35]. Ainsi, la totalité du
glucose des aliments de même que la totalité de l'insuline produite sont réunies à l’entrée du
foie.
entérocyte
glucose
glucose
galactose
galactose
fructose
muqueuse
glucose
galactose
fructose
lumière intestinale
diffusion simple
transport actif du glucose
nécessitant du Na+
diffusion facilitée
=
6
Le rôle particulier de l’insuline est de faire diminuer la glycémie en autorisant la
pénétration du glucose depuis le sang vers les cellules cibles. Pour ce faire, l’insuline se lie
à un récepteur transmembranaire spécifique de la cellule. À la suite de cette liaison, un
signal est émis autorisant le transporteur de glucose à importer le sucre à l’intérieur de la
cellule [36]. Environ la moitié de cette insuline est utilisée par le foie où elle stimule la
glycolyse et la synthèse de glycogène (Figure 1.3), tandis que l’autre partie est rejetée dans
la circulation sanguine pour faciliter l’approvisionnement des cellules en glucose qui
l’utiliseront surtout à des fins énergétiques.
Figure 1.3 : Importation du glucose dans les cellules hépatiques. Adapté du schéma de
Morales (2009) issu du site http://www.intellego.fr. Lorsque l’insuline se lie au récepteur
spécifique de la cellule, il y a : 1) stimulation de la synthèse d’enzymes impliquées dans la conversion puis le
stockage du glucose (glycogénogénèse) et inhibition celles engagées dans glycogénolyse, 2) émission d’un
signal autorisant le transporteur de glucose à importer le sucre à l’intérieur de la cellule et 3) transformation
du glucose en énergie (sous forme d’ATP) au moyen de la respiration cellulaire.
Glucokinase G6P phosphatase
Phosphorylase
+
+
-
-
Glucose + O2 -→ Energie + CO2
Respiration
+
Vaisseau sanguin
Hépatocyte
Transporteur membranaire
du glucose
Absorption du glucose
Enzymes de la glycogénogenèse stimulées, actives
+
-
Enzymes de la glycogénolyse
inhibées, inactives
1
3
1 2 3 Stimulation/inhibition
des enzymes
Augmentation du transport du
glucose
Consommation du glucose
Complexe insuline/récepteur
Baisse de la glycémie
Insuline
Augmentation du glycogène cellulaire
Glucose
G6P
Glycogène
Glycogène synthase
2 +
7
Au niveau des cellules musculaires, l’insuline stimule le transport du glucose, le
métabolisme du glucose et la synthèse de glycogène, tandis que dans les adipocytes, elle
amène la production de triglycérides [36]. C’est au niveau des muscles que la plus grande
partie du glucose en circulation sera entreposée.
Étant donné que la demi-vie de l’insuline est courte (5 à 8 min en raison du prélèvement
hépatique qui correspond à près de 50 % de l’insuline sécrétée), l’estimation du taux de
sécrétion de l’hormone peut également être effectuée par la quantification des C-peptides
(propeptide de l’insuline) en circulation.
Dans l'intervalle des prises alimentaires, la baisse de l'insuline amène le foie à libérer du
glucose de manière à veiller au bon fonctionnement des cellules du corps. En temps
normal, le glucose n’est pas présent dans l’urine, car lors de la filtration du sang par les
reins, ce dernier est réabsorbé par la circulation sanguine. Toutefois, si le taux de glucose
dans le sang arrivant aux reins est supérieur à 9 mmol/L, soit leur seuil de capacité
d’absorption, il y aura ainsi passage du glucose dans l’urine (glycosurie) [30]; cet état
pathologique est un signe de mauvaise régulation du glucose en amont.
1.1.1.1 Le diabète de type 2
Le diabète de type 2 survient lorsque l'organisme est incapable d'employer convenablement
l'insuline et/ou lorsque le pancréas produit de façon insuffisante l’insuline. Le glucose se
trouve alors mal absorbé par les cellules, et par conséquent, la glycémie se maintient au-
dessus des valeurs normales [37]. Le diabète de type 2 se manifeste habituellement chez les
personnes âgées de plus de 40 ans et généralement souffrant d’un surplus de poids bien
qu’aujourd’hui, des personnes de plus en plus jeunes, tels des enfants et des adolescents en
souffrent également [38]. Deux principaux phénomènes métaboliques sont impliqués dans
le développement du diabète de type 2, soit la résistance des cellules à l’insuline et les
défauts de sécrétion d’insuline.
8
La résistance à l’insuline est caractérisée par la diminution de la capacité de l’insuline à
stimuler l’entrée du glucose dans les cellules et à freiner la production de glucose par le foie
[39] même en présence de concentration normale de l’hormone. Cette situation provoque
ainsi une sécrétion d’insuline plasmatique anormalement élevée afin de compenser pour la
résistance à l’insuline et ainsi maintenir des valeurs de glycémie normale. La résistance à
l’action de l’insuline est présente chez la majorité des personnes diabétiques de type 2
(environ 90 %) [31], mais également chez la population non diabétique (20-25 %) [40].
Le tableau 1.1 expose les différents sites de résistance à l’insuline que peuvent présenter les
personnes atteintes de diabète de type 2. La plus importante se trouve au niveau de la perte
ou de la faiblesse du signal de transduction permettant l’entrée du glucose à l’intérieur de la
cellule. Également, une mutation à l’intérieur des gènes codant pour les récepteurs
d’insuline peut provoquer cette résistance, quoique cette situation soit plus rare.
Tableau 1.1 : Sites de résistance à l’insuline. Adapté de Dominiczak (2005) [35].
Site de résistance Possibles défectuosités Rôle envers diabète
Prérécepteur Molécule anormale, anticorps de récepteurs
d’insuline
Rare
Récepteur Diminution du nombre ou de l’affinité des
récepteurs d’insuline
Non important dans
le diabète
Postrécepteur Défectuosité dans le signal de transduction du
récepteur d’insuline due à de mauvaises
réactions de phosphorylation ou
d’inhibition/de réduction d’activités
enzymatiques
Site le plus probable
de résistance à
l’insuline
Transport du
glucose
Mauvaise translocation des transporteurs de
glucose vers la membrane cellulaire
Important
Différents facteurs génétiques et environnementaux, tels l’âge, la pratique régulière
d’activité physique, l’alimentation et certaines médications, peuvent également influencer
la sensibilité à l’insuline d’un individu [41].
9
Les défauts de sécrétion d’insuline sont, quant à eux, caractérisés par une dysfonction du
pancréas à sécréter l’insuline [42]. Des considérations d’ordre génétique peuvent être mises
en cause de même qu’une surexploitation de l’organe résultant à son insensibilité aux
variations du glucose dans le sang. Il est important de préciser que cette surexploitation du
pancréas est notamment un facteur en présence de résistance à l’insuline chronique.
Les causes du diabète de type 2 commencent à être mieux connues. Elles sont toutefois
nombreuses et dans bien des cas, c’est la combinaison de plusieurs facteurs qui déclenche
l’apparition de la maladie. Les principales mentionnées sont la prédisposition génétique,
l’embonpoint et le manque d’activité physique. Selon certaines études, l’alimentation riche
en matières grasses peut également constituer un facteur de risque au développement du
diabète de type 2 [31].
Lorsqu’une personne souffrant de diabète n’est pas bien traitée ni suivie, les chances de
complications sont élevées [37]. En fait, la présence d'une trop grande quantité de glucose
dans le sang peut entraîner plusieurs effets néfastes affectant principalement les reins
(néphropathie), les yeux (rétinopathie), le système neurologique (neuropathie), le cœur
(infarctus) et les vaisseaux sanguins (hypertension, artériosclérose, etc.) [31]. D’autres
facteurs, tels l'âge, l'hérédité, la durée du diabète et les habitudes de vie peuvent également
contribuer au développement de complications. Ainsi, un bon contrôle de la glycémie peut
retarder et parfois même diminuer l’effet des complications reliées au diabète de type 2 [31]
bien que la prise en charge du patient diabétique ne doit pas se limiter qu’à ces mesures ;
les complications associées au diabète doivent faire l’objet d’un suivi et d’un traitement
adéquats.
1.1.2. L’index glycémique
Le concept d’index glycémique (IG) a été proposé par un chercheur canadien, le Dr David
Jenkins, et ses collaborateurs en 1981 [43]. Ces derniers ont élaboré une manière de
classifier les aliments en fonction de l’élévation de la glycémie qu’ils procurent après leur
10
ingestion par rapport à un aliment de référence (habituellement du glucose ou du pain
blanc). Cela permet ainsi d’aider les personnes atteintes de diabète à mieux adapter leur
régime alimentaire pour mieux contrôler leur glycémie.
Plus précisément, l’IG est mesuré à partir de l’ingestion d’une portion de 50 g de glucides
disponibles dans un aliment donné par rapport à celle d’un aliment de référence dans les
mêmes proportions [44]. Il est important de mentionner que l’aliment de référence
détiendra une valeur arbitraire de 100 et qu’habituellement, le glucose est préféré au pain
blanc en raison des variations de fabrication du pain qui peuvent influencer la répétabilité
de l’expérience. La relation suivante traduit mathématiquement l’expression de l’index
glycémique :
IG = aire sous la courbe du glucose sanguin de l’aliment à l’étude
Plus un aliment entraînera la sécrétion d’insuline, plus il détiendra un IG élevé et sera
considéré comme hyperglycémiant [45]. Il est important de mentionner qu’un aliment peut
détenir différentes valeurs d’IG dépendamment des transformations qu’il a encourues. Par
exemple, plus la taille des particules de blé est petite, plus ces dernières auront un IG élevé.
Ainsi, un pain de blé (farine) possède un IG plus élevé que celui des pâtes alimentaires
(semoule). Il en est de même pour les différentes variétés d’un aliment [45].
Plus les aliments détiennent un haut IG, plus rapidement et plus intensément ils élèvent le
taux de glucose sanguin (voir tableau A de l’Appendice A). Cela demande ainsi au
pancréas une production accrue d’insuline pour gérer cette surdose de sucre. Les
conclusions de la métanalyse de Brand-Miller et collaborateurs, issue d’essais randomisés,
vont également en ce sens : l’adoption d’une diète riche en aliments à faible IG plutôt
qu’une diète promouvant les aliments à haut IG améliore le contrôle de la réponse
glycémique chez les personnes diabétiques [46, 47].
aire sous la courbe du glucose sanguin de l’aliment de référence x 100
11
1.2 Ingrédients pouvant présenter un effet sur les réponses
glycémique et insulinémique
Plusieurs ingrédients détiennent un potentiel à moduler la réponse glycémique et
insulinémique. Parmi ces derniers, on distingue certains extraits de plantes tels le ginseng
[1, 48, 49], le fenugrec [50, 51], la cannelle [50, 52] et le gymnéma sylvestre [50, 53, 54].
Ces produits font habituellement partie des médecines traditionnelles propres à leur pays
d’origine pour le traitement du diabète depuis plusieurs siècles.
Plusieurs composés phénoliques issus de plantes médicinales, comme le salacinol et le
kotalanol de Salacia Oblonga de même que la lutéoline de lonicera japonica, inhiberaient
l’activité des α-amylases ou α-glucosidases dans le petit intestin [55-57]. Également,
certaines protéines, comme celles issues des produits laitiers, de certains poissons et du
lactosérum, stimuleraient la sécrétion d’insuline et diminueraient la glycémie postprandiale
[58-60]. Enfin, les fibres alimentaires, plus particulièrement les fibres solubles,
moduleraient à leur tour la réponse glycémique et insulinémique [61]. Ces dernières
agiraient comme un filtre au niveau de l’intestin, ralentissant l’absorption des glucides en
raison de leur capacité à former des gels, lorsque mélangées à l’eau. Toutefois, leur
mécanisme d’action ne fait pas l’unanimité des chercheurs, car plusieurs paramètres
pourraient être mis en cause (voir section 1.3).
1.2.1 Les fibres alimentaires
Le terme fibre alimentaire fut défini la première fois par Hipsley en 1953 [62]. Depuis ce
temps, plusieurs révisions ont été effectuées quant à sa définition en raison de
l’accumulation de données scientifiques et technologiques. Selon Santé Canada, on entend
par fibres alimentaires tout constituant endogène de la substance végétale qui résiste à la
digestion par les enzymes sécrétées par les humains [63]. Toutefois, cette définition ne fait
pas l’unanimité. Celle donnée par l’American Association of Cereal Chemists est davantage
spécifique, car elle englobe toutes les substances comestibles d’une plante ou ses glucides
analogues résistants à la digestion et à l’absorption dans le petit intestin humain tout en
12
étant fermentescibles, complètement ou partiellement, dans le côlon [62]. De manière
générale, les oligosaccharides1 et les polysaccharides2 non amylacés, de même que la
lignine, sont les principaux constituants reconnus comme étant des fibres alimentaires.
On distingue deux classes de fibres alimentaires, en fonction de leur solubilité dans l’eau,
soit les fibres solubles et insolubles. Les fibres solubles regroupent plusieurs
polysaccharides comme les pectines, les gommes, les polysaccharides d’algues
(laminarane, fucoidane et alginate) [64], quelques hémicelluloses et plusieurs
polysaccharides de réserve (galactomannane, glucomannane, xyloglucan) [10, 65]. Ces
fibres sont reconnues pour leur capacité à retenir l’eau, à augmenter la viscosité, à fixer
certains minéraux et acides biliaires, en plus d’être fermentées par la microflore intestinale.
Les fibres insolubles sont, quant à elles, composées de la cellulose, de plusieurs
hémicelluloses de même que de la lignine [66]. Ces fibres sont essentiellement des
constituants structuraux des membranes cellulaires des végétaux et leur principal effet
physiologique est d’augmenter la masse fécale [10].
Les fibres alimentaires sont reconnues pour leurs propriétés technofonctionnelles en raison
de leur action épaississante et gélifiante de même que pour leurs effets physiologiques
spécifiques et systémiques. En plus de diminuer la réponse glycémique et insulinémique,
ces dernières sont bénéfiques pour le maintien de la santé intestinale [12, 67], la prévention
du développement des maladies cardio-vasculaires, tels l’hypertension et
l’hypercholestérolémie [68-71] de même que pour la régulation de l’appétit et la perte de
poids [72, 73].
Toutefois, lorsqu’elles sont utilisées à titre d’additif alimentaire, elles contribuent très peu à
l’apport en fibres alimentaires qui devrait, selon les apports nutritionnels de référence
(ANREF), être de 14 g/1000 kcal, soit environ 25 g/jour et 38 g/jour pour les femmes et les
1 Un oligosaccharide est un glucide complexe contenant entre 2 et 10 molécules de sucre simple 2 Un polysaccharide est un glucide à longue chaîne (plus de 10 molécules de sucre simple) ayant pour
fonction de subvenir au besoin énergétique de l’être vivant ou de participer à la formation des structures
organiques de ce dernier.
13
hommes de moins de 50 ans [74]. Pour les adultes de 50 ans et plus, l’apport recommandé
est de 30 g/jour pour les hommes et de 21 g/jour pour les femmes en raison de leur plus
faible apport énergétique. Malgré leur importance nutritionnelle, en Occident, la
consommation journalière se situe actuellement entre 16 et 19 g/jour pour les hommes et
entre 12 à 14 g/jour pour les femmes [72, 75]. Les causes de ce faible apport sont multiples,
mais les habitudes alimentaires propres à certains pays occidentaux en sont probablement
pour quelque chose.
1.3 Mécanismes d’actions proposés des fibres alimentaires pour
contrôler la réponse glycémique et insulinémique
Plusieurs mécanismes d’actions ont été proposés quant au contrôle du taux de glucose
sanguin par les fibres alimentaires solubles. Jenkins et son équipe ont été les premiers à
suggérer que la viscosité induite par les polysaccharides serait le facteur clé dans
l’abaissement de la réponse glycémique [76]. En fait, la viscosité agirait principalement à
deux niveaux, soit en ralentissant la vitesse de la vidange gastrique [76, 77] et en diminuant
l’absorption du glucose dans la lumière du petit intestin [5, 9, 78].
1.3.1 Effet au niveau stomacal
Certains chercheurs ont proposé que seul le ralentissement de la vidange gastrique
occasionne une diminution de la réponse glycémique [24, 77, 79, 80]. En fait, les fibres
alimentaires interagiraient avec les récepteurs du tractus gastro-intestinal, ce qui stimulerait
les nerfs afférents et modulerait la motilité gastrique [6]. Le passage des nutriments de
l’estomac vers la partie supérieure de l’intestin se trouverait alors ralenti, ce qui aurait pour
effet d’augmenter le temps d’absorption des sucres et d’abaisser le pic de glycémie.
Toutefois, cette théorie ne fait pas l’unanimité.
En fait, d’autres chercheurs ont démontré que la diminution de la vidange gastrique par
l’ajout d’agar ou de pectine (deux polysaccharides) à un repas aurait un effet substantiel sur
14
la réponse glycémique initiale (pour les 30 premières minutes), mais n’aurait aucun impact
sur la réponse glycémique totale des personnes en santé [81]. Ainsi, ces derniers, comme
plusieurs autres, sont d’avis que la réduction du taux de vidange gastrique ne peut être le
seul mécanisme expliquant la modulation de la réponse glycémique par les fibres
alimentaires [10, 22, 82].
Également, il semblerait qu’en dépit de l’augmentation de la viscosité apparente du contenu
gastrique après ingestion d’un aliment à haute consistance, l’augmentation de la viscosité
du chyme n’y serait pas proportionnelle. Des chercheurs ont démontré qu’une
augmentation de viscosité par un facteur 1000 ralentit le temps de vidange gastrique de
seulement 1,3 fois [83]. Cette faible réaction serait due aux importantes sécrétions
gastriques encourues de manière à réduire le temps de vidange gastrique [84, 85]. En fait,
plus la viscosité initiale de l’aliment est élevée, plus le volume des sécrétions gastriques
serait important [83, 86]. Ainsi, il est possible de croire que le ralentissement de la vidange
gastrique ne peut être le seul mécanisme d’action des fibres sur les réponses glycémique et
insulinémique.
1.3.2 Effet au niveau de la partie supérieure de l’intestin
Plusieurs chercheurs sont d’avis que les fibres alimentaires solubles diminuent l’absorption
des nutriments en augmentant la résistance aux mouvements de convection des contractions
intestinales en raison de la viscosité qu’ils induisent [10, 78, 87-89]. Cela aurait pour effet
de ralentir la diffusion du glucose vers l’épithélium intestinal [10]. De plus, elles
élèveraient la viscosité du mucus de la paroi intestinale, amplifiant d’autant plus l’efficacité
de la barrière de diffusion mucorale [10, 78, 88-91].
Même si le concept de viscosité reste le plus employé pour expliquer la modulation de la
réponse glycémique par les fibres alimentaires, certains chercheurs estiment que d’autres
mécanismes pourraient être impliqués dans le phénomène [5]. En fait, à l’aide d’un modèle
de digestion in vitro, utilisant un sac à dialyse imitant la diffusion passive intestinale, Ou et
15
collaborateurs ont observé que les fibres alimentaires insolubles, induisant de faibles
viscosités, réussissaient à légèrement diminuer la glycémie postprandiale comparativement
au contrôle exempt de fibres [5]. Ils ont également remarqué que le taux de diffusion du
glucose qui aurait dû diminuer dans le temps restait constant même après 60 minutes et que
la concentration finale de glucose dans le dialysat était différente entre le témoin et les
différentes fibres alimentaires.
