Le diabète de type 2 (DT2) est un trouble multifactoriel complexe de l’homéostasie du glucose. Cette maladie, bien qu’elle possède une composante génétique, est principalement induite par des causes socio-environnementales comme de mauvaises habitudes alimentaires. En dépit des mesures hygiéno-diététiques et des traitements médicaux utilisés pour prévenir et traiter la maladie, le DT2 ne cesse de progresser. L’identification et la production de peptides bioactifs à partir de sources naturelles offrent une alternative intéressante aux médicaments de synthèse, dont les préoccupations concernant les effets secondaires ne cessent d’augmenter. Ainsi, en raison de leur abondance et leur richesse en molécule bioactive, les coproduits de la transformation du poisson offrent une source presque inépuisable de peptides bioactifs. En effet, lors d’études précédentes, il a été démontré que des protéines de morue et de saumon permettaient d’améliorer la santé cardio-métabolique in vivo, et d’améliorer la captation du glucose musculaire, de diminuer la production du glucose hépatique et l’inflammation. De plus, avec un nombre de plus en plus important d’individus à nourrir, l’industrie de la transformation doit augmenter sa production, et les déchets ne cessent de s’accumuler. Néanmoins, afin d’exercer leur effet bioactif, il est nécessaire de libérer ces peptides bioactifs des structures protéiques au sein desquelles ils sont imbriqués et sous forme inactive générant ainsi des hydrolysats complexes. Par la suite, une ou plusieurs étapes de séparation sont utilisées afin de concentrer ces peptides dans des fractions plus actives, par exemple en fractionnant ces hydrolysats complexes par électrodialyse avec membranes d’ultrafiltration. En effet, Il a été démontré l’efficacité de l’électrodialyse avec membranes d’ultrafiltration pour la génération de fractions améliorant, in vitro, la captation du glucose à partir d’hydrolysats de protéines de soya et de saumon. Ainsi, l’objectif principal de cette thèse était de concentrer et d’identifier des peptides bioactifs par le fractionnement d’un hydrolysat de protéines issu d’un coproduit de saumon iv par l’électrodialyse avec membranes d’ultrafiltration, et d’étudier l’impact de ces fractions et peptides sur le DT2. Lors de la première étude, il a été démontré qu’un empilement judicieux de membranes permettait de fractionner les peptides issus d’un hydrolysat de coproduit de saumon, en générant des fractions possédant des peptides avec des propriétés physico-chimiques (charge et masse) différentes. De plus, cet empilement de trois membranes d’ultrafiltration de seuils de coupure différents a permis de moduler la réponse in vitro de la captation du glucose. En effet, des peptides cationiques de plus haut poids moléculaire ont amélioré la captation du glucose dans une étude in vitro, alors que les peptides cationiques de plus faible poids moléculaire ont démontré un effet inhibiteur de la bioactivité. Finalement, l’analyse par spectrométrie de masse des fractions a permis de caractériser (temps de rétention et charge) 17 peptides cationiques et 21 peptides anioniques, potentiellement responsables de l’effet bioactif des fractions. Lors de la deuxième étude, le fractionnement par EDUF des fractions finales récupérées lors de la précédente séparation et l’étude in vitro de la bioactivité de ces fractions (captation du glucose, production du glucose hépatique et inflammation) ont permis d’identifier deux fractions très prometteuses, démontrant un effet sur ces trois bioactivités. De plus, l’analyse par spectrométrie de masse en tandem de ces fractions a permis d’identifier, à l’aide de base de données, la séquence peptidique de 24 peptides anioniques, potentiellement responsables de ces effets bioactifs. Finalement, lors de la troisième étude, basées sur l’analyse des spectres obtenus par spectrométrie de masse en tandem, 13 peptides ont été sélectionnés et synthétisés, puis testés individuellement pour leurs capacités à augmenter l’absorption du glucose au niveau de cellules musculaires, à diminuer la production de glucose hépatique et finalement