Dans le même ordre d’idée, Cameron-Smith et collaborateurs ont démontré que la viscosité
intestinale mesurée chez des rats sous diète contrôlée enrichie en différentes fibres
alimentaires ne correspondait pas à la réponse glycémique attendue. Ils ont remarqué que la
diète induisant la plus forte viscosité ne générait pas nécessairement la plus forte
diminution de glycémie [85]. En contre partie, selon une étude réalisée sur un breuvage
enrichi en β-glucane d’avoine, la viscosité induite par les fibres serait responsable de 79 à
96 % du changement de la réponse glycémique et insulinémique lors de l’ingestion de 50 g
de glucide [92].
Ainsi, outre la possibilité de dilution par les sécrétions gastriques, ces observations peuvent
être reliées au fait que les fibres alimentaires possèderaient la capacité d’adsorber/lier le
glucose freinant l’activité des enzymes digestives [5, 78]. D’autres auteurs ont même
supposé que ces dernières interagiraient directement avec les enzymes digestives comme
l’α-amylase [5].
Il est important de souligner que les réactions physiologiques d’acidification et de
neutralisation, les constituants ioniques de l’intestin de même que les micro-organismes du
tractus gastro-intestinal peuvent également induire des changements dans la structure et le
poids moléculaire des polysaccharides, affectant possiblement la viscosité du contenu
stomacal et intestinal [22, 93]. Dans ce sens, plusieurs études ont observé une diminution
significative du poids moléculaire du β-glucane lors du passage de l’estomac vers le petit
intestin chez les animaux [93-95]. Ainsi, encore une fois, il est possible de croire que la
16
nature de la fibre alimentaire aurait un effet considérable sur la modulation de la réponse
glycémique [83, 96, 97].
1.3.3 Impact des fibres alimentaires sur l’index glycémique des aliments
Les fibres, plus particulièrement les fibres solubles, sont connues pour altérer la texture, la
structure et comme mentionné précédemment, la viscosité des aliments [98]. Par exemple,
une étude a démontré que l’enrichissement de pâtes alimentaires au blé durum en β-glucane
d’orge augmente la perte en solide et le gonflement des pâtes durant la cuisson et diminue
la fermeté de ces dernières comparativement au témoin [23]. La gomme de guar, quant à
elle, améliore le volume et la texture du pain issu de pâtes congelées ou non [99]. Ainsi, les
fibres alimentaires peuvent modifier la disponibilité des granules d’amidon et par
conséquent, leur digestion [92, 98, 100]. En ce sens, des études ont démontré que
l’enrichissement de pain blanc avec 5 % de β-glucane et le remplacement de 25 % de la
farine de blé des pâtes alimentaires par une fraction riche en fibre de ß-glucane d’orge
diminuaient significativement le taux de libération de sucres réducteurs lors d’une digestion
in vitro [101, 102].
Les fibres alimentaires ne détiennent pas de valeur d’IG, car elles ne contiennent aucun
glucide disponible [75]. Toutefois, elles seraient aptes à diminuer l’IG des aliments. Selon
une étude randomisée chassée croisée, l’incorporation de β-glucane diminue de 3,8 ± 0,5
unité/g de β-glucane l’IG de l’aliment lors de l’ingestion de 50 g de glucide [20]. De plus,
deux études de cohorte ont démontré qu’il existait un lien entre l’IG et le risque de
développer le diabète de type 2 [103, 104]. En fait, une diète à IG élevé (165) et à faible
teneur en fibres (< 2,5 g/jour) double les risques de développer le diabète de type 2
comparativement à la consommation de plus de 5,8 g/jour de fibres céréalières combinée à
une diète à faible IG (< 143) [103, 105].
17
1.3.4 Impact des fibres alimentaires sur la satiété et le contrôle du poids
corporel
Comme mentionné précédemment, les fibres alimentaires ne sont pas digestibles par les
enzymes humaines. Ainsi, elles se retrouvent presque intactes dans le côlon où près de
40 % d’entre elles sont fermentées par les enzymes des bactéries de la flore intestinale [72].
Les produits de leur fermentation sont principalement les acides gras volatils à courte
chaîne tels l’acétate, le propionate et le butyrate. Ces derniers, une fois produits, sont
absorbés et utilisés à titre de carburant.
En raison de la faible génération d’énergie par poids de même qu’à leur capacité de
rétention d’eau, les fibres alimentaires diminuent la densité énergétique des diètes [72]. Des
études ont démontré que pour un même poids, la consommation d’aliment à plus faible
densité d’énergie augmente la satiété et diminue l’apport énergétique pouvant mener au
contrôle du poids corporel [106-110]. Ainsi, par leur faible valeur calorique les fibres
alimentaires promeuvent la satiété. Également, ces acides à courte chaîne peuvent
influencer l’homéostasie du glucose de différentes manières [109]. En fait, il semblerait que
ces derniers diminuent la production hépatique de glucose de même que la concentration en
acides gras à courte chaine en circulation [109, 111] et stimulerait la production de
glucagon-like peptide-1 (GLP-1)3 [109, 112]. Ces réactions auraient pour effet de modifier
la sécrétion et la sensibilité à l'insuline de même que la régulation de la satiété [109].
D’autre part, plusieurs études sont d’avis que la viscosité induite par les fibres alimentaires
serait très importante dans la modulation des sensations d’appétit [113, 114].
Premièrement, il a été suggéré que la viscosité augmente la distension gastrique ce qui
déclencherait l’émission de signaux vagaux afférant induisant la plénitude. Cela aurait pour
effet de favoriser plus rapidement l’arrêt de la prise alimentaire lors des repas et de
prolonger la sensation de rassasiement dans l’intervalle des prises alimentaires [72].
3 Hormone qui diminue l’appétit et la prise alimentaire
18
Deuxièmement, le ralentissement de la vidange gastrique et la diminution du taux
d’absorption du glucose occasionnés par la viscosité des fibres prolongent le temps de
contact des nutriments avec les récepteurs de la paroi distale de l’intestin grêle. Cela peut
ainsi modifier la sécrétion de certaines hormones et peptides entérodigestifs impliqués dans
l’homéostasie du glucose et la régulation de l’appétit [108, 109]. En fait, plusieurs études
ont démontré que la consommation de fibres alimentaires stimule la libération de molécules
anorexigènes tels les cholécytokinines, le GPL-1 et le peptide YY agissant comme facteur
de satiété [113, 115, 116] et diminue la production de molécules orexigènes telle la ghréline
[116, 117].
Enfin, la réduction proprement dite des concentrations sanguines en glucose et en insuline
occasionnée par l’augmentation de la viscosité du tractus gastro-intestinal aurait également
pour effet de ralentir le retour du signal de la faim prolongeant l’état de satiété [108, 117].
Ainsi, la viscosité induite par les fibres alimentaires agirait sur plusieurs mécanismes pour
induire la satiété et favoriser le contrôle du poids corporel.
1.4 Les fibres alimentaires ayant potentiellement un effet sur la
réponse glycémique et insulinémique
Le tableau 1.2 de la page suivante illustre les changements de l’aire sous les courbes de
glucose et d’insuline sanguins suite à la consommation de différentes fibres alimentaires.
À l’aide de ce dernier, il est possible de remarquer que le β-glucane et la gomme de guar
semblent être les polysaccharides les plus étudiés et les plus concluants par rapport à la
modulation de la réponse glycémique. À l’opposé, la gomme de caroube, la pectine et le
son de blé ne semblent pas induire de différences significatives par rapport au témoin. Une
cause possible de la faible efficacité de la pectine serait reliée à son instabilité à 37 °C [87].
19
Tableau 1.2 : Changement de l’aire sous la courbe de glucose et d’insuline sanguins suite
à la consommation de fibres alimentaires. Adapté de Wolever et Jenkins (2001) [44].
Aliments Changement de l’aire sous la courbe c
Fibre a
(g)
Source de glucide
(g)
Sujetb Glycémie
(%)
Insulinémie
(%)
Réf.
BgA 1,8 50 Glucose (breuvage 500 mL) N * ** [92]
BgA 3,0 50 Musil, yogourt, pain blanc N ns ns [118]
BgA 3,6 50 Glucose (breuvage 500 mL) N * ** [92]
BgA 4,0 50 Musil, yogourt, pain blanc N ** *** [118]
BgA 6,2 50 Barre tendre D * [20]
BgA 7,2 50 Glucose (breuvage 500mL) N * ** [92]
BgA 7,3 50 Céréale à déjeuner D * [20]
BgO 3,5 40 Biscuits N * * [119]
C 2,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns ns [22]
G 2,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns *** [22]
G 2,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N * ** [82]
G 5,0 50 Glucose (breuvage 330mL) N ns + [120]
G 5,0 50 Glucose (breuvage 330 mL) N ** [121]
G 9,0 50 Glucose (breuvage 330 mL) N * [120]
G 14,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ** ** [82]
G 14,5 50 Glucose (breuvage 400 mL) N * *** [76]
G 14,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ** ** [122]
P 14,5 50 Glucose (breuvage 400 mL) N ns ns [76]
P 14,5 50 Glucose (breuvage 200 mL) N + [77]
S (Fybogel) 3,5 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns ns [82]
S (Fybogel) 7,0 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns ns [82]
S (Metamucil) 7,0 50 Glucose (breuvage 250 mL) N ns [82]
S (Fybogel) 7,0 50 Glucose (breuvage 250 mL) D ns ns [82]
W 41,5 50 Glucose (breuvage 400 mL) N ns ns [76]
Légende : BgA : β-glucane d’avoine, C : gomme de caroube, G : gomme de guar, P : pectine, W : son de
blé, S : psyllium, N : tolérance au glucose normale, D : diabétique type 2, * : (p < 0,05), + : (p < 0,025),
** : (p < 0,01), ++ : (p < 0,005), +++ : (p < 0,002), *** : (p < 0,001), ns : non significatif à 0,05%
20
Pour le son de blé et le psyllium, leur faible induction de viscosité serait en cause tandis
que pour la gomme de caroube aucune étude n’explique clairement l’origine de son faible
effet sur la réponse glycémique.
Il est également intéressant de souligner que le konjac-mannane (glucomannane) est une
autre fibre au potentiel hypoglycémiant à court [123] et long terme [123, 124]. Sa grande
viscosité semble prometteuse pour réduire la réponse glycémique et insulinémique.
Une attention particulière sera portée sur les β-glucanes d’avoine et d’orge, la gomme de
guar de même que sur le konjac-mannane pour la suite de ce chapitre.
1.4.1 Les β-glucanes céréaliers
1.4.1.1 L’origine
Le β-glucane céréalier est un polysaccharide linéaire issu de la paroi cellulaire de
l’endosperme de plusieurs céréales et lichens. Il est présent en quantité appréciable dans
l’orge (3 à 11 %) et l’avoine (3 à 7 %) et en moindre proportion dans le blé (0,5 à 1 %) et le
seigle (1 à 2 %) [125, 126]. Le β-glucane possède un bon nombre de fonctionnalités et de
rôles autant à titre de composant de la paroi cellulaire végétale que de fibre alimentaire
soluble dans le corps humain [127].
1.4.1.2 La structure
Le β-glucane céréalier est composé de glucose, plus particulièrement d’unités D-glucose,
lié en β-(1→3) et en β-(1→4) (Figure 1.4). Ce sont ses liens bêta qui le rendent non
digestible par les enzymes du tractus gastro-intestinal [128].
21
Figure 1.4 : Structure moléculaire globale du β-glucane et ses résidus issus de la
lichenase4; les pointillés indiquent les sites d’hydrolyse du polysaccharide. G :
unité β-d-glucopyranose; DP3 : 3-O-β-cellobiose-d-glucose; DP4 : 3-O-β-cellotriose-d-glucose;
DP/5 : oligocellodextrine comprenant plus de 3 liaisons en β-(1→4). [129].
Les liaisons en β-(1→3) se présentent séparément tandis que celles en β-(1→4)
apparaissent généralement en séquences de 2 (58 à 72 % de la molécule) appelées
cellotriosose ou 3 (20 à 34 % de la molécule), appelées cellotétraose, bien que des
séquences consécutives de 4 à 14 unités de β-(1→4)-glucose ont été rapportées par certains
auteurs [126, 129-132] (Figure 1.4).
Il est connu que le ratio cellotriose sur cellotétraose influence grandement les propriétés
rhéologiques et de solubilité des solutions aqueuses du β-glucane (voir section 1.5.1) [26].
Cela est dû aux liaisons en β-(1→3) qui confèrent des coudes à la structure permettant aux
molécules hydrosolubles de former des ponts hydrogène avec les résidus hydroxyles des
sous-unités β-glucosidiques [26]. Ainsi, plus le ratio cellotriose sur cellotétraose sera faible,
moins le β-glucane sera soluble. De ces faits, le β-glucane d’orge possède une plus grande
solubilité comparativement à celle provenant de l’avoine, car ce dernier possède un ratio
trisaccharide sur tétrasaccharide plus élevé (2,3 à 2,6 comparativement à 1,2 à 1,8) [26,
131].
4 La lichenase aussi connu sous le nom de 1,3-1,4-β-D-glucanase est une enzyme qui coupe les liens β-(1→4)
adjacents à ceux en β-(1→3) des molécules de glucan.
22
Dans la littérature, une vaste gamme de poids moléculaire (20 à 300 kDa) est rapportée
pour les β-glucanes d’orge et d’avoine [126, 131, 133]. Ces divergences entre les auteurs
sont dues à de nombreux facteurs, comme le type de cultivar, le milieu de culture ainsi que
les méthodes d’extraction (choix du solvant, pH, température, présence d’enzymes
endogènes, cisaillement durant le traitement) qui varient entre les études et qui ont tous une
incidence sur la valeur moyenne du poids moléculaire du β-glucane utilisé [126, 134].
1.4.1.3 Effet sur la réponse glycémique et insulinémique
Les β-glucanes céréaliers seraient bénéfiques autant dans les formulations alimentaires que
sous forme de supplément [10, 11, 47, 92, 127, 135-139]. Wood et collaborateurs (1994)
ont vérifié l’effet de la concentration du β-glucane d’avoine sur la réponse glycémique [92].
L’étude a démontré que la consommation de 6g de β-glucane représentait la dose-réponse
optimale (atteinte d’un plateau) lors de l’ingestion d’un breuvage contenant 50 g de
glucide.
Wood (2004) a également établi une relation entre la viscosité induite par le β-glucane
d’avoine et sa réponse glycémique [11]. Pour que le polysaccharide arrive à diminuer la
concentration sanguine de glucose de 0,3 mmol/L après l’ingestion d’un breuvage de 50 g
de glucose, ce dernier doit induire une viscosité, à 30 s-1 25 °C, se situant entre 0,1 et
1,0 Pa*s. De plus, afin d’exprimer la réponse glycémique et insulinémique en terme de
concentration et de poids moléculaire, Wood et collaborateurs (2000) [138] a trouvé la
relation mathématique suivante valable pour les aliments liquides :
ΔG = 7,93 – 0,68 log10 (c) – 1,01 log10 (Mw) [138]
(R2 = 0,88; p < 0,05)
où ΔG représente le changement du pic de glycémie, c la concentration
en β-glucane d’avoine et Mw la masse moléculaire moyenne en poids du
polysaccharide.
23
Dans les aliments solides comme les barres de céréales, le gruau et les pâtes alimentaires, il
a été démontré que 73 % de la bioactivité du β-glucane d’avoine sur la diminution du pic de
glucose sanguin serait expliquée par la relation MP x c où MP représente le pic du poids
moléculaire du β-glucane et c la concentration du polysaccharide dans l’aliment [140]. Ces
données s’avèrent fortement utiles lors du développement de produits fonctionnels enrichis
en β-glucane.
1.4.1.4 La réglementation
Au Canada, les β-glucanes d'orge et d'avoine ne sont reconnus qu’à titre de fibres nouvelles
[141]. Il est actuellement interdit de les considérer comme un ingrédient ou comme une
source de fibre. Pour arriver à de tels qualificatifs, ces derniers doivent faire l'objet d'un
examen de la part de Santé Canada [141]. Aux États-Unis, la réglementation est davantage
permissive. La Food and Drug Administration (FDA) a autorisé, en 1997, une allégation de
santé des produits à base d’avoine, stipulant qu’ils peuvent prévenir le risque de développer
des maladies cardiaques. En 2005, elle en a fait de même pour le β-glucane d’orge [129].
1.4.2 La gomme de guar
1.4.2.1 L’origine
Les fèves de guar sont des légumes produits par Cyamopsis tetragonoloba, particulièrement
cultivées en Inde et au Pakistan. Les grains de guar sont dotés d’un large endosperme
contenant de la gomme de galactomannane ou gomme de guar [142]. Les formes
commerciales de cette dernière contiennent habituellement entre 80 à 85 % de
polysaccharide, 10 à 14 % d’humidité, 3 à 5 % de protéines, 1 à 2 % de fibres, 0,5 % à
1,0 % de minéraux et 0,4 à 1,0 % de lipides [143]. La gomme de guar est vendue sous
forme de poudre de diverses puretés et formes particulaires.
24
1.4.2.2 La structure
La gomme de guar est un polysaccharide linéaire neutre composé de chaines de monomères
de D-mannose reliées en β-(1→4), lesquelles sont ramifiées par un pont oxygène en
position 6 avec une unité d’α-D-galactose (Figure 1.5). Le ratio entre le mannose et le
galactose est approximativement 1,6 :1 [144] bien que cette proportion est susceptible de
varier selon la source et la méthode d’extraction utilisées [145].
La distribution des unités de galactose sur la chaine principale n’est pas uniforme; il y a des
zones sans ramification (smooth region) et d’autres où chaque mannose se trouve ramifié
d’un galactose (hairy region) [28, 146, 147]. En raison de leur caractère neutre, les
interactions entre les galactomannanes, ensemble ou avec d’autres polysaccharides, sont
possibles et facilitées par la présence de zones sans ramification [28, 143, 147].
Figure 1.5 : Structure moléculaire d’un galactomannane. [145]
La gomme de guar est soluble à basse température et elle est capable d’induire de fortes
viscosités, même lorsqu’elle est employée en faible concentration [28]. Cette propriété est
due à ses longues et rigides chaines moléculaires qui ont un grand volume hydrodynamique
(qui prend beaucoup d’espace dans le milieu aqueux) [143]. Généralement, la moitié de la
viscosité finale est obtenue après 10 à 15 minutes d’agitation sans chauffage. Environ une
heure d’agitation est cependant nécessaire pour permettre à la gomme de guar de
25
développer toute sa viscosité [143]. Le poids moléculaire moyen de la gomme de guar peut
varier entre 440 à 650 kDa en fonction de la longueur des chaînes [28].
1.4.2.3 Effet sur la réponse glycémique et insulinémique
La gomme de guar comme les β-glucanes céréaliers est très étudiée pour son effet sur la
réponse glycémique [7, 76, 82, 87, 122, 136, 148, 149] et insulinémique [76, 82, 150]. Elle
serait autant efficace sous forme de supplément qu’à titre d’ingrédient dans les formulations
alimentaires. L’avantage de ce polysaccharide est qu’il présenterait une plus grande
viscosité que les autres gommes lors de l’acidification et de l’alcalinisation freinant
d’autant plus l’absorption des glucides dans la circulation sanguine [87].
1.4.2.4 La réglementation
La gomme de guar est permise au Canada et aux États-Unis, à titre d’additif alimentaire
autorisé comme émulsifiant, agent gélatinisant, stabilisant ou épaississant [151].
1.4.3 Le konjac-mannane (glucomannane)
1.4.3.1 L’origine
Le glucomannane issu des tubercules des racines de l’Amorphophallus konjac K. Koch est
un polysaccharide commercialement nommé konjac-mannane ou konjac glucomannane
[152]. L’Amorphophallus est cultivé en Extrême-Orient depuis plusieurs centaines
d’années et il est utilisé dans la cuisine japonaise traditionnelle, principalement pour faire
des nouilles et des gels stables dans l’eau bouillante [153]. Le konjac-mannane a
récemment été introduit aux États-Unis et en Europe comme additif alimentaire [153]. Les
applications technofonctionnelles et les bénéfices pour la santé de ce dernier sont nombreux
et, selon Doi (1995), elles seraient similaires à celles de la gomme de guar.
26
1.4.3.2 La structure
Le glucomannane est un polysaccharide linéaire neutre, constitué de glucose et de mannose
reliés en β-(1→4) [154]. Le ratio entre le mannose et le glucose est de 1,6 : 1 avec
approximativement 1 sur 19 unités de sucre acétylées en C6 (Figure 1.6) [154-158].
Figure 1.6 : Structure moléculaire du konjac-mannane. [156]
La solubilité du konjac-mannane est conférée par les groupements acétylés, de même que
par les ramifications de la chaine moléculaire principale [25]. La déacétylation de ces unités
peut être obtenue par un traitement en milieu alcalin [159]. La séquence exacte de
répétition du glucose et du mannose demeure encore incertaine [159]. Plusieurs
propositions de structures ont été faites :
1. G–G–M–M–M–M–G–M– ou G–G–M–G–M–M–M–M [160]
2. M–M–M–G–G– ou G–G–M–M–G–M–M–M–M–M–G–G–M [161]
3. G–M–G–M2–G–M3–G2–M–G2–M2–G2–M3–G2–M4–G2–M5 [155]
La position des ramifications sur la chaine principale ne fait pas l’objet d’un consensus
dans la communauté scientifique [156]. Plusieurs considèrent que les embranchements se
situent à la position C3 des résidus mannose [160] ou en C3 des résidus mannose et glucose
[161, 162] alors que d’autres estiment plutôt qu’ils sont positionnés en C6 sur les résidus
glucose [155].
27
Le konjac-mannane est le polysaccharide qui induirait la viscosité la plus élevée de toutes
les fibres solubles connue [1]. Une solution de 1 % de ce polysaccharide serait 10 fois plus
visqueuse qu’une solution, dans les mêmes proportions, de gomme de guar et 100 fois plus
visqueuse qu’une solution de pectine [13]. Le maximum de viscosité serait obtenu en
mélangeant à haute vitesse pendant deux heures [159].
Le poids moléculaire moyen du konjac-mannane peut différer selon la variété de la plante,
le lieu de culture de même que la méthode de préparation; il est généralement de l’ordre de
1000 kDa [159].
1.4.3.3 Effet sur la réponse glycémique et insulinémique
Comme mentionné précédemment, le konjac-mannane (glucomannane) diminuerait la
glycémie et l’insulinémie à court [123] et long terme [123, 124]. Pour présenter ses effets,
la consommation d’environ 4 à 5 g de konjac-mannane avant [163] ou pendant les repas
(mélangé à un liquide ou incorporé dans la formulation d’un aliment ou tout simplement
sous forme de supplément) [13, 152, 164] serait adéquate. À ces doses, une réduction de
50 % de la réponse insulinémique serait encourue [13]. D’autre part, une étude a démontré
que la consommation d’une dose aussi faible que 1 g de konjac-mannane purifié 30 min
avant un test oral de tolérance au glucose (75 g) arriverait à diminuer significativement de
10 % la glycémie postprandiale par rapport au traitement placébo.
1.4.3.4 La réglementation
Il est important de faire la distinction entre la farine de konjac et le polysaccharide nommé
konjac-mannane. La farine de konjac fait partie de la liste du Food Chemical Codex qui
autorise son incorporation aux États-Unis à titre d’agent gélifiant, épaississant, émulsifiant,
stabilisant de même que dans la formation de films [159]. Le département américain
d’agriculture accepte également son incorporation dans les produits de viande et de volaille
à titre d’agent liant depuis 1996.
28
Le konjac-mannane, quant à lui, est reconnu comme étant GRAS (generally recognised as
safe) aux États-Unis depuis 1994 [159]. Au Canada, il détient le statut de nouvel aliment
[1] et en Suède il est reconnu pour son habileté à réduire le cholestérol sanguin et accepté
dans la formulation d’aliments fonctionnels [159].
1.5 Facteurs influençant la viscosité
La viscosité est une mesure rhéologique qui exprime la résistance à l’écoulement lorsqu’un
fluide est soumis à une force de cisaillement [30]. En fait, cette résistance sera fonction du
comportement viscosimétrique de la substance à l’étude. Les principaux types de
comportement viscosimétrique dans les formulations alimentaires sont les écoulements
newtonien, pseudoplastique et viscoélastique.
Un fluide détient un écoulement newtonien lorsque sa viscosité demeure constante peu
importe le taux de cisaillement appliquée. L’eau, l’huile et les solutions contenant des
composés à faible poids moléculaire (sucres et alcools) en sont de bons exemples [165].
Toutefois, la majorité des solutions de polysaccharides, aux concentrations utilisées dans
les formulations alimentaires, détiendront un comportement non-newtionien, c’est-à-dire
pseudoplastique ou viscoélastique. L’écoulement d’une substance est pseudoplastique
lorsque la viscosité de cette dernière diminue avec l’augmentation de la force de
cisaillement. Ce phénomène est relié à l’orientation progressive des macromolécules dans
le sens de l’écoulement qui facilite la mobilité de ces dernières. L’écoulement
viscoélastique est, quant à lui, caractérisé par la présence d’un seuil d’écoulement. Pour que
le fluide s’écoule, une force de cisaillement initiale doit être appliquée sans quoi le fluide
reste immobile. Lorsque le seuil d’écoulement est atteint, la viscosité du fluide diminue
avec l’augmentation de la force de cisaillement comme les substances pseudoplastiques.
Les molécules à structure peu déployée et peu déformable sont responsables de ce
comportement. Dans les vinaigrettes et les sauces, ce type de comportement est recherché,
car il assure le maintien des particules en suspension.
29
Deux principaux facteurs influencent l’induction de viscosité d’un ingrédient : les facteurs
intrinsèques (liés à l’ingrédient) et extrinsèques (liés aux conditions environnementales).
1.5.1 Facteurs intrinsèques
Une des caractéristiques les plus importantes à vérifier est la capacité de la substance à être
hydratée, car l’hydratation est l’étape préalable à l’induction de viscosité. Cette propriété
est grandement dépendante de la structure et de la composition de cette dernière. Par
exemple, deux polymères de glucose, le β-glucane et la cellulose, présentent des solubilités
différentes. Comme mentionné précédemment (voir section 1.4.1.2), les liaisons en β-
(1→3) du β-glucane facilitent son hydratation ce qui le rend plus soluble comparativement
à la cellulose qui en est dépourvue.
Le poids moléculaire est un autre paramètre important à considérer lors de l’induction de
viscosité. De manière générale, pour un même poids moléculaire, plus la structure de
l’hydrocolloïde5 sera ramifiée, moins il occupera d’espace. Ainsi, les interactions entre ce
dernier et les autres constituants seront favorisées ce qui a pour effet de restreindre
l’induction de viscosité comparativement à un hydrocolloïde à structure linéaire. Dans cette
optique, Burkus et Temelli (2005) ont remarqué que le β-glucane d’avoine induisait une
plus grande viscosité comparativement à son homologue issu de l’orge. Cela serait dû à ses
chaînes moléculaires plus longues en raison d’un ratio cellotriose sur cellotétraose6 plus
faible [128]. Toutefois, il semblerait que, pour un même poids moléculaire, les β-glucanes
issus de ces deux céréales se comporteraient de manière similaire [128].
Pour une même concentration en polysaccharides, plus le poids moléculaire du composé est
faible, moins la solution sera visqueuse. Plusieurs facteurs vont influencer le poids
moléculaire d’un constituant comme le type de cultivar, le milieu de culture ainsi que les
méthodes d’extraction (choix du solvant, pH, température, présence d’enzymes endogènes,
5 Un hydrocolloïde est une macromolécule dispersée dans l’eau (Office québécois de la langue française,
2010) 6 Voir section 1.4.1.2
30
cisaillement durant le traitement). Des chercheurs ont démontré que l’extraction
enzymatique du β-glucane comparativement à celle en milieu aqueux procurait une plus
grande viscosité se traduisant par une amélioration plus importante du contrôle du glucose
sanguin [9]. Ce phénomène serait occasionné par une meilleure préservation des propriétés
physico-chimiques du β-glucane natif en raison d’une désactivation plus efficace des
enzymes endogènes telles les cellulases et les β-glucanases. De manière générale, plus
l’extraction est poussée (génère un haut rendement), plus le poids moléculaire sera faible.
1.5.2 Facteurs extrinsèques
La température, le pH, la concentration en hydrocolloïde de même que celle en sels et en
sucre sont tous des paramètres qui peuvent jouer un rôle sur la viscosité. Plus
particulièrement, une augmentation de température diminue la viscosité du milieu en raison
des bris de liaisons de faibles énergies. Ces changements de viscosité sont généralement
réversibles [128]. Toutefois, pour le konjac-mannane, la viscosité d’une solution chauffée
puis refroidie sera plus faible que la viscosité initiale [153].
Habituellement, plus la concentration en hydrocolloïde augmente, plus la viscosité induite
sera élevée. Cette augmentation en concentration peut également influencer le
comportement rhéologique de certain hydrocolloïde en solution. C’est le cas notamment
des β-glucanes céréaliers. En fait, à faible concentration, ces polysaccharides détiennent un
comportement newtonien tandis qu’à concentration plus élevée, un comportement
pseudoplastique est davantage observé [166].
Le pH et la concentration en sels peuvent, à leur tour, moduler la solubilité des
polysaccharides surtout s’ils sont chargés. Des phénomènes de salting in et salting out
peuvent se présenter et favoriser ou non l’induction de viscosité. Pour le konjac-mannane,
la concentration en sel n’influence pas la viscosité de la solution, contrairement au pH
[153]. Ainsi, à une température identique, l’induction de la viscosité dépend de la
concentration et du poids moléculaire du polysaccharide.
31
La présence de sucre favorise le développement de consistance jusqu’à un seuil maximal.
Une étude a observée que l’addition de 20 à 45 % de sucrose augmente la viscosité d’une
solution de β-glucane, mais qu’une concentration de 65 % la restreignait. Cela serait dû à la
limitation d’hydratation et d’expansion du polymère dans la solution [166].
Les paramètres physiologiques sont également d’importants facteurs à prendre en
considération. Comme mentionnés précédemment, le pH et les sécrétions physiologiques
auraient une influence sur la viscosité, mais il semblerait que l’effet des sécrétions soit plus
prononcé que celui du pH [85].
Enfin, l’état physique de l’aliment dans lequel les fibres alimentaires sont incorporées peut,
à son tour, influencer la viscosité. Plus les fibres sont rapidement hydratées, plus la
viscosité induite sera forte tandis qu’une hydratation trop lente ou partielle n’induira pas
assez de viscosité dans l’estomac pour affecter la réponse glycémique. Cela pourrait
constituer une explication au fait que certains chercheurs n’aient pas observé d’atténuation
de la réponse glycémique lors de l’ingestion de biscuit et de pain supplémenté de gomme
de guar comparativement à des solutions contenant les mêmes quantités de ce
polysaccharide [7, 150]. En fait, selon Wolever et collaborateurs, la gomme de guar serait
cliniquement plus efficace lorsqu’elle est incorporée dans un aliment liquide plutôt qu’un
aliment solide [7].
1.6 Effet des procédés de transformation et d’entreposage sur le
potentiel hypoglycémiant des fibres
Lors de la confection d’un aliment enrichi en fibres alimentaires, il est important d’avoir à
l’esprit que les procédés de transformation et d’entreposage peuvent influencer les
propriétés moléculaires (degré de polymérisation), structurales (interactions moléculaires)
et fonctionnelles (viscosité, rétention d’eau et solubilité) des fibres dépendamment des
conditions et des méthodes employées [167]. Le tableau 1.3 de la page suivante illustre
32
l’effet de différents procédés de transformation sur le poids moléculaire, la solubilité et la
concentration en β-glucane dans les aliments transformés.
Tableau 1.3 : Effet de différents procédés de transformation sur le poids moléculaire, la
solubilité et le taux de β-glucane dans les aliments transformésa. Adapté de Tiwari et
Cummins (2009) [167].
Procédés Mw S ou E [Bg] Ref.
Mouture (↑) (↓)b (↑) (↓)b (↑) (↓)b [168]
Entreposage (↓) (↓) [90]
Germination (↓) (↑) (↓) [169]
Maltage (↓) (↓) [170]
Fermentation
(↑)
(↓) [171]
[172]
Extrusion (~) (↓) [173]
Traitement thermique (↑) [174]
Traitement thermique à la vapeur (↓)
(↑) [173]
Radiation (↑) [175]
Cuisson au four (↓)
(↓)
(↑)
[168, 176]
[90]
Congélation (~) (↓) [90]
Cuisson de pâte alimentaire (~) [137]
Cuisson de gruau (~) (~) [177]
Cuisson (↑) [178]
Cuisson par pression (orge boulgour) (↑) [179]
Cuisson en atmosphère saturée
(autoclavage de plat d’orge)
(↓) [180]
a : augmentation (↑) ; diminution (↓) ; pas de changement (~).
b : varie en fonction de l’intensité du procédé
Légende : Mw : Poids moléculaire; S : solubilité; E : extractabilité; [Bg] : concentration en β-glucane.
33
Ainsi, par ces changements, les procédés de transformation affectent la bioactivité des
fibres en augmentant leur disponibilité (cuisson et extraction) ou en réduisant leur poids
moléculaire (hydrolyse, broyage, agitation et pompage) [129, 167, 173]. Tosh et
collaborateurs (2008) a démontré que l’effet des muffins enrichis en β-glucane sur la
réponse glycémique diminuait avec la réduction du poids moléculaire du polysaccharide
[181]. Également, des études effectuées sur la gomme de guar et le β-glucane d’avoine ont
démontré que l’hydrolyse acide ou enzymatique des polysaccharides atténue leur effet sur
la réponse glycémique [9, 76, 116].
Ainsi, avant de conclure sur l’effet potentiel des fibres alimentaires à diminuer la réponse
glycémique, il est souhaitable de porter attention à toutes les interactions possiblement
encourues lors de leur transformation [44]. La présence d’antinutriments (phytates,
lécithines, tannins, inhibiteurs d’enzymes), les interactions entre macronutriments
(complexes protéine-amidon et amidon-lipide), le rapport amylose sur amylopectine de
l’amidon, l’intensité du traitement thermique appliqué, la taille et la forme des particules
ingérées sont d’autres exemples de facteurs qui, en combinaison avec les fibres, peuvent
influencer l’effet hypoglycémiant [44, 182].
1.7 Synergie de viscosité entre les polysaccharides
La combinaison de polysaccharides est souvent recherchée pour des considérations d’ordre
économique, organoleptique (texture, effet en bouche) et de disponibilité. Le fait de
mélanger deux polysaccharides dans une solution aqueuse entraîne des interactions
intermoléculaires entre les régions linéaires d’un même polysaccharide, les régions
linéaires des polysaccharides anioniques affectés par la présence de cations divalents et les
régions linéaires des deux différents polysaccharides [26]. Toutefois, la force de
l’interaction entre les composés dépend des ratios, mais également de la concentration
totale des composés [183].
34
Pour vérifier si deux substances présentent des effets synergétiques ou antagonistes, il est
courant de mesurer la viscosité du mélange et des composés seuls. En fait, lorsque le
mélange procure une plus grande viscosité que la somme des viscosités de chaque
constituant séparément, la situation est caractérisée de synergisme et dans le cas contraire,
d’antagonisme [26]. Quelques auteurs ont étudié l’effet de synergie de viscosité du β-
glucane, de la gomme de guar et du konjac-mannane. Le tableau 1.4 illustre les
combinaisons de polysaccharides à l’étude.
Tableau 1.4 : Mélanges binaires de polysaccharides présentant une
synergie de viscosité.
Mélanges Références
β-glucane et carboxyméthylcellulose [26]
β-glucane et λ-carraghénane† [26]
β-glucane et gomme xanthane [26, 29]
Gomme d’avoine et gomme de caroube [183]
Gomme de guar et carboxyméthylcellulose [28]
Gomme de guar et gomme xanthane [184]
Konjac-mannane et κ-carraghénane [185]
Konjac-mannane et gomme xanthane [25, 186, 187]
† : Synergie de viscosité dépendante des concentrations finales en polysaccharides
Ghotra a évalué la stabilité dans le temps à température ambiante du β-glucane d’orge en
mélange avec d’autres polysaccharides, tels la gomme xanthane, la gomme de caroube, le
konjac-mannane, la pectine LM, la pectine HM, les carraghénanes (λ, κ, ι), la gomme
arabique, l’alginate de sodium, la cellulose microcristalline et la carboxylméthylcellulose à
deux concentrations finales (0,5 et 0,75 %) [26]. Il a été démontré que le mélange de β-
glucane et de gomme xanthane était le seul à rester stable (aucun dépôt ni séparation de
phase visible) durant les 12 semaines d’expérimentation. De plus, lorsqu’évalué dans un
breuvage non pasteurisé, le mélange de β-glucane et de gomme xanthane a présenté, après
12 semaines, la plus faible perte de viscosité comparativement aux polysaccharides seuls
[26]. De ces faits, il a été proposé que la grande stabilité de la gomme xanthane dans les
35
environnements acides et son interaction avec le β-glucane d’orge soit à l’origine de
l’équilibre physico-chimique du mélange [26].
Également, Paquin (2008) a observé une synergie de viscosité entre le β-glucane d’avoine
et la gomme xanthane dans un breuvage à base de jus de fruits traité thermiquement. Les
jus enrichis en β-glucane seul ont démontré une importante perte de viscosité (plus de 50%)
lors de la pasteurisation tandis que ceux enrichis en gomme xanthane seule et ceux
contenant le mélange des deux polysaccharides sont restés stables [29]. Cette diminution de
viscosité serait principalement due à une réaction de dépolymérisation non enzymatique
(réaction de Fenton) impliquant l’acide ascorbique et l’oxygène (résultats non présentés).
Paquin (2008) a également démontré que le breuvage contenant le mélange de
polysaccharides diminuait significativement la glycémie postprandiale. Cela démontre
qu’en plus de stabiliser le polysaccharide fonctionnel, la gomme xanthane n’entrave pas la
bioactivité du β-glucane.
D’autres chercheurs ont également démontré que la gomme xanthane interagissait en
synergie avec les glucomannanes et les galactomannanes [25, 145, 188]. En fait, moins le
mannane est substitué, plus l’interaction serait forte [189]. Cependant, plusieurs autres
facteurs peuvent également influencer la synergie entre les polysaccharides comme la
configuration ordonnée ou non de la gomme xanthane, la concentration de sel, le niveau
d’hydratation des composés, le ratio et la concentration finale en polysaccharides de même
que la température de mise en mélange [25, 145, 189]. Ainsi, tous ces aspects doivent être
pris en considération lors de la préparation de mélange.
1.7.1 La gomme xanthane
1.7.1.1 L’origine
La gomme xanthane est un exopolysaccharide secrété lors de la fermentation des sucres par
les bactéries du genre Xanthomonas comme X. phaseoli, X. juglandis et X. campestris
36
[190]. La découverte de ce polysaccharide fut attribuée au département américain de
l’agriculture (North Regional Research Laboratory) dans les années 1950 à la suite de
recherches dans le cadre d’une maladie affectant particulièrement la famille des crucifères
[191]. En fait, des chercheurs parvinrent à isoler la bactérie pathogène qui excrétait une
substance visqueuse obstruant les pores des feuilles de chou (Brassica spp). Le biofilm
visqueux ainsi produit favorise l’adhésion de la bactérie à son support et facilite la capture
des nutriments nécessaires à sa croissance [143].
Ce n’est que dans les années 1960 que la gomme de xanthane, appelée polysaccharide B-
1459, fut commercialisée pour la première fois. L’espèce bactérienne la plus couramment
utilisée pour sa production est X. campestris. Aujourd’hui, la gomme de xanthane est le
polysaccharide bactérien le plus utilisé dans l’industrie alimentaire [190].
1.7.1.2 La structure
La structure primaire de la gomme xanthane est composée d’une chaine de glucoses reliés
en β-(1→4), identique à celle de la cellulose [143]. Sur cette dernière se greffent, à toutes
des deux unités de glucose, en C-3, une chaine latérale constituée d’une unité d’acide
glucuronique entre deux unités de mannose (Figure 1.7). Cet arrangement de cinq
polysaccharides (2 glucoses, 2 mannoses et 1 acide glucuronique) est appelé
pentasaccharide. Le ratio molaire moyen entre les trois principaux constituants, glucose,
mannose et acide glucuronique, est respectivement de 2,8 : 2,0 : 2,0 [191]. Il varie plus ou
moins en fonction de la souche bactérienne utilisée. Une grande partie des unités de
mannose internes sont acétylées en O-6 et près de la moitié des unités de mannose
terminales ont un acide pyruvique lié sous forme chélatée entre les carbones 4 et 6 (Figure
1.7) [191].
37
Figure 1.7 : Structure moléculaire de la gomme xanthane. Adapté de :
http://www.scientificpsychic.com/fitness/carbohydrates2.htm.
Le tableau 1.5 présente la composition moyenne des polysaccharides excrétés par quelques
souches du genre Xanthomonas.
Tableau 1.5 : Composition moyenne des polysaccharides excrétés par quelques souches du
genre Xanthomonas. García-Ochoa et al. (2000) [191].
Bactéries D-glucose D-mannose Acide D-gluc. Pyruvate Acétate
X. campestris 30,1 27,3 14,9 7,1 6,5
X. fragaria 1822 24,6 26,1 14,0 4,9 5,5
X. gummisudans 2182 34,8 30,7 16,5 4,7 10,0
X. juglandis 411 33,2 30,2 16,8 6,9 6,4
X. phaseoli 1128 30,9 28,6 15,3 1,8 6,4
X. vasculorum 702 34,9 30,2 17,9 6,6 6,3
Légende : Acide D-gluc. : Acide D-glucuronique
La présence de groupements carboxyliques des acides glucuronique et pyruvique confèrent
à la molécule un caractère anionique (charge négative jusqu’à pH 1) [191, 192]. Pour
Mannose
Mannose
Acide
glucuronique
Pyruvate Acétate
38
neutraliser la charge de cette dernière, certains ions tels Na+, K+ et Ca2+ sont fréquemment
utilisés.
La structure secondaire de la gomme xanthane varie en fonction de l’état dans lequel elle se
trouve. À l’état cristallin, la chaine principale est une hélice quintuple où l’unité répétitive
est le pentasaccharide précédemment mentionné [190].
À l’état aqueux et en présence d’une force ionique élevée, la conformation de la gomme
xanthane varie quelque peu comparativement à celle retrouvée à l’état cristallin. En fait,
l’alignement et le repliement des chaines latérales le long de la chaine cellulosique forment
un deuxième brin discontinu. Ce dernier confère à la structure une grande rigidité et une
stabilité dans une large gamme de pH et de température [143]. Cette conformation
hélicoïdale ordonnée est donc favorisée. Toutefois, cette dernière subir une transition ordre-
désordre conduisant à l’adoption d’une chaîne flexible et désordonnée à la suite d’un
chauffage au-delà d’une certaine température nommée température de transition (Tm) ou en
présence de faibles concentrations en sel (< 10-3 M NaCl) [190, 193-195]. Cette autre
conformation, désordonnée, ou en pelote, présente un relâchement des chaînes latérales en
raison des répulsions électrostatiques entre les groupements carboxyliques ionisés [196].
La gomme xanthane est reconnue pour sa grande stabilité sur une vaste gamme de pH et de
température. Le poids moléculaire de la gomme xanthane varie entre 2 à 20 x 103 kDa en
fonction des associations entre les chaines moléculaires, des conditions de fermentation et
du type de conformation [191].
1.7.1.3 La réglementation
La gomme xanthane fut approuvée sécuritaire et reconnue comme additif alimentaire en
1969 par le gouvernement américain et en 1974 en Europe [190]. Elle est également
autorisée au Canada comme agent gélifiant [197].
39
1.8 Buts, hypothèses et objectifs
Les fibres alimentaires suscitent un intérêt majeur dans la recherche et le développement de
produits fonctionnels en raison de leurs nombreuses activités biologiques, dont la
modulation des réponses glycémique et insulinémique. À la lumière de la précédente revue
de littérature, le β-glucane, le konjac-mannane et la gomme de guar semblent être de bons
candidats pour détenir cette bioactivité. Malgré le fait que le mécanisme d’action ne soit
pas encore clairement élucidé, la viscosité induite par les fibres dans le tractus gastro-
intestinal semble être la pierre angulaire du mécanisme. Or, pour des considérations d’ordre
économique et de disponibilité, la combinaison des polysaccharides d’intérêt avec un
polysaccharide pouvant induire une synergie de viscosité, comme la gomme xanthane,
semble être avantageuse. Toutefois, aucune étude n’a vérifié l’effet des procédés de
transformation comme la pasteurisation sur la stabilité des polysaccharides fonctionnels
dans des formulations alimentaires. Seule Paquin (2008) a observé une perte de viscosité en
réponse à un traitement de pasteurisation des breuvages à base de jus de fruits enrichis en
β-glucane comparativement à ceux enrichis en gomme xanthane et en β-glucane [29].
Ainsi, le but du projet de recherche était d’étudier la stabilité des fibres alimentaires
seules et en mélange avec la gomme xanthane dans un breuvage à base de jus de fruits
pasteurisé de même qu’à comprendre leur effet sur la réponse glycémique et insulinémique.
Deux hypothèses ont été formulées. La première hypothèse est que la viscosité induite par
des polysaccharides en mélange est plus stable aux traitements technologiques subis par les
jus de fruits comparativement à la viscosité induite par les fibres seules. L’objectif
spécifique associé était de :
1) Étudier la stabilité à la pasteurisation et aux conditions d’entreposage du
comportement rhéologique des fibres alimentaires seules et en mélange avec la
gomme xanthane dans un breuvage à base de jus de fruits.
Étant donné que la majorité des études ont comparé l’effet des différentes fibres
alimentaires selon leur concentration et non selon leur viscosité, il devient difficile de faire
40
d’étroites associations dose-effet, car pour une même concentration, deux polysaccharides
différents n’induiront pas la même viscosité. L’étude de Wood (2004) est une des seules à
établir une relation entre la viscosité induite par une fibre, soit le β-glucane d’avoine, et la
réponse glycémique [11]. Pour que ce dernier arrive à diminuer la concentration sanguine
de glucose de 0,3 mmol/L après l’ingestion de 50 g de glucose, le β-glucane doit induire
une viscosité à 30 s-1 25 °C se situant entre 0,1 et 1,0 Pa*s. Également, Paquin (2008) a
démontré que l’ingestion d’un breuvage à base de fruits enrichi en un mélange de β-glucane
et de gomme xanthane détenant une viscosité de 0,18 Pa*s à 30 s-1 à 37 °C diminuait
significativement la réponse glycémique in vivo [29].
Ainsi, sur ces observations, la deuxième hypothèse est que les breuvages à base de jus de
fruits enrichis en un mélange de fibre alimentaire et de gomme xanthane détenant une
viscosité de 0,18 Pa*s, à 30 s-1 à 37 °C diminuent significativement la glycémie
postprandiale in vivo. L’objectif spécifique de cette partie était de :
2) Évaluer cliniquement l’effet des mélanges de fibres alimentaires sur la réponse
glycémique et insulinémique de sujets masculins en bonne santé.
Chapitre 2: Effet des procédés de transformation et des
conditions d’entreposage sur la stabilité de breuvages à
base de jus de fruits enrichis en fibre alimentaire seule et
en mélange avec la gomme xanthane
“Effect of food processing and storage conditions on stability of
fruit juice base beverages enriched with dietary fiber alone and in
mixture with xanthan gum”
Émilie Paquet1,2, Sylvie L. Turgeon1,2* et Simone Lemieux2
1STELA Dairy Research Centre and 2Institute of Nutraceuticals and Functional
Foods (INAF), Université Laval, Québec, Qc, Canada G1K 7P4
L’objectif de ce chapitre était de développer un breuvage fonctionnel à base de jus de fruits
à l’aide de mélanges binaires de polysaccharides sans compromettre les propriétés
sensorielles, fonctionnelles ni de stabilité du produit final. Ainsi, l’effet de la pasteurisation
(sous condition industrielle), de la température d’entreposage et du temps (jusqu’à 4 mois)
sur la viscosité, la turbidité et l’apparence générale des breuvages ont été étudiés. Les
résultats obtenus ont permis d’établir les points critiques et de valoriser, dans la majorité
des cas, la combinaison de polysaccharides.
*Corresponding author. E-mail address: [email protected].
Tel: + 1 418 656-2131 ext.4970. Fax: +1 418 656-3353.
42
2.1 Résumé
Les breuvages à base de jus de fruits constituent de bons vecteurs pour fournir des
ingrédients fonctionnels comme les fibres alimentaires. Ces dernières détiennent plusieurs
attributs santés que ce soit au niveau de la santé digestive ou du contrôle de l'index
glycémique. La gomme de guar (G), le β-glucane d’orge (Bg) et le konjac-mannan (K) en
sont de bons exemples. Plusieurs de ces bienfaits seraient liés à la viscosité qu’elles
induisent dans le système digestif. L'effet des procédés de transformation et des conditions
d’entreposage sur la stabilité des fibres est encore méconnu en particulier dans les aliments
liquides en milieu acide. Des travaux récents ont rapporté un effet de synergie entre la
gomme xanthane (X) et le β-glucane d’avoine sur la viscosité des breuvages à base de jus
de fruits traités thermiquement. Par conséquent, l'objectif de cette étude était de déterminer
si X avait un effet protecteur sur la stabilité de G, K et Bg durant la pasteurisation et
l’entreposage lorsqu’incorporé à des breuvages à base de jus de fruits. Le ratio et la
concentration finale des mélanges ont été sélectionnés de manière à atteindre une viscosité
commune à 30 s-1. Des analyses statistiques ont été réalisées afin d’étudier l'effet de la
pasteurisation, du temps (0 à 4 mois) et de la température d’entreposage (4 °C ou 20 °C).
La pasteurisation stabilise la viscosité et la turbidité des breuvages enrichis en Bg et en
BgX. La viscosité des breuvages pasteurisés enrichis en K et en G varie dans le temps.
L’ajout de X a un effet protecteur sur K (KX), mais aucun sur G (GX). La viscosité et la
turbidité des breuvages enrichis en Bg et en BgX ont significativement (p < 0,01) augmenté
avec le temps. La viscosité des breuvages enrichis en G et en K a, quant à elle, légèrement
diminué au fil du temps. L’ajout de X procure une protection complète contre la
dégradation à 4 °C pour K (KX), mais ne procure aucun effet protecteur sur G (GX).
L’évolution de la viscosité et de la turbidité sont plus rapides lorsque les breuvages sont
entreposés à 20 °C. Par conséquent, les traitements de transformation et les conditions
d’entreposage ont un impact majeur sur la stabilité des fibres alimentaires. Dans certain cas,
l'ajout de X a un effet protecteur. Ainsi, l’étape de formulation est cruciale pour assurer la
stabilité technologique et l’effet physiologique des fibres alimentaires.
Mot-clé : Gomme de guar, β-glucane d’orge, konjac-mannan, gomme xanthane,
pasteurisation, viscosité, turbidité, stabilité.
43
2.2 Abstract
Fruit juice based beverages represent a good vector to deliver functional ingredients.
Dietary fibers have several health attributes as contribution to digestive health or control of
glycemic index. Guar gum (G), barley β-glucan (Bg) and konjac-mannan (K) are few good
examples. Several health effects seem to be related to increased viscosity of added fiber.
Effect of processing and storage conditions on dietary fibers stability is still unknown
especially in acidic liquid products. Recent works reported an effect of synergy between
xanthan gum (X) and oat β-glucan on viscosity of heat-treated fruit juice based beverages.
Therefore, the objective of this study was to determine if X has a protective effect on
stability of G, Bg and K in a fruit juice based beverage during processing and storage. Ratio
and final concentration of fibres and X have been chosen to reach a common viscosity at
30 s-1. Statistical analyses were done to study the effect of pasteurization, time (0 to 4
months) and storage temperature (4 °C or 20 °C). Pasteurization stabilized viscosity and
turbidity of beverages enriched in Bg and BgX. Viscosity of pasteurized beverages
enriched in K and G varied with storage time. Addition of X had a protective effect on K
(KX) but none on G (GX). Viscosity and turbidity of beverages enriched in Bg and BgX
significantly (p <0.01) increased over time. Viscosity of beverages enriched in G and K
slightly decreased over time. Addition of X provides complete protection against
degradation at 4 °C for K (KX), but it provides no protection at all for G (GX). Viscosity
and turbidity changes are faster when beverages are stored at 20 °C. Therefore, processing
and storage treatments have a major impact on dietary fiber’s stability. In many cases,
addition of X can have a protective effect. Formulation is crucial to ensure technological
stability and physiological effect of dietary fibers.
Keywords: Guar gum, β-glucan, konjac-mannan, xanthan gum, pasteurization, viscosity,
turbidity, stability
44
2.3 Introduction
Importance of preventing type 2 diabetes is highlighted by the substantial worldwide
increase in the prevalence of diabetes in recent years [198]. In 1998, the World Health
Organization (WHO) and the Food and Agriculture Organization (FAO) recommended that
the food industries attempt to lower the glycemic response to foods and diets [199, 200]. To
achieve this aim, food enrichment in soluble dietary fibers could be used. Guar gum (G)
[76, 122], cereal β-glucans (Bg) [9, 127] and konjac-mannan (K) [201, 202] are some fibers
known to attenuate blood glucose and insulin responses. The beneficial physiological effect
of soluble dietary fibers seems to be closely related to the induced increase in viscosity in
the gastro-intestinal tract that reduces the rate of gastric emptying and decreases nutrient
absorption by increasing the unstirred layer in the small intestine [10, 75, 88].
Induction of viscosity by dietary fibers and consequently their bioactivity are influenced by
several intrinsic (structural features, concentration, average molecular weight, molecular
weight distribution, solubility) and extrinsic (pH, temperature, processing steps, food
matrix characteristics) factors. Thus, a particular attention must be given to processing and
storage treatments to ensure integrity of the functional ingredients. A study on processed
oat solid foods (isocaloric crisp bread, granola, porridge, and pasta containing 4 g of
β-glucan) has demonstrated that the highest efficacy in attenuating the peak blood glucose
response (PBGR) is obtained with porridge and granola that present the highest peak
molecular weight and viscosity [140]. It seems that Bg glycosidic bounds would be more
stable during high-temperature short-time treatments than during treatment at lower
temperature; β-glucanases from wheat flour remain active at the latter conditions [140,
203]. For G and K, physiological effects have also been related to their induced viscosity
[1, 7, 13, 91] but only few experiments established the effect of technological treatments.
Moreover, it is important to mention that studies have mainly been performed with solid
foods rather than with liquid foods; in which cases, no industrial treatment was applied.
Xanthan gum (X) is widely used in food industries because of its excellent stability over a
broad range of pH values and temperatures [194]. Furthermore, it interacts synergistically
45
with oat and barley Bg [204, 205], G [28, 145] and K [25, 186, 187]. A recent report noted
a synergistic viscosifying effect of X and oat Bg mixtures in heat-treated fruit juices [205].
Juices enriched with Bg experienced a dramatic decrease in viscosity during heat
processing (pasteurization) while juices supplemented with a mixture of Bg and X
remained stable and effectively reduced the human glycemic response.
Therefore, for the first time, this study aimed to verify the stability of dietary fibers alone
and in mixture with X in a fruit base beverage after an industrial pasteurization treatment
and during storage.
2.4 Material and methods
2.4.1 Material
Three readily available commercial dietary fibers were used: barley Bg (Barliv™, Cargill,
Wayzata, MN, USA; β-glucan 72.2 %, moisture 4.5 % and protein < 2.0 %), G (TIC
Pretested® GuarNT® Flavor Free 4000, TIC GUMS, Philadelphia, MD, USA; moisture
10.2 % and protein 4.5 %) and K (TIC Pretested® Ticagel® Konjac High Viscosity, TIC
GUMS, Philadelphia, MD, USA; moisture 10.6 % and protein < 2.0 %). Mixtures of
dietary fibers were performed in combination with X (TIC Pretested® Ticaxan®, TIC
GUMS, Philadelphia, MD, USA; moisture 9.5 % and protein 6.0 %), because, as mentioned
previously, the latter acts in synergy with barley Bg, G and K. The latter were incorporated
into a clarified apple concentrate kindly donated by Industries Lassonde, Rougemont, QC,
Canada to which water was added to formulate the beverage. Apple juice was chosen as its
clarity allows the observation of destabilization phenomena (formation of a precipitate,
color change, opalescence).
46
2.4.2 Beverage formulation
Table 2.1 presents the composition of each beverage. Ratio and final concentration of
dietary fibers and X have been chosen in order to have a similar targeted viscosity of
0.18 Pa*s at 37 °C (related to body temperature), 30 s-1 (related to the hypothetic shear rate
in gastro-intestinal tract [11]). This viscosity setting was based on previous work that
showed that beverages enriched in polysaccharides under those conditions presented the
desired hypoglycaemic effect as well as acceptable organoleptic characteristics [205].
Selected ratios are those mentioned in the literature to present the highest synergistic effect
except for the mixture with K and X (KX). Preferential ratio for this mixture is 50:50 [25,
186], but at this point, a gel was formed after heat treatment. Then, ratio of 90:10 (90%
konjac-mannan: 10% xanthan gum) was used to ensure liquid behaviour of the beverage.
Beverages enriched with dietary fibers alone were also studied at the concentration level
used in the mixture. For the beverage enriched with X alone, the selected concentration was
the highest used in the mixture (Table 2.1). Three repetitions (batches) of the eight
beverages (30L) were produced.
2.4.3 Beverage preparation
First, stock solutions of Bg, K, G and X were prepared. Table 2.2 presents the
polysaccharide concentration used for each beverage. K, G and X were dissolved in
deionized water at room temperature using an axial flow impeller (A-100, Cole-Parmer,
Vernon Hills, IL, USA; diameter of 69 mm, pitch of 38 mm) at 1500 rpm (K and G) or 600
rpm (X) for two hours. To ensure complete solubilization of Bg, deionized water was
preheated at 90 ± 2 °C. Barley Bg was subsequently hydrated using mixer (at 1500 rpm
with the same paddle) at this temperature for 10 minutes in a double wall cooker (Lee
Industries Inc., Philipsburg, PA, USA) and then cooled to room temperature. In order to
ensure the final concentration, water was added after the cooling process to compensate
water evaporation during hydration (as measured by weight). After hydration, stock
solutions were stored at 4 ± 2 °C over night (~18 hours). The following day,
polysaccharides, concentrate juice and water were blended and stirred at 1200 rpm with a
47
four inches three palm helix paddle (EVIP25M, Lightnin Mixers & Aerators, Richester,
NY, USA) during 15 minutes at room temperature to homogenize the mixture.
2.4.4 Pasteurization and storage procedures
Beverages were pasteurized using a tubular heat exchanger (UHT/HTST Lab-25 HV,
MicroThermic Inc., Raleigh, NC, USA) at 98 ± 2 °C during 30 seconds, cooled at 20 ± 4 °C
and bottled in 300 mL poly(ethylene terephthalate) (PET) bottles. To study the
pasteurization effect, 4.8 L of each beverage were not heat treated. However, in order to
ensure their preservation, they were supplemented with 260 ppm sodium benzoate and 260
ppm potassium sorbate. After this process, treated and untreated beverages were stored, in
equal amount, at 4 and 20 ± 2 °C.
2.4.5 Physico-chemical analyses
Pasteurization effect on beverage’s viscosity was evaluated over time (one week) using
viscosity profiles of the heat-treated and untreated beverages. These rheological
measurements were performed at 37 ± 1 °C (body temperature) with a shear-rate controlled
rheometer (ARES-100FRT, TA Instruments, New Castle, DE, USA) equipped with a
couette-type sensor (couette diameter of 33.93 mm, bob diameter and length of 32.05 mm
and 33.29 mm). Shear-rate range explored for the complete profile was from 0.03 up to
1000 s-1 and a specific attention has been given at 30 s-1 (as mentioned previously). For
treated beverage, viscosity has been followed up to 16 weeks (0, 1, 2, 4, 8 and 16 weeks) to
verify the polysaccharide stability over time.
Flow curves behaviour of pasteurized beverages at 37 °C was also modeled using TA
Orchestrator v7.2.0.2 software (TA Instruments-Water LLC, New Castle, DE, USA).
Power Law model, represented by the following equation, is usually used to describe the
pseudoplastic behaviour of gums [206]:
τ = Kẏn
48
where τ is the shear stress (N/m2), ẏ is the shear rate (s−1), K is the consistency coefficient
and n is the flow behaviour index or Power Law index.
Other parameters were also studied over the same period of time for treated and untreated
beverages: settling stability by visual inspection, pH using pH-meter (pH-meter Symphony
SB20, VWR®, West Chester, PA, USA) and turbidity (laboratory turbidimeter 2100AN IS,
Hach Company, Loveland, CO, USA).
2.4.6 Molecular weight measurement
Dietary fibers and X weights average (Mw) were determined by high performance size
exclusion chromatography-multiangle laser light scattering (HPSEC-MALLS). The HPSEC
system consisted of a Waters 515 HPLC pump (Waters Corporation, Milford, MA, USA), a
200 μL manual injecting loop and Wyatt Optilab 903 refractometer (Wyatt Technology
Corporation, Santa Barbara, CA, USA), a K5 flow cell and a He-Ne laser operating at
λ=628.8nm. The detection of scattering light was possible at 18 angles. Prior to
measurements, the Dawn apparatus was calibrated with pullulan standard (P-82 kit,
Shodex, Japan) as described by Rioux et al. (2007) [207].
Three columns were used in line: a TSK-guard column PWXL (6 mm x 40 mm), a TSK-
G6000 PW (7.5 mm x 300 mm) and a TSK-G4000 PW (7.8 mm x 300 mm) (Tosoh
Bioscience LLC, Montgomeryville, PA, USA). The mobile phase consisted of 0.1 M
NaNO3 with 0.05% N3Na realised with HPLC grade water. The latter was filtered on
0.22 μm filters. The flow rate was 0.5mL/min and analyses were performed at 40 °C to
reduce the viscosity. Dietary fibers and X samples were first solubilised in water at 90 °C
during 6 minutes, cooled down and then centrifuged at 1500 g during 15 minutes to remove
the insoluble molecules. Samples were secondly mixed with a twofold concentrated mobile
phase to reach a concentration of 1 mg/mL for Bg and 0.5 mg/mL for G, K and X. Samples
were then filtered on 0.45 μm filters to eliminate dust particles. The MALLS instrument
49
was placed directly after the HPSEC columns and before the refractive index detector
(DRI).
Data collected from DRI and MALLS were evaluated with the ASTRA software 4.70.07.
The dn/dc values used were 0.150 for G [208], 0.145 for X [188], 0,140 for K [209] and
0.150 [210] /0.175 [211] for barley Bg. Averages molecular weight were estimated using
second-order Debye for all of them.
2.4.7 Statistical analyses
All statistical analyses were performed using SAS v9.2 software (SAS Institute Inc., Cary,
NC, USA). For all analyses, the assumptions of normality were verified with the Shapiro-
Wilk's test, while the homogeneity of variances was verified with the Bartlett's chi-square
statistic. The inference was made at the α = 0.01 level of significance because of the high
power of the statistical tests and because there are many factors involved in the experiment.
For the viscosity measurement, a heterogeneous split-plot Anova model was used. The
logarithmic transformation was applied to the data to satisfy the assumptions of the model.
The effect of pasteurization was studied using only the data at time 0 and after one week to
avoid skewing the results by a possible contamination, while the effect of time was studied
using only the pasteurized data. For the pH values, a usual split-plot Anova was employed
without any transformation. However, for the turbidity, a square root transformation was
applied to satisfy the assumptions of the model. A heterogeneous split-plot Anova model
was used to study the effect of pasteurization, while a traditional split-plot Anova model
was used to study effect of time. Appendice B presents Anova tables for each performed
test.
2.5 Results
During experimentation, two different apple juice concentrates were used because the base
selected from preliminary works was back order. Only first repetition of beverages enriched
50
in K, KX, G and GX were produced with the concentrated used during preliminary tests.
Thus, for the other beverages and repetitions, a new apple juice concentrate was used at the
same concentration. Statistical analysis revealed that there was a significant difference
(p < 0.01) between the two apple juice concentrates. Beverages (K, KX, G and GX) made
with the first concentrate were then removed from the other tests. Also, the desired
viscosity of 18 Pa*s at 37 °C 30 s-1 obtained with the first concentrate was not reached with
the second concentrate under the same conditions. This indicates that the juice composition
can influence polysaccharide viscosity.
2.5.1 Rheological profile
Initial rheological behaviour of beverages enriched with Bg and the control beverage was
newtonian (n for Bg: 1.006; Control: 1.065) while those of beverages added with G, K and
X were pseudoplastic-like (n for G is: 0.895 < K: 0.857 < X: 0.384) (Figure 2.1 A).
Addition of X to dietary fibers changed the rheological behaviour of beverages by
increasing their pseudoplastic character (n for KX is: 0.580 < GX: 0.363 < BgX: 0.340)
(Figure 2.1 B). Rheological profile did not change over time except for the untreated Bg-
enriched beverage for which the Power Law index showed a more pseudoplastic behaviour
after one week (n = 0.843) while the reological profile of the untreated BgX remained
practically the same (n = 0.312) (Figure 2.2).
2.5.2 Effect of pasteurization
2.5.2.1 Viscosity
Overall, pasteurization affected viscosity of beverages. For those enriched in Bg and BgX,
pasteurization stabilized their viscosity because there was no significant difference between
baseline and one-week viscosities while for the untreated beverages, viscosity significantly
(p < 0.01) increased after one week by 47 % and 35 % for Bg and BgX respectively
(Bg: 0.018 to 0.027 Pa*s; BgX: 0.27 to 0.37 Pa*s) (Figure 2.3).
51
Pasteurization significantly increased (p < 0.01) initial viscosity of beverages enriched in G
and GX by respectively 18 % and 15 % (G: 0.021 vs. 0.018 Pa*s; GX: 0.22 vs. 0.20 Pa*s)
(Figure 2.4).
Unlike G-enriched beverages, pasteurization caused a weak but significant (p < 0.01)
viscosity loss for the beverages added with K (13%: 0.14 vs. 0.16 Pa*s) (Figure 2.5).
Addition of X had a protective effect on K since there was no significant difference in
viscosity between pasteurized and untreated KX beverage and viscosity also remaine stable
after one week.
Finally, for the beverage to which only X was added additioned with X and for the control
juice, pasteurization also significantly (p < 0.01) increased initial viscosity (11% for
X: 0.10 vs. 0.09 Pa*s; 61% for the control: 0.0014 vs. 0.0009 Pa*s). However, viscosity
values of control juice were close to the detection’s threshold of the rheometer. Thus, a
relative increase of 61% was in fact an absolute increase of 0.000 6 Pa*s which could be
considered as being negligible.
2.5.2.2 pH
Pasteurized beverages had a pH value significantly lower (4.16 vs 4.29) than those of the
untreated beverages probably due to the preservatives used. An aqueous solution of 260
ppm of potassium sorbate and sodium benzoate has a pH value of 5.93. Thus, addition of
these additives could have contributed to this pH increase.
2.5.2.3 Turbidity
Turbidity results obtained with beverage enriched which Bg and BgX are consistent with
viscosity results; pasteurization stabilized turbidity since no significant difference between
initial and one-week turbidity was observed while turbidity of the untreated beverages
significantly (p < 0.01) increased over the same period by 59 % and 37 % for Bg and BgX
52
respectively (Bg: 63 to 100 NTU; BgX: 197 to 270 NTU). For all other beverages,
pasteurization had no significant effect on turbidity. Addition of X caused a significant
(p < 0.01) increase in turbidity for all mixtures.
2.5.3 Effect of time
Effect of time was studied with pasteurized beverages over a 16-week period of storage at
4 °C and 20 °C.
2.5.3.1 Viscosity
Viscosity of beverages supplemented with Bg and BgX significantly increased (p < 0.01)
over time for both storage temperatures (Figure 2.7). When stored at 4 °C, addition of X
significantly reduced the viscosity increase observed with Bg. In fact, while Bg viscosity
tripled from 0.018 to 0.054 Pa*s, BgX value rather doubled from 0.29 to 0.58 Pa*s. At
20 °C addition of X did not influence viscosity increases and Bg and BgX viscosities
almost tripled (Bg: 0.017 to 0.050 Pa*s; BgX: 0.29 to 0.70 Pa*s) over time.
Viscosity of G and GX beverages were stable over the first eight weeks when stored at 4 °C
while a viscosity loss was observed much earlier when they were stored at 20 °C (Figure
2.8). At 20 °C, the viscosity loss of G beverage was significantly (p < 0.01) larger than that
for GX (G: 0021 to 0011 Pa*s; GX: 0.22 to 0.19 Pa*s) while when stored at
4 °C, no significant difference were observed (G: 0021 to 0018 Pa*s; GX: 0.23 to 0.21
Pa*s). Thus, X had a protective effect on G degradation observed with time only at 4 °C.
Beverages supplemented with K were stable for the first eight weeks when stored at 4 °C
(Figure 2.9). When X was added, no significant difference between initial and 16-week
viscosities was observed. Although viscosity changes of K and KX were similar over time,
when data at all temperature were combined, it is possible that X had a slight protecting
effect against depolymerised reactions affecting K. When beverages were stored at 20 °C,
viscosity loss appeared much faster (Figure 2.9). X could only extend stability of mixture
53
during an additioned week. Changes in viscosity over time of beverage enriched K and KX
were similar at 4 °C (K: 0.14 to 0.12 Pa*s; KX: 0.27 to 0.25 Pa*s) as well as at 20 °C (K:
0.14 to 0.07 Pa*s; KX: 0.27 to 0.16 Pa*s).
Viscosity of beverage enriched with X alone and the control juice remained stable over
time at both storage temperatures; no significant differences appeared between initial
viscosity and that measured after the 16-week period (results not shown).
2.5.3.2 pH
PH beverage after four weeks of storage was significantly higher (4.25 vs. 4.16-4.18) than
at any other time. Even if statistical test found significant this 0.07 pH unit difference, in
practice, this result is barely interpretable.
2.5.3.3 Turbidity
Turbidity of all beverages except for those enriched with Bg and BgX were stable over
time. For the latter, a significant (p < 0.01) increase in turbidity was observed (Bg has more
than doubled from 76 to 175 NTU; BgX from 194 to 265 NTU) (Figure 2.10). Similarly to
viscosity data, addition of X slowed turbidity change of Bg since its increase was
significantly (p < 0.01) higher than that of BgX (increase of 130 % and 37 % for Bg and
BgX).
2.5.4 Effect of storage temperature
2.5.4.1 Viscosity
Storage temperature had no significant effect on viscosity evolution of beverages
supplemented with Bg, BgX and X over time (Figure 2.7). However, for G and GX-
enriched beverages, viscosity loss was significantly (p < 0.01) more pronounced when they
were stored at 20 °C (Figure 2.8). Addition of X stabilized G for an additional two weeks
54
(week 2 vs week 4) when stored at 20 °C, but did not provide a complete protection against
degradation reactions.
Beverages supplemented with K were the most sensitive to storage temperature. A
significant difference (p < 0.01) in viscosity between beverages stored at 4 °C and 20 °C
occurred after the first week for K beverage while for KX a significant difference was only
seen after eight weeks (Figure 2.9). Thus, X partly protected K against depolymerisation.
As observed with beverage enriched with G, K and KX beverages had a more pronounced
viscosity loss at 20 °C than at 4 °C.
For the control beverage, analyses revealed that storage temperature had a significant effect
on the viscosity change; a significant (p < 0.01) viscosity loss over time was observed at
4 °C while a significant (p < 0.01) increase was seen at 20 °C. As previously mentioned,
viscosity values were near the detection’s threshold of the equipment for the control
beverage.
2.5.4.2 pH
Beverages stored at 4 °C had a significantly higher pH value (4.20 vs 4.17) than those
stored at 20 °C but this 0.03 pH unit difference, in practice, result is not interpretable in
practice.
2.5.4.3 Turbidity
Storage temperature had no significant effect on turbidity of pasteurized beverages.
2.5.5 Molecular weight determination
Table 2.3 presents the Mw of the dietary fibers and X used. G, K and X had an estimated
molecular weight around 3 000 kDa. Those are in accordance with the literature [212-214].
As expected, K had the highest estimated molecular weight [153]. HPSEC results for Bg
revealed two dispersions (peak): the first one at 914 kDa and the other at 130 kDa.
55
2.6 Discussion
Before setting up experimental protocol, preliminary tests were conducted under laboratory
and pilot conditions to find the optimal concentration for each beverage to reach a common
viscosity of 18 Pa*s at 37 °C and 30 s-1. The viscosity values obtained under laboratory
conditions did not correspond perfectly to those reached in pilot conditions which show the
importance of processing effect (Table 2.4). This is probably due to the different shear rates
applied under both conditions. This demonstrates that laboratory results should be verified
before their use in industrial condition.
As mentioned previously, the composition of the juice base can also influence
polysaccharide viscosity. This is in accordance with recent studies which have
demonstrated that concentration of ascorbic acid, copper, iron and sugar influenced the
viscosity of oat β-glucan solutions [215, 216]. It was shown that free radicals (°OH)
produced by the interaction between ascorbic acid, or its oxidation product, and oxygen
induced a reduction of β-glucan viscosity due to a depolymerization through the Fenton
reaction:
Cu+/ Fe2+ + H2O2 → °OH + OH- + Cu2+/ Fe3+
Polysaccharides such as pectin, wellan, gellan, scleroglucan, alginate, κ-carrageenan, X,
hydroxyethylcellulose and carboxymethylcellulose are affected by free-radical
depolymerization reactions [217, 218]. Degradation kinetics varied according to their
conformations. Thus, juice composition as affected by formulation seems also crucial to
ensure technological stability of functional polysaccharides as dietary fibers.
Pseudoplastic behaviors observed with beverages enriched with G, GX, K, KX, BgX and X
are in agreement with literature [28, 153, 186, 194, 204, 219]. However, for Bg, most
studies reported a pseudoplastic profile rather than a newtonian behaviour. According to
Antilla et al. (2004), the rheological behavior of oat Bg solutions depends on concentration
and molecular dimensions (molecular weight, intrinsic viscosity) of the fiber [220];
pseudoplastic behaviour increases with concentration and molecular weight [221, 222].
56
Doublier & Wood (1995) as well as Autio et al. (1987) found that at low concentrations
(< 0.3%), oat Bg solutions with an estimated molecular weight of 1 300 and 2 000 kDa both
had a newtonian behaviour [221, 222]. At 0.5%, Gothra et al. (2009) showed that barley Bg
solution adopted a pseudoplastic profile with a Power Law index of 0.740 [204]. Thus,
since the concentration used in our study was much higher than 0.3 %, the newtonian
behaviour could be related to their lower molecular weights (130 and 900 kDa). Addition of
X increased the pseudoplastic behaviour of dietary fibers. Like Ghotra et al. (2009), X
showed the most pronounced shear-thinning profile [204]. This is due to its unique rigid,
rod-like conformation which is more responsive to shear than other random-coil
polysaccharides [223].
Heat treatment affected differently viscosity of beverages. For G, GX and X beverages, it
could be hypothesized that the pasteurization step resulted in a better hydration because a
significant increase of viscosity was observed compared with the untreated juices.
According to Kök et al. (1999), it is recognised that typically 80 % of G is soluble at room
temperature [224]. Higher temperature (80 °C) increased the solubility of G to 91 % due
more numerous intra and/or intermolecular bonds as well as hydration of some insoluble
molecules [28]. For X, temperature affects its conformation and consequently its solubility
and the resulting viscosity. When the polymer (0.3 %) is dissolved in deionised water at
low temperature (between 25 and 40 °C), an ordered conformation and low viscosity are
found while at high temperature (over 50 °C) a disordered conformation associated with
higher viscosity values is observed [225]. In presence of low levels of salt, typical of those
used in food products, the thermal transition occurs at temperature above 90 °C [212].
Thus, that could explain why pasteurized X beverage was more viscous than the untreated
one. Mix of both polysaccharides reacts similarly than polysaccharides taken separately.
Unlike G, pasteurization caused a viscosity loss for the beverage enriched in K. This is
consistent with results of Maekaji (1984) (from Nishinari et al., 1992) who had observed
that viscosity of the solution enriched in K once heated and cooled was smaller than the
initial value [153]. Author reported that this is probably due to an irreversible disruption of
hydrogen bound by heating. In the light of our results, addition of X had a protective effect
57
on the stability of K-enriched beverages viscosity. The viscosity loss of K is then probably
offset by the increased viscosity of X during the thermic treatment.
Pasteurization stabilized viscosity of beverages enriched with Bg and BgX while a
significant viscosity increase was found after the first week of storage when they were not
heat treated. The same phenomenon was observed with the turbidity. Thus, this increase
was probably the consequence of endogenous self-aggregation of Bg molecules. The
rheological profile of Bg supports this possibility as, after the first week of storage, the
behaviour changed form a newtonian to a pseudoplastic-like. Similarly Doublier and Wood
(1995) have found that when oat gum was acid-hydrolyzed, its rheological profile was
more gel-like. Hydrolyzed Bg tends to aggregate and form a three-dimensional
macromolecular network while the original one showed a typical none interacting
behaviour [222].
This tendency of Bg to aggregate was first described by Vårum et al. (1992) with low
molecular weight (sonicated) samples [226]. The self-associative tendency may be initiated
through Bg cellulose-like regions by hydrogen bounds [222]. Using light scattering and
viscosimetry on Bg extracted from beer, Grimm et al. (1995) proposed that molecular
aggregation proceeds through the formation of fringed micelles with side-to-side
aggregation of chains of estimated molecular weight around 175 kDa [227, 228].
According to Gómez et al. (1997), aggregation of barley Bg occurs both in low and high
molecular weight samples. Perhaps, upon heating, they found that structuration appeared to
be more developed at high temperatures than at room temperature [227]. That appears to be
in contradiction with ours results. However, Vaikousi and Biliaderis (2005) did not observe
this increase when they pasteurized an acidic liquid such as fruit and tomato juice enriched
in barley Bg. They rather found a viscosity loss that they attributed to an acid hydrolysis
[229]. They also reported that the effect of acid hydrolysis were more pronounced for high
molecular weight (250 kDa) isolate than for a low molecular one (140 kDa) [129].
58
Aging also seriously affected Bg and BgX beverages; their viscosity increased by two or
three folds over time. This viscosity change over time should be attributed to the fiber
behaviour in solution as well as molecular interactions between the different
polysaccharides as the viscosity of the control beverage and the X-enriched beverage
remained stable over this period of time. As mentioned previously, this behaviour is
probably due to the strengthening of polysaccharide-polysaccharide interactions which, in
the case of Bg, increases the size of aggregates (being visible to naked eye) and, in the case
of BgX, increases the strength of the network to form a semi-gel observable after eight
weeks of storage (Figures 2.11 and 2.12). Turbidity increase also supports polysaccharide-
polysaccharide aggregation. When stored at 4 °C, addition of X reduced viscosity increase
over time probably because Bg-X interactions created a network in which Bg self
aggregation is slowed. Following a study on the stability of a pasteurized orange-flavored
barley Bg beverage (0.7%) over 12 weeks, Temelli et al. (2004) did not observe an increase
in viscosity, but rather a viscosity loss [230]. This could be due to ascorbic acid content
(0.03%) which could induce depolymerisation of the fibers through the Fenton reaction as
mentioned previously. A viscosity increase as important as measured could have a sizeable
effect in our study on the physiological behaviour of Bg and it is essential to find a way to
stabilize the molecule.
When stored at 4°C, beverage enriched in K and G remained relatively stable over time. A
slight viscosity loss was observed at 16-week of storage compared to the initial viscosity.
This decrease is in accordance with the literature [153, 231, 232] and could be explained by
hydrolysis reactions. For K, Sugiyama et al. (1973) have shown that tubers of
Amorphophallus konjac contain mannanase enzymes which could hydrolyse the molecule
if they are not inhibited [233]. For G, study on its chemical stability over 250 days revealed
an obvious cleavage of the main mannan backbone [231]. Ascorbic acid breakdown should
also be considered in the viscosity loss. In both case, addition of X reduced viscosity loss.
Thus, fiber interactions with X protect the structure against depolymerising reactions. This
is in accordance with a recent work in our team on oat Bg degradation where it was shown
that the presence of X significantly delayed the viscosity loss induced by ascorbic acid over
59
time. These viscosity losses were more acceptable than the viscosity changes of Bg and
they will probably not affect the physiological behavior of the dietary fibers.
Storage temperature mainly influenced molecular reactions. Overall, when beverages were
stored at 20 °C, viscosity gain and loss are faster and greater. This is in accordance with
others studies [231, 234]. These observations could be explained by the fact that molecular
reactions are sped by temperature.
K was the most sensitive to storage temperature. Addition of X slightly delayed its
viscosity change at both temperatures while for G and Bg, it was significantly useful to
minimise the variations only at one of the two temperatures (at 4°C for BgX and 20°C for
GX). These observations show once again the importance of the Bg self-aggregation and
the temperature sensitivity of G as reported by Cheng and Prud’homme (2000) [234]. Thus,
in order to preserve fiber integrity and consequently their beneficial physiological effect, all
beverages should be refrigerated during storage.
2.7 Conclusion
Development of functional beverages may seem simple, but unfortunately, the reality is
quite different. The development of such beverages is a major technological challenge
because, in addition to sensory acceptability (taste, color, texture in the mouth), the
bioactivity of functional ingredients must be preserved during the processing treatments as
well as over storage time.
This study showed that the rheological behavior of G, K and Bg alone in a clarified apple
juice change over time. Bg was the polysaccharide that undergoes the greatest changes.
Adding X was beneficial to the fibers, particularly for K, because it slowed down the
reactions. Significant increase in viscosity of BGX beverage limits its use in beverage
formulations. Thus, only GX and KX, wiches are more stable, will be tested in vivo.
Storage of beverages at 20 °C was not desirable because changes in viscosity and turbidity
60
appeared faster than at 4 °C. Particular attention should be given to the choice of juice base
because it may influence polysaccharides viscosity induction. Antioxidant compounds
naturally present in numerous fruits and vegetables, e.g., anthocyanins, phenolic acids,
tannins and flavonoids, could also contribute to stabilizing dietary fibers.
61
Table 2.1: Composition of beverages
Beverages Abbreviation Ratio
(FPS:X) [Ref.]
[PS] total
(%, w/w)
Control C --- ---
Barley β-glucan Bg --- 1.040
Barley β-glucan/Xanthan gum BgX 80:20 [204] 1.300
Konjac-mannan K --- 0.288
Konjac-mannan/Xanthan gum KX 90:10 0.320
Guar gum G --- 0.235
Guar gum/Xanthan gum GX 50:50 [28] 0.470
Xanthan gum X --- 0.260
Legend: FPS: Functional polysaccharides; X: Xanthan gum.
62
Table 2.2: Concentration of stock solutions used for
each beverage
Stock solutions Concentration
(%, w/w)
Beverages
Barley β-glucan 2.0 Bg, BgX
Guar gum 0.8 G, GX
Konjac-mannan 0.8 K, KX
Xanthan gum 1.5 Bg, BgX
Xanthan gum 0.8 K, KX, G, GX
63
Figure 2.1: Initial rheological profile measured at 37 °C of pasteurized beverages enriched
in polysaccharides alone A) and in mixture with xanthan gum B).
64
Figure 2.2: Rheological profile measured at 37 °C of beverages pasteurized (P) or
untreated (U) in β-glucan alone A) and in mixture with xanthan gum B) at t = 0 (0) and 1
week (1).
65
Figure 2.3: Effect of pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages
enriched in β-glucan alone A) and in mixture with xanthan gum B) over time. t=0: initial
viscosity; t=1: viscosity measured after one week; *significantly different (p < 0.01) from initial viscosity.
66
Figure 2.4: Effect of the pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of
beverages enriched in guar gum alone A) and in mixture with xanthan gum B) over time.
* Significantly different (p <0.01) from pasteurized beverage.
67
Figure 2.5: Effect of the pasteurization on the viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of
beverages enriched in konjac-mannan alone A) and in mixture with xanthan gum B) over
time. * Significantly different (p <0.01) from pasteurized beverage.
68
Figure 2.6: Effect of the pasteurization on the turbidity of beverage enriched in β-glucan
alone A) and in mixture with xanthan gum B) over time. t=0: initial viscosity; t=1: viscosity after
one week; * significantly different (p <0.01) from initial turbidity.
69
Figure 2.7: Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in β-glucan alone
(open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled symboles) stored at 4 °C ( ) or
20 °C ( ) over time. * Significantly different (p < 0.01) from initial viscosity.
*
* *
*
*
*
* *
70
Figure 2.8 : Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in guar gum alone
(open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled symbols) stored at 4 °C ( ) or 20
°C ( ) over time. * Significantly different (p < 0.01) from initial viscosity; † significant differences
(p < 0.01) between 4 °C and 20 °C.
*
*
* * *
*
* *
*
† †
†
† †
†
†
71
Figure 2.9 : Viscosity measured at 37 °C 30 s-1 of beverages enriched in konjac-mannan
alone (open symbols) and in mixture with xanthan gum (filled symbols) stored at 4°C
( ) or 20°C ( ) over time. * Significantly different (p < 0.01) from initial viscosity; † significant
differences (p < 0.01) between 4 °C and 20 °C.
*
*
* *
*
*
*
*
*
† † † †
†
† †
72
Figure 2.10: Effect of time on turbidity of beverage enriched in β-glucan alone ( ) and in
mixture with xanthan gum ( ). * Significantly different (p <0.01) from initial turbidity; † significantly
different (p <0.01) from the turbidity measured after one week.
*
*
† † †
*
73
Table 2.3: Polysaccharide average molecular weight.
Polysaccharides Mw
(kDa)
Barley β-glucan Peak #1 : 914 Peak #2: 130
Guar gum 2 772
Konjac-mannan 3 087
Xanthan gum 2 776
Legend: Mw: average molecular weight
74
Table 2.4: Difference of viscosity between beverages prepared under
laboratory and pilot scale conditions.
Beverages Concentration
(%, w/w)
Viscosity at 30 s-1 37 °C
Laboratory
(± 0.005 Pa*s)
Pilot
(± 0.005 Pa*s)
BgX 1.35 0.219 0.265
GX 0.47 0.206 0.190
KX 0.33 0.189 0.216
Legend : BgX : Barley β-glucan/xanthan gum mixture; GX: guar gum/xanthan gum
mixture; KX: Konjac-mannan/xanthan gum mixture
75
Figure 2.11: Beverage enriched in β-glucan alone after
eight weeks of storage at 20 °C.
76
Figure 2.12: Beverage enriched in a mixture of
β-glucan-xanthan gum after eight weeks of storage at
20 °C.
77
Chapitre 3: Effet de la consommation de breuvages à
base de jus de fruits enrichis en fibre alimentaire et en
gomme xanthane sur les réponses glycémique et
insulinémique de même que sur les sensations d’appétit
chez des hommes en bonne santé
“Effect of fruit juice based beverages enriched with dietary fiber
and xanthan gum on the glycemic and insulinemic responses
as well as on appetite sensations in healthy men”
Émilie Paquet1,2, Simone Lemieux2* et Sylvie L. Turgeon1,2
1 STELA Dairy Research Centre and 2 Institute of Nutraceuticals and Functional
Foods (INAF), Université Laval, Québec, Qc, Canada G1K 7P4
L’objectif de ce chapitre était de vérifier l’effet de deux breuvages enrichis en fibres
alimentaires et en gomme xanthane, détenant la même viscosité, sur la réponse glycémique
et insulinémique de volontaires masculins en bonne santé comparativement à un breuvage
témoin sans polysaccharide. Les sensations de satiété ont également été recensées au
moyen d’échelles visuelles analogues. Les résultats obtenus ont permis d’émettre des
propositions quant à l’importance de la viscosité dans le mécanisme d’action des fibres
alimentaires sur la modulation de la réponse glycémique.
*Corresponding author. E-mail address: [email protected].
Tel: + 1 418 656-2131 ext.3637. Fax: +1 418 656-5877.
78
3.1 Résumé
Les fibres alimentaires sont grandement étudiées en raison de leurs nombreux attributs
santé, dont le contrôle de la réponse glycémique, de la perte de poids et de la concentration
en lipides sanguins. Leur mécanisme d’action semble étroitement lié à la viscosité induite
dans le tractus gastro-intestinal. Toutefois, la majorité des études compare l’effet des
différentes fibres selon leur concentration et non selon leur viscosité. Des travaux récents
ont rapporté un effet bénéfique sur la réponse glycémique générée après l’ingestion d’un
breuvage à base de jus de fruit enrichi en un mélange synergique de gomme xanthane (X) et
de β-glucane d’avoine détenant une viscosité de 0,18 Pa*s à 30 s-1 37 °C. Par conséquent,
l’objectif de cette étude était de déterminer si ces paramètres de viscosité appliqués à la
gomme de guar (G) et au konjac-mannane (K), deux fibres relativement stables dans le
temps et envers les procédés de transformation, en mélange avec la X (soit GX et KX),
contribuent significativement à diminuer la glycémie et l’insulinémie postprandiale de 20
sujets masculins sains. Dans un devis randomisé en chassé-croisé, chaque volontaire a
consommé, en respectant un délai d’une semaine entre chaque test, deux breuvages enrichis
en fibres (GX et KX), à viscosité égale, de même qu’un breuvage témoin sans fibre. Huit
prises de sang étaient effectuées suite à la consommation des breuvages afin de mesurer la
concentration sanguine de glucose, d’insuline et de C-peptide. Les sensations d’appétit ont
également été évaluées au moyen d’échelles visuelles analogues. L’ajout de fibres aux
niveaux choisis n’a pas réussi à diminuer significativement la réponse glycémique et
insulinémique de même que la concentration en C-peptide comparativement au témoin.
Toutefois, la consommation du breuvage KX a procuré une sensation de plénitude
significativement (p < 0,05) plus grande que celle ressentie avec le breuvage GX de même
qu’une tendance à diminuer le désir de manger comparativement à ce même breuvage. Ces
résultats démontrent que la nature de la fibre a un effet probablement plus déterminant que
la viscosité sur les sensations d’appétit. Néanmoins, d’autres études seront nécessaires pour
déterminer la viscosité et la concentration minimales bénéfiques en GX et en KX
supplémentés dans des breuvages, pour observer des effets sur la glycémie et l’insulinémie.
Mot-clé : Gomme de guar, konjac-mannan, gomme xanthane, viscosité, glycémie,
insulinémie, C-peptide, satiété.
79
3.2 Abstract
Dietary fibers are widely studied because of their numerous health attributes such as the
regulation of blood glucose response, body weight and blood lipid concentrations. Their
mechanism seems closely related to the viscosity induced in the gastrointestinal tract.
However, most studies have compared the effect of different fibers according to a given
concentration rather than to a given viscosity. Recent studies have reported a beneficial
physiological effect on glycemic response after ingestion of a fruit beverage enriched in a
synergistic blend of xanthan gum (X) and oat β-glucan holding a viscosity of 0.18 Pa*s to
30 s-1 37 °C. Therefore, the objective of this study was to determine if guar gum (G) and
konjac-mannan (K) in mixture with X (GX and KX), at this viscosity value, contribute
significantly to reduce the postprandial glucose and insulin levels of 20 healthy male
subjects. In a randomized crossover design, each volunteer had to drink two beverages
enriched with fibers (GX and KX) with a common viscosity as well as a control beverage
without fiber. One week wash-out separated the testing of each beverage. Eight blood
samples were performed to measure blood levels of glucose, insulin and C-peptide after the
consumption of each beverage. Appetite sensations were also assessed using visual
analogue scales. Adding the amount of fiber required to obtain the targeted viscosity failed
to significantly reduce blood glucose, insulin and C-peptide responses compared to the
control beverage. However, consumption of the beverage enriched with KX brought a
fullness feeling significantly (p < 0.05) higher than the one after GX beverage ingestion.
KX enriched beverage also tended to decrease the desire to eat compared to the GX
beverage. These results suggest that the nature of the fiber probably has a more important
effect than the viscosity on the modulation of satiety. Further studies will be required to
determine polysaccharide viscosity and concentration needed to obtain significant effects
on glycemic and insulinemic responses for beverage enriched in GX and KX.
Keywords: Guar gum, konjac-mannan, xanthan gum, viscosity, glycemia, insulinemia,
C-peptide, satiety.
80
3.3 Introduction
It is estimated that 47 millions of adults in the United States are affected by the metabolic
syndrome, which is a constellation of risk factors for type 2 diabetes and cardiovascular
diseases [235, 236]. According to several studies, changes in lifestyle lead to significant
improvements in markers of the metabolic syndrome and significant reduction of
cardiovascular disease and type 2 diabetes risk. Accordingly, adopting a healthy diet rich in
fibers and low in fat has been recommended [237, 238].
Dietary fibers intake can decrease postprandial glycemia and insulinemia and enhance
insulin sensitivity [61, 239]. Several studies have claimed that the effect of dietary fibers,
especially soluble fibres, on glycemic response depends on their capacity to develop
viscosity [75, 87, 88, 116, 200]. In fact, fiber viscosity would mainly act on two levels:
slowing the rate of gastric emptying and decreasing the absorption of glucose in the lumen
of small intestine [10, 239]. However, most studies have compared the effect of different
fibers as a function of their concentration and not in terms of their viscosity. Study of Wood
(2004) is one of the first to establish a relationship between viscosity induced by a
polysaccharide (oat β-glucan) and the glycemic response. According to his work, β-glucan
must induce a viscosity at 30 s-1 (shear rate representing the hypothetical peristaltic
movements of the gastro-intestinal) between 0.1 and 1 Pa*s in order to decrease the blood
glucose concentration by 0.3 mmol/L after an ingestion of 50 g glucose [11]. Specifically,
Paquin (2008) showed that a fruit juice beverage enriched with a mixture of oat β-glucan
and xanthan gum holding a viscosity of 0.18 Pa*s at 30 s-1 (viscosity at the limit of
acceptability by the consumer) was able to significantly reduce the peak in postprandial
blood glucose by 0.9 mmol/L [205]. Since these effects were based on β-glucan, it is
unclear whether the same viscosity would be valid for other functional polysaccharides.
It has also been proposed that the viscosity of dietary fibers would promote satiety and
would facilitate body weight control [61, 72, 240, 241]. In fact, the increase of chyme
viscosity in the gut by soluble dietary fibers would promote gastric distension, slow down
the gastric emptying time and prolong the small intestine transit time, which may increase
81
satiety and satiation after meals by mediating signals to the central nervous system [114].
These reactions would also slow down the absorption rate of macronutrients and
consequently affect the secretion of hunger-related hormones such as cholecystokinin
(CCK), glucagon-like peptide-1 (GLP-1), and peptide YY (PYY) [241]. Again, previous
studies on the effects of fibers on appetite sensations were mainly based on different fibers
at the same concentration rather than different fibers at the same viscosity.
In light of previous works, guar gum and konjac-mannan are dietary fibers known to
attenuate both blood glucose and insulin responses [76, 122, 201, 202] and promote satiety
[6, 201, 242]. Considering that fruit based beverages represent a good vector to deliver
dietary fibers, the aim of this study was to determine if a fruit juice beverage enriched in a
mixture polysaccharide (guar gum or konjac-mannan) and xanthan gum with a viscosity of
0.18 Pa*s, 30 s-1 at 37 °C would significantly decrease postprandial glycemia and
insulinemia in healthy subjects. The effect of these fruit beverages on appetite sensations
was also tested.
3.4 Material and methods
3.4.1 Material
Two readily available commercial dietary fibers were used: guar gum (TIC Pretested®
GuarNT® Flavor Free 4000, TIC GUMS, Philadelphia, MD, USA) and konjac-mannan
(TIC Pretested® Ticagel® Konjac High Viscosity, TIC GUMS, Philadelphia, MD, USA).
Binary mixtures of polysaccharides were performed in combination with xanthan gum (TIC
Pretested® Ticaxan®, TIC GUMS, Philadelphia, MD, USA), because, as mentioned
previously, the latter acts in synergy with guar gum and konjac-mannan. As previously
determined by HPSEC-MALLS (see chapter 2), polysaccharides average molecular weight
was 2 772 kDa for guar gum, 2 087 kDa for konjac-mannan and 2 776 kDa for xanthan
gum. Fibers were incorporated into a clarified apple juice concentrate kindly donated by
Industries Lassonde, Rougemont, QC, Canada to which water was added to formulate the
82
beverage. Apple juice has been chosen as its clarity facilitates the observation of
destabilization phenomena (formation of a precipitate, color change, opalescence).
3.4.2 Beverage formulation
Three beverages (two enriched in dietary fibers and xanthan gum and one control beverage
without polysaccharide) were formulated to be tested. Table 3.1 presents the composition
of each beverage. As mentioned in chapter 2, ratio and final concentration of
polysaccharides have been chosen in order to have a similar target viscosity of 0.18 Pa*s at
37 °C (related to body temperature), 30 s-1 (related to the hypothetic shear rate in gastro-
intestinal tract [11]). The viscosity setting has been based according to previous work that
showed that beverages enriched in polysaccharides under those conditions had a significant
effect on glycemic response and also preserved acceptable organoleptic characteristics
[205]. One batch of each beverage was prepared to avoid variations in physico-chemical
properties.
3.4.3 Beverage preparation
First, 0.8 % (w/w) stock solutions of each polysaccharide were prepared. Konjac-mannan,
guar gum and xanthan gum were dissolved in deionized water at room temperature using an
axial flow impeller (A-100, Cole-Parmer, Vernon Hills, IL, USA; diameter of 69 mm, pitch
of 38 mm) at 1500 rpm (konjac-mannan and guar gum) or 600 rpm (xanthan gum) for two
hours. After hydration, stock solutions were stored at 4 ± 2 °C overnight (~18 hours). The
following day, polysaccharides, concentrated juice and water were blended and stirred at
1200 rpm with a four inches three palm helix paddle (EVIP25M, Lightnin Mixers &
Aerators, Richester, NY, USA) during 15 minutes at room temperature to homogenize the
mixture. Beverages were pasteurized using a tubular heat exchanger (UHT/HTST Lab-25
HV, MicroThermic Inc., Raleigh, NC, USA) at 97 ± 1 °C during 30 seconds, cooled at
21 ± 1 °C for beverages enriched in fibers and 10 ± 1 °C for the control beverage and then
bottled in 300 mL poly(ethylene terephthalate) (PET) bottles. After this process, beverages
were stored in a refrigerator at 4 ± 2 °C.
83
3.4.5 Beverage physico-chemical analysis
Viscosity and pH measurement of beverages were performed every week (for 7 weeks)
until the end of the clinical study to verify whether some changes would occur over time.
Rheological measurement was performed at 37 ± 1 °C (body temperature) with a shear-rate
controlled rheometer (ARES-100FRT, TA Instruments, New Castle, DE, USA) equipped
with a couette-type sensor (couette diameter of 33.93 mm, bob diameter and length of
32.05 mm and 33.29 mm). TA Orchestrator v7.2.0.2 (TA Instruments-Water LLC, New
Castle, DE, USA) was used. Shear-rate range explored for the complete profile was from
0.03 up to 1000 s-1 and a specific attention was given at 30 s-1 (as mentioned previously).
pH evaluation was done with a pH-meter (pH-meter Smphony SB20, VWR®, West
Chester, PA, USA). Total glucose concentration for each beverage was also determined
using an enzymatic kit (Sucrose/D-Glucose/D-Fructose UV Method, R-Biopharm Inc.,
South Marshall, MI, USA).
3.4.6 Subjects and design
Twenty healthy non-smoker men aged from 20 to 55 years old were recruited. All subjects
went through a screening test to validate their eligibility. Table 3.2 presents average
concentration of HDL-cholesterol, LDL-cholesterol, total cholesterol to HDL-cholesterol
ratio, triglycerides and glucose measured in the fasting state (12 hours overnight fast). The
study was approved by the Research Ethics Committee of Université Laval. Informed
written consent was obtained from all participants. Subjects received a financial
compensation if they completed the study.
The study followed a randomized crossover design. Volunteers came three times, with at
least one week in between, to the Clinical Investigation Unit of the Institut des
Nutraceutiques et des Aliments Fonctionnels (INAF) to drink 300 mL of one of the three
different beverages. Subjects had to fast 12 hours overnight and to avoid alcohol intake and
strenuous physical training for 48 hours before testing. The sequence of beverage intake
was randomized for each subjects using a Microsoft Excel 2007 application. Before each
84
test, body weight was measured to the nearest 0.1 kg on a calibrated balance to verify the
stability of body weight.
Blood samples through a venous catheter from an antecubital vein were collected in SST
plastic tubes with silica clot activator, polymer gel and silicone-coated interior (SST™
Tube, BD Vacutainer® Blood Collection Tube, Becton Dickinison, Franklin Lakes, NJ,
USA) at -15, 0, 30, 60, 90, 120, 150 and 180 minutes after beverage intake. Samples were
then centrifuged and serum was transferred into screw cap micro tube (0.5 mL screw cap
micro tube, Sarstedt Inc., Montréal, QC, Canada) for determination of glucose, insulin and
C-peptide concentration. Glycaemia was measured using an enzymatic kit (Gluco-quant;
Glucose/HK, Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Germany) while insulin and C-peptide
concentrations were determined by an immunologic test using electrochemiluminescence
(ECLIA) (Elecsys Insulin or C-peptide, Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Germany).
The latter analysis uses two monoclonal antibodies which interaction is specific for human
insulin or C-peptide.
The time to peak (PEAK), the incremental peak (DIFF) and the incremental area under the
curve (AUC0-180 min) were evaluated for each variable. PEAK corresponds to the time at
which concentration of glucose, insulin or C-peptide was found to be maximal. DIFF
evaluates the difference between concentration at peak and the concentration in the fasting
state. AUC0-180 min was determined with the trapezoidal method. Glucose, insulin and
C-peptide AUC0-180 min were calculated by subtracting the fasting area (fasting level over
180 min) from the total area under the curve.
Appetite sensations were also evaluated by visual analogous scales (VAS) at -15, 0, 30, 60,
90, 120, 150 and 180 min. Protocol was adapted from Hill & Blundell (1986) [243]. Four
questions composed the VAS questionnaire:
• How strong is your desire to eat? (very weak / very strong);
• How hungry do you feel? (not hungry at all / as hungry as I have ever felt);
85
• How full do you feel? (not full at all / very full);
• How much food do you think you could eat? (nothing at all / a large amount).
The same four questions were asked after each blood sampling. In addition, the sensorial
appreciation of the beverage was assessed immediately after consumption of the beverage
using the following question:
• To which extent have you liked the beverage? (very much /not at all)
For each question, subjects were asked to position a vertical line on the 150 mm scale to
indicate their perception. Data compilation was performed by measuring the distance
between the lower bound and the line drawn. The appetite score which characterises the
overall subjective appetite using following formula was also measured at each time point.
Appetite score = VAS hunger + VAS desire to eat + VAS prospective consumption + (150 –VAS fullness) [244]
4
The time to peak (PEAK) and the incremental area under the curve (AUC0-180 min) were also
measured as described above for all appetite sensations. Moreover, the time elapsed before
going back to the baseline value (TBAS) which indicates the time spent over the baseline
for fullness and below the baseline for desire to eat, hunger and prospective food
consumption was also determined.
3.4.7 Statistical analyses
All statistical analyses were performed using SAS v9.2 (SAS Institute Inc., Cary, NC,
USA). For pH and viscosity analyses, the assumptions of normality were verified with the
Shapiro-Wilk's test, while the homogeneity of variances was verified with the Bartlett's chi-
square statistic. The inference was made at the α = 0.01 level of significance because of the
86
high power of the statistical tests and because there are many factors involved in the
experiment. Repeated measures Anova model was used on both pH and viscosity data, with
time of measurements (weeks) as a covariate. This model allows studying the presence of a
gradient in the measurements in any particular juice. The logarithmic transformation was
applied to the viscosity’s data in order to satisfy the assumptions of the model while for the
pH values, no transformation was needed.
For glycemic and insulinemic responses as well as for appetite sensations, data were
expressed as mean ± standard error of the mean (S.E.M.) for data presented in figures or
standard deviation of the mean (S.D.) for data presented in tables. Statistical significance
was also evaluated with a repeated measurement Anova model. A Turkey-Kramer’s
multiple comparisons test was performed when a main group effect was found with Anova.
The inference was made at the α = 0.05 level of significance. Appendice C presents Anova
tables for each performed test.
3.5 Results
3.5.1 Viscosity, pH and sugar concentration
Baseline viscosity values of the two enriched beverages were identical (Figure 3.1).
However, when calculating the mean of viscosity for values measured over the 7-week
period a significant difference (p < 0.01) was observed. In fact, mean viscosity of the KX
beverage was slightly but significantly higher than the GX beverage (0.190 vs. 0.178 Pa*s)
(Table 3.3). A significant (p < 0.01) juice effect was also seen with the mean pH values;
KX and control beverages had lower pH values than the GX beverage (4.26 and 4.32
respectively vs. 4.20) (Table 3.3). Enzymatic test revealed that all beverages contained
8.7 ± 0.5 g of glucose (29 ± 1 g of total sugar) by 300 mL serving.
87
3.5.2 Serum glucose, insulin and C-peptide concentrations
Fasting concentration of blood glucose, insulin and C-peptide concentration did not differ
significantly according to the beverage studied (Table 3.4). As it can be seen in figures 3.2
to 3.4, no significant difference in postprandial response were found between the three
beverages resulting in similar AUC0-180 min for glucose, insulin and C-peptide. Only
C-peptide concentration at 30 minutes was significantly (p < 0.05) lower for the KX
beverage than for the control beverage (Figure 3.4). Furthermore, no significant difference
in PEAK and DIFF were observed between beverages (Table 3.4). However, it was found
that ingestion of the KX-enriched beverage tends to result in higher serum insulin
concentration at 60 minutes than the ingestion of the two other beverages (p = 0.083) and
PEAK for insulin value for the KX-enriched beverage tended to be higher than the PEAK
insulin value measured following the ingestion of the GX beverage (p = 0.073).
3.5.3 Appetite sensations
The control juice was significantly more appreciated than KX and GX beverage whereas no
significant difference was observed between KX and GX-enriched beverages (GX: 52%
KX: 49%) (Figure 3.5).
Figures 3.6 to 3.9 represent the mean response to the four appetite sensations. As shown in
Figures 3.7 and 3.9, no significant difference was found between the three beverages for
hunger and prospective food consumption. Ingestion of beverage enriched in KX was
characterized by a feeling of fullness that was significantly (p < 0.05) greater than the one
experienced following the ingestion of the GX beverage (AUC0-180 min: -1 vs. 287) (Figure
3.8). However, fullness perceived after the ingestion of GX and KX beverages was not
significantly different from the fullness perceived after ingestion of the control beverage.
Moreover, it was observed that TBAS for the desire to eat following KX beverages intake
was significantly (p < 0.05) higher than the value measured following the ingestion of the
control beverage. Also, AUC0-180 min in desire to eat of GX beverage tended (p =0.065) to be
88
lower than AUC0-180 min for KX beverage (Figure 3.6) while no significant difference was
found when either enriched beverage was compared to the control beverage.
The overall subjective appetite score is presented in Figure 3.10. Analyses were performed
with pre-ingestion value (t = -15 min) entered as a covariate. For most of the time points
(except at 0, 30 and 120 min), the KX-enriched beverage provided a subjective feeling of
overall appetite significantly lower than the GX and, at 30 minutes, than the control
beverage. At 180 min, the overall subjective appetite score was significantly lower for KX-
enriched beverage than for both GX-enriched beverage and control beverage.
PEAK for all appetite sensations did not differ significantly according to the beverage
studied (Table 3.5).
3.6 Discussion
This study was the first to report the effects of dietary fibers in mixture with xanthan gum
holding a commun viscosity at 30 s-1 on glycemic and insulinemic responses as well as on
appetite sensations. Our results showed that fruit beverages enriched with either GX or KX
with a viscosity of 0.18 Pa*s at 30 s-1 37 °C had globally no significant effect on
postprandial glucose, insulin or C-peptide concentrations. Despite the absence of
significant effects on variables related to glucose homeostasis, beverage enriched in KX
had significant effects on appetite sensations as it was associated with higher fullness and
tended to lower the desire to eat.
Our results regarding postprandial glycemia are discordant from those obtained by Paquin
(2008) [205] who showed that a pasteurized fruit beverage enriched with a mixture of oat
β-glucan and xanthan gum sharing the same viscosity than the one obtained in our study,
under the same conditions, reduced significantly the peak of blood glucose generated after
ingestion of the enriched beverage. This suggests that all polysaccharide and
polysaccharide mixes do not physiologically behave the same at a given viscosity. It can
89
also be suggested that viscosity changes during digestion are not the same for all types of
fibres or fibre mixtures.
In line with this, study of Edwards et al. (1987) reported that the polysaccharide mixture
(locust bean gum in combination with xanthan gum) which induced the greatest viscosity
into a glucose drink did not reduce blood glucose and insulin levels to any greater extent
than the other polysaccharides (generating less viscosity) although the mix was the most
effective at inhibiting glucose movement across a three-compartment cell model [22].
Authors suggested that this discrepancy was probably due to the change in viscous
properties as polysaccharides passed from mouth to duodenum. In fact, being indigestible,
dietary fibers cannot be degraded by human enzymes. However, pH and salt concentration
can mainly influence their structure and consequently induce viscosity. In an in vitro study,
Edward et al. (1987) have demonstrated that acidification of xanthan gum alone slightly
increased solution viscosity by 38% while viscosity of locust bean gum decreased by 25%
[22]. Change in viscosity of the mix of both gums was greater with a significant 87%
viscosity loss. However, other studies reported increases in viscosity of dietary fibers
solution upon acidification [85, 245]. This discrepancy in viscosity changes in response to
pH decreases might be due to various factors like dilution factor, salt concentration and pH
differing from one study to another. Furthermore, the subsequent neutralization occurring
in intestine did not allow viscosity to reach high values again [22]. Therefore dietary fibers
may react differently to pH changes depending on their nature and the presence of other
polysaccharides.
Secondly, it seems that despite the increase in apparent viscosity of human gastric contents
after ingestion of a high consistency food, increasing viscosity of the chyme would not be
proportional. In fact, Marciani et al. (2000) have shown by echo-planar magnetic resonance
imaging in humans that increasing viscosity 1000 times slows gastric emptying time only
by 1.3 times [83]. This low response was probably due to significant increase in gastric
secretions happening in order to reduce the gastric emptying time [84, 85]. In fact the more
viscous is the food, the more important is the volume of gastric secretions [83, 86].
90
Therefore, all those studies suggest that viscosity is not the only factor that impact on
glycemia; nature of the polysaccharide also influences postprandial glycemic response.
In line with this, study on mice under controlled diet showed that consumption of 4%
barley β-glucan promoted insulin sensitivity and improved glucose tolerance [246]. In fact,
barley β-glucan would interact with insulin receptor increasing insulin signalling and likely
suppress glucose production. Since the postprandial plasma insulin levels were essentially
unchanged, this finding suggested an increased responsiveness to insulin. According to
Choi et al. (2010), these beneficial effects could be the consequence of several mechanisms
acting in parallel achieved by reducing de novo lipid synthesis, decreasing lipid storage and
improving insulin signalling in hepatic tissues [246]. Thus, this study puts in perspective
the importance of fiber structure in the mechanism of action on glycemic response rather
than viscosity per se in the gastrointestinal tract.
The concentrations of dietary fibers used in our study could also have had an impact on the
glycemic and insulinemic responses observed. Compared with our results, significant
changes in postprandial glucose concentrations were reported in many studies which have
examined the effects of konjac-mannan and guar gum consumption [76, 122, 142, 152,
163]. This discrepancy is probably due to the fact that, the majority of studies
demonstrating that konjac-mannan and guar gum significantly reduced glycemic and / or
insulin responses involved ingestion of 1 g or more of dietary fibers [82, 202]. Although the
viscosity reached in our beverage was in the range known to have beneficial effects on
glycemic responses [11, 205], the dietary fibers concentrations (0.22% for guar gum and
0.26% for konjac-mannan) incorporated in the beverages were lower than those recognized
in literature to promote a beneficial physiological effect. However, assessment of the
beverages indicated that organoleptic quality of the beverages enriched with dietary fiber
was found to be at the lower threshold of acceptability. Though, in regard to a potential
commercialization of fiber-enriched beverages, quantity of polysaccharides added cannot
be higher and ideally should be lower than what was found in our enriched beverages.
91
In our study, we used xanthan gum for its synergy with konjac-mannan and guar gum in
our enriched beverages. Since we hypothesized that viscosity was the critical aspect to
control for inducing changes in glycemic and insulinemic responses, addition of xanthan
gum to our mixture was a logical choice. In fact, xanthan gum is widely recognized for its
high stability in presence of salt and over a broad range of pH value [194] and was
therefore chosen to help preserve and stabilize viscosity induced in our enriched beverages.
However, since results of the present study suggest that viscosity is not the sole factor
involved in the regulation of glycemia and insulinemia and considering the hypothesis that
the nature of dietary fibre is also an important factor to consider, it is possible that the
structure of xanthan gum might have impede the effects of KX or GX on glycemic control.
Accordingly, it is interesting to note that effects of xanthan gum alone on glucose
homeostasis are inconsistent. In fact, Eastwood et al. (1987), showed that a daily intake of
either 10.4 or 12.9 g of xanthan gum during 23 consecutive days had no significant effect
on glucose tolerance and insulin secretion [247]. However, a study on healthy subject
showed that a simple dose of 2.5 g of xanthan gum improve significantly glucose tolerance
and reduced insulinemic response [22]. Further studies will be needed to verify whether
xanthan can interact with konjac-mannan and guar gum to reduce their potential beneficial
effects on glycemic and insulinemic responses.
Although no acute effect on the modulation of blood glucose and plasma insulin response
was observed, our study showed that consumption of beverages rich in dietary fibers may
have a significant effect on food intake. In fact, results from the measurement of appetite
sensations and appetite score showed that KX beverage globally decreased appetite more
than the control and than the GX beverages. The satiety effect of konjac-mannan is in
accordance with several other studies [15, 152, 242, 248]. Potentially, that could have some
repercussions on the regulation of energy balance and therefore body weight. Given that
weight loss can improve insulin sensitivity [249], dietary fibers acting on satiety could, in
the long term, impact on glycemic and insulinemic control through the regulation of energy
balance [72, 75].
92
It is somewhat surprising that guar gum had no effect on satiety compared to the control
beverage since a number of studies have showed opposite data [6, 114, 250]. This
discordance may be due to the use of deodorized guar gum in our study and/or the lower
concentration of polysaccharide (below 1g). Original guar gum has a poor palatability
which limits its practical use especially in beverage and liquid meals [251]. In humans there
are several factors that influence food intake such as sensory factors. For example,
appearance, taste, smell and texture of food have all been demonstrated to impact on food
intake [252]. Food consumption is favoured if the product is palatable, but it decreases if
the sensation is unpleasant [253]. Thus, the usually poor palatability of guar gum could
explain its impact on satiety in previous studies. Moreover, beverages enriched in KX were
slightly but significantly more viscous than the GX. Although this difference had no
significant effect on blood glucose and insulin responses, it was noticed by participants
when they drank the beverage. This increase in perceived viscosity could also have
influenced appetite sensation associated with KX beverage. Moreover, to our knowledge,
no study has yet reported effects of xanthan gum on appetite sensations.
3.7 Conclusion
Results from our study suggest that for the same viscosity measured, the satiety effects
depend on the fibres ingested with KX enriched beverage globally decreasing the subjective
appetite sensations compared to GX and control beverage Our results along with other
published papers suggest that viscosity cannot be the only factor influencing blood glucose
and insulin concentrations. In the future, it would be interesting to evaluate, in vitro, the
impact of the same mixes of polysaccharides on gene expression involved in glucose and
insulin pathway. Moreover, to achieve a better evaluation of the impact of dietary fibers on
the satiety, a study measuring energy intake of volunteers during a buffet meal following
the beverage consumption could be realized.
93
Table 3.1: Composition of beverages
Beverages Abbreviation Ratio
(PS:X) [Ref.]
[PS] total
(%, w/w)
[Fiber]
(%, w/w)
[X]
(%, w/w)
Control C --- --- --- ---
Konjac-Xanthan KX 90:10 0.290 0.261 0.029
Guar-Xanthan GX 50:50 [28] 0.440 0.220 0.220
Legend: PS: Functional polysaccharide (dietary fibers); X: xanthan gum.
94
Table 3.2: Subject’s characteristics
Characteristics Values a
Age (years) 28 ± 7
Height (cm) 177.1 ± 7.8
Weight (kg) 76.7 ± 14.0
BMI (kg/m2) 24.4 ± 4.0
LDL-cholesterol (mmol/L) 2.62 ± 0.78
HDL-cholesterol (mmol/L) 1.31 ± 0.25
Total cholesterol /HDL-cholesterol (mmol/L) 3.44 ± 0.94
Triglycerides (mmol/L) 0.98 ± 0.46
Fasting glycaemia (mmol/L) 5.14 ± 0.36 a:
Mean ± S.D.; n = 20
Legend: BMI: Body mass index; LDL: Low-density lipoprotein;
HDL: High-density lipoprotein
95
Figure 3.1: Viscosity at 37 °C 30 s-1 of the three different beverages measured weekly
during the study. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum
mixture.
96
Table 3.3: Mean viscosity and pH value of beverages measured
weekly over a 7-week period. a
Beverages Viscosity at 30 s-1 37 °C
(m Pa*s) pH
Control a 0.90 ± 0.03 a 4.32 ± 0.06
GX b 178 ± 2 b 4.20 ± 0.02
KX c 190 ± 4 a 4.26 ± 0.03
a: Data are presented as mean ± S.D.
Legend: GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan –
xanthan gum mixture; Values with the same letter are not significantly
different at p < 0.01.
97
Table 3.4: Effect of beverages enriched with dietary fibers on the time to peak (PEAK) and
the increment blood glucose concentration between 0 and 30 minutes (DIFF) for the blood
glucose, insulin and C-peptide concentrations. a
PEAK (min) DIFF (mmol/L)
Control GX KX Control GX KX
[Blood glucose] (mmol/L) 33 ± 9 32 ± 7 30 ± 0 1.9 ± 0.6 1.8 ± 0.7 1.7 ± 0.4
[Blood insulin] (pmol/L) 38 ± 13 32 ± 7 39 ± 14 †
[Blood C-peptide] (pmol/L) 39 ± 14 41 ± 18 44 ± 15
a: Data are presented as mean ± S.D.
Legend: GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture; AUC0-180 min:
response; PEAK: time at which concentration of the variable was found to be maximal; DIFF: difference
between the blood glucose concentration at 0 and 30 minutes; † tendency to be different from the GX
beverage (p = 0.073).
98
Figure 3.2: Incremental changes from baseline in serum glucose concentration after
ingestion of the three different beverages enriched or not with polysaccharides. GX: guar gum
– xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture; AUC0-180 min: incremental area under the
curve. Data are presented as mean ± S.E.M.
99
Figure 3.3: Incremental changes from baseline in serum insulin concentration after
ingestion of the three different beverages enriched or not with polysaccharides. GX: guar gum
– xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture; AUC0-180 min: incremental area under the
curve. †: tendency for a group effect (p = 0.083). Data are presented as mean ± S.E.M.
100
Figure 3.4: Incremental changes from baseline in serum C-peptide concentration after
ingestion of the three different beverages enriched or not with polysaccharides. GX: guar gum
– xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture; AUC0-180 min: incremental area under the
curve. * Significantly different between the control and the KX beverage (p < 0.05). Data are presented as
mean ± S.E.M.
101
Figure 3.5: Mean appreciation of the three beverages: like
the beverage very much (100 %); not at all (0 %). GX: guar
gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum
mixture; **: significantly different from control (p <0.01). Data are
presented as mean ± S.E.M.
102
Figure 3.6: Change in desire to eat as assessed by visual analogous scales, before and after
consumption of beverages. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum
mixture; AUC0-180 min: incremental area under the curve. †: tendency to be different from the GX beverage
(p = 0.065). Data are presented as mean ± S.E.M.
103
Figure 3.7: Change in perception of hunger as assessed by visual analogous scales, before
and after consumption of beverages. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan –
xanthan gum mixture: AUC0-180 min: incremental area under the curve. Data are presented as mean ± S.E.M.
104
Figure 3.8: Change in perception of fullness as assessed by visual analogous scales, before
and after consumption of beverages. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan –
xanthan gum mixture; AUC0-180 min: incremental area under the curve. *: significantly different from the GX
beverage (p < 0.05). Data are presented as mean ± S.E.M.
105
Figure 3.9: Change in prospective of food consumption as assessed by visual analogous
scales, before and after consumption of beverages. GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX:
konjac-mannan – xanthan gum mixture; AUC0-180 min: incremental area under the curve. Data are presented as
mean ± S.E.M.
106
Table 3.5: Effect of beverages enriched with polysaccharide on the time to peak, area above the baseline and incremental area
under the curve as well as each sample time on the appetite sensations compared to the control juice. a
Desire to eat Hunger Fullness Prospective of
food consumption
Control GX KX Control GX KX Control GX KX Control GX KX
PEAK 35 ± 47 13 ± 33 26 ± 34 38 ± 54 21 ± 40 39 ± 45 48 ± 56 17 ± 33 35 ± 34 37 ± 53 17 ± 33 18 ± 34
TBAS 41 ± 74 52 ± 68 86 ± 69 * 38 ± 59 53 ± 74 65 ± 78 77 ± 71 77 ± 71 96 ± 77 62 ± 81 46 ± 66 48 ± 72
a: Data are presented as mean ± S.D.
Legend: GX: guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture; PEAK: time at which perception of the variable
was found to be maximal; TBAS: time elapsed before going back to the baseline value; *: significantly different from the control beverage
(p <0.05).
Figure 3.10: Comparison of appetite score profiles between the three beverages. GX:
guar gum – xanthan gum mixture; KX: konjac-mannan – xanthan gum mixture. Data are presented as
mean ± S.E.M. Analyses were performed on data adjusted for baseline value. *: significantly different
between the KX beverage and the GX beverage (p < 0.05); **: significantly different between the control
and the KX beverage (p < 0.01); +: significantly different between the KX beverage and the others
beverages (p < 0.05).
*
+
* **
*
108
Conclusion générale et perspectives
Le but de ce projet de recherche était d’étudier la stabilité des fibres alimentaires seules et
en mélange dans un breuvage à base de jus de fruits pasteurisé de même qu’à comprendre
leur effet sur les réponses glycémique et insulinémique chez des sujets normaux. La
première hypothèse qui a été émise était que la viscosité induite par un mélange binaire de
fibres alimentaires et de gomme xanthane est plus stable aux traitements technologiques
subis par les jus de fruits comparativement à la viscosité induite par les fibres seules.
L’objectif de cette partie était donc d’étudier la stabilité à la pasteurisation et aux conditions
d’entreposage du comportement rhéologique des fibres alimentaires seules et en mélange
avec la gomme xanthane dans un jus de fruits.
Suite aux résultats obtenus, cette première hypothèse n’a été que partiellement confirmée.
En fait, nos travaux sont les premiers à montrer que l’efficacité de la gomme xanthane à
stabiliser les fibres alimentaires lors des traitements technologiques et dans le temps varie
en fonction de la nature de la fibre utilisée. Notre étude est également une des premières à
démontrer et à comparer sur une longue période (4 mois) l’effet des conditions
d’entreposage et du temps, sur la viscosité des breuvages à base de jus de fruits traités
thermiquement enrichis avec trois différentes fibres alimentaires seules et en mélange avec
la gomme xanthane.
Les résultats obtenus, dans cette partie du travail, montrent la possibilité d’utiliser la
gomme xanthane pour mieux contrôler la fonctionnalité des fibres alimentaires lors de leur
incorporation dans un aliment. Ils démontrent également l’importance de l’étape de
formulation dans le processus de développement d’un breuvage fonctionnel, car le
comportement des fibres alimentaire suite aux traitements technologiques et dans le temps
varie d’un type de fibre à l’autre. Nos résultats démontrent d’autant plus aux industriels
109
l’importance d’anticiper les points critiques pouvant affecter l’action biologique des
ingrédients bioactifs, lorsqu’incorporés à un breuvage à base de fruits.
Bien que trois des principaux facteurs pouvant influencer la stabilité des fibres alimentaire
lorsqu’incorporés à un aliment liquide en milieu acide aient été étudiés dans ce projet (la
pasteurisation, la température et le temps d’entreposage), il aurait également été intéressant
de vérifier l’effet de la composition de la matrice alimentaire sur la bioactivité des fibres
alimentaires. En ce sens, la présence d’antinutriments (ex. les tannins et les phytates) ou
encore la vitamine C, l’acidité titrable, le pH, la concentration en sels et en sucre peuvent
également provoquer des changements de conformation et de structure au sein de la
molécule et ainsi diminuer son efficacité ou sa biodisponibilité.
La deuxième hypothèse qui a été émise était que les breuvages à base de jus de fruits
enrichis en un mélange binaire de fibres alimentaires et de gomme xanthane détenant une
viscosité de 0,18 Pa*s, à 30 s-1 à 37 °C diminuent significativement la glycémie
postprandiale in vivo. L’objectif spécifique de cette partie était d’évaluer cliniquement
l’effet des fibres alimentaires en mélange avec la gomme xanthane sur les réponses
glycémique et insulinémique de même que sur les sensations d’appétit de 20 sujets
masculins en bonne santé.
Cette deuxième hypothèse a été infirmée. Nos résultats, en relief avec ceux de l’étude sur la
consommation d’un jus de fruits enrichi en β-glucane d’avoine et en gomme xanthane
détenant une viscosité identique à celle nos breuvages, ont permis de mettre de l’avant une
nouvelle hypothèse quant au mécanisme d’action des fibres alimentaires sur les réponses
glycémique et insulinémique. Cette nouvelle hypothèse voudrait que la nature de la fibre
alimentaire en mélange avec la gomme xanthane ait un effet plus déterminant sur la
modulation de la glycémie et de l’insulinémie que la viscosité lors de leur incorporation
dans un breuvage à base jus de fruits. Ce travail a ainsi permis d’élargir les connaissances
sur l’importance de la viscosité induite par les fibres alimentaires sur le contrôle des
110
réponses glycémique et insulinémique. Il a également permis de démontrer que tous les
facteurs impliqués dans la modulation de la glycémie et de l’insulinémie ne sont pas encore
tous bien connus. D’autres études, à plus large spectre, seront ainsi nécessaires afin de
valider tous les mécanismes d’action impliqués dans ce contrôle.
Par ailleurs, les résultats des échelles visuelles analogues ont démontré que, pour une même
viscosité, les sensations d’appétit ressenties varient selon la nature de la fibre alimentaire en
mélange avec la gomme xanthane. En fait, une amélioration des sensations d’appétit
favorisant la satiété a été observée que pour un des deux breuvages enrichis en fibres
alimentaires (soit celui supplémenté en konjac-mannane et en gomme xanthane). Des
résultats encore plus objectifs auraient pu être obtenus si un buffet avait été mis à la
disposition des participants, après le test, et que la quantité de nourriture qu’ils auraient
ingérée avait été mesurée. Également, il aurait été intéressant de vérifier l’effet chronique
de la consommation de breuvages enrichis en fibres alimentaires à long terme sur la
glycémie et l’insulinémie, car la satiété, la prise alimentaire, le contrôle du poids et la
réponse glycémique sont tous interreliés.
Enfin, en plus de permettre l’avancement des connaissances dans le domaine de
l’enrichissement des aliments et breuvages par des composés d’intérêt nutritionnel, cette
étude démontre bien les réalités du développement d’un breuvage fonctionnel. Même si
cela peut paraître un jeu d’enfant, le développement de tels produits s’avère un réel défi
technologique, car en plus de devoir être acceptable d’un point de vue organoleptique
(goût, couleur, texture en bouche), les ingrédients fonctionnels doivent être conservés sous
forme active durant les étapes de la transformation (hydratation, homogénéisation,
pompage, traitement thermique, emballage) de même que durant toute la durée de vie du
produit (jusqu’à sa consommation). À l’aide de ces résultats issus de procédés à échelle
industrielle, les compagnies agroalimentaires se trouvent ainsi mieux outillées pour offrir à
la population des produits pouvant améliorer leur santé et leur mieux-être.
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Appendice A. Exemples d’aliments à index glycémique
bas, moyen et élevé
Tableau A : Index glycémique de quelques aliments selon l’Association Canadienne du
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Clin. Nutr., 76:5-56.
IG Bas (≤ 55) * †
à consommer le plus
souvent
IG moyen (56-69) * †
à consommer souvent
IG élevé (≥70) * †
à consommer moins
souvent
PAINS :
Grains entiers broyés à la
meule
Grains mélangés lourds
Pumpernickel
PAINS :
Blé entier
Seigle
Pita
PAINS :
Pain, blanc
Petit pain kaiser
Bagel, blanc
CÉRÉALES :
All BranMC
Bran Buds with PsylliumMC
Gruau
Son d’avoine
CÉRÉALES :
GrapenutsMC
Shredded WheatMC
Gruau à cuisson rapide
CÉRÉALES :
Flocons de son
Flocons de maïs
Rice KrispiesMC
CheeriosMC
GRAINS :
Riz étuvé ou précuit
Orge
Bulgare
Pâtes/Nouilles
GRAINS :
Riz basmati
Riz brun
Couscous
GRAINS :
Riz à grains ronds
AUTRES :
Patate douce
Igname
Légumineuses
Lentilles
Pois chiches
Haricots
Pois cassés
Fèves de soya
Fèves au four
AUTRES :
Pomme de terre,
nouvelle/blanche
Maïs sucré
Maïs soufflé
Stoned Wheat ThinsMC
RyvitaMC (croquants au seigle)
Soupe aux haricots noirs
Soupe aux pois
AUTRES :
Pommes de terre, au
four (Russet)
Pommes de terre, frites
Bretzels
Galettes de riz
Craquelins
*Exprimé en pourcentage du glucose
† Valeurs canadiennes si elles existent
129
Appendice B. Anova tables from experiences in chapter 2
Test:
A) Effect of pasteurization on the viscosity, turbidity and pH values
Effects DF
Viscosity Turbidity pH
F Value p Value F Value p Value F Value p Value
beverage 7 1790.09 < 0.0001 932.33 < 0.0001 2.22 0.1072
pasteurization 1 30.22 < 0.0001 19.57 < 0.0001 178.55 < 0.0001
beverage*pasteurization 7 67.09 < 0.0001 12.54 < 0.0001 1.94 0.0739
T° 1 25.24 < 0.0001 9.32 0.0030 4.14 0.0451
beverage*T° 7 11.38 < 0.0001 1.46 0.1926 0.40 0.9014
pasteurization*T° 1 13.04 0.0005 7.13 0.0091 0.41 0.5260
beverage*pasteurization *T° 7 8.34 < 0.0001 0.37 0.9199 0.50 0.8343
Time 1 8.78 0.0040 35.93 < 0.0001 1.18 0.2798
beverage*time 7 12.92 < 0.0001 11.08 < 0.0001 1.36 0.2330
pasteurization*time 1 16.66 0.0001 40.46 < 0.0001 1.72 0.1927
beverage*pasteurization*time 7 7.77 < 0.0001 11.41 < 0.0001 1.48 0.1852
T°*time 1 0.23 0.6323 2.78 0.0990 0.04 0.8441
beverage*T°*time 7 3.95 0.0010 0.78 0.6085 0.65 0.7115
pasteurization*T°*time 1 0.13 0.7199 1.41 0.2387 0.00 0.9686
beverage*pasteurization*T°*time 7 0.61 0.7459 0.90 0.5099 0.63 0.7301
Legend : T° : storage temperature
130
B) Effect of time and storage temperature the viscosity, turbidity and pH values
Effects DF Viscosity Turbidity pH
F Value p Value F Value p Value F Value p Value
beverage 7 6164.80 < 0.0001 606.98 < 0.0001 3.39 0.0308
T° 1 31.09 < 0.0001 0.92 0.3392 6.92 0.0095
beverage*T° 7 103.44 < 0.0001 1.09 0.3716 0.41 0.8935
Time 5 8.52 < 0.0001 8.99 < 0.0001 10.20 < 0.0001
beverage*time 35 31.00 < 0.0001 4.52 < 0.0001 0.88 0.6642
T°*time 5 7.11 < 0.0001 1.42 0.2226 0.67 0.6435
beverage*T°*time 35 6.51 < 0.0001 1.40 0.0922 0.21 1.0000
Legend : T° : storage temperature
131
Appendice C. Anova tables from experiences in chapter 3
Test:
A) Beverages’ stability on viscosity and pH values
Effects DF Viscosity pH
F Value p Value F Value p Value
week 1 1.46 0.2422 1.94 0.1811
beverage 2 41 780.4 < 0.0001 7.48 0.0043
beverage*week 2 0.63 0.5416 0.38 0.6866
B) Blood analyses
Treatments DF [Blood glucose] [Blood insulin] [Blood C-peptide]
F Value p Value F Value p Value F Value p Value
AUC0-180 min 2 0.21 0.8103 0.13 0.8820 0.39 0.6805
PEAK 2 1.54 0.2273 2.87 0.0690 0.87 0.4274
DIFF 2 0.95 0.3951
t=0 2 1.74 0.1895 0.12 0.8871 0.36 0.7014
t=30 2 0.25 0.7812 0.82 0.4464 3.38 0.0446
t=60 2 0.64 0.5331 2.67 0.0825 1.95 0.1558
t=90 2 0.28 0.7571 0.12 0.8881 0.92 0.4073
t=120 2 0.45 0.6381 1.96 0.1549 0.19 0.8237
t=150 2 1.88 0.1669 0.06 0.9460 0.42 0.6587
t=180 2 0.03 0.9704 1.54 0.2279 1.74 0.1884
Legend: AUC0-180 min: response; PEAK: time at which concentration of the variable was found to be maximal;
DIFF: difference between the blood glucose concentration at 0 and 30 minutes; t =: value of variable for a
specific time (min).
132
C) Appetite sensations
Treatments DF Desire to eat Hunger Fullness PFC
F Value p Value F Value p Value F Value p Value F Value p Value
AAB 2 4.79 0.0140 0.96 0.3906 0.90 0.4164 0.62 0.5415
AUC0-180 min 2 2.80 0.0734 2.16 0.1297 3.50 0.0401 0.23 0.7995
PEAK 2 2.11 0.1346 1.27 0.2427 2.46 0.0994 1.89 0.1652
Legend: PFC: prospective of food consumption; AAB: area above the baseline value; AUC0-180 min: incremental area under
the curve calculated for 0 to 180 minutes interval; PEAK: time at which concentration of the variable was found to be
maximal.
D) Appetite score
Treatments DF F Value P Value
AS 0 2 1.78 0.1820
AS 30 2 4.89 0.0131
AS 60 2 3.77 0.0323
AS 90 2 3.59 0.0376
AS 120 2 1.22 0.3067
AS 150 2 4.18 0.0231
AS 180 2 4.14 0.0239
Legend: AS: appetite scores for each sampling time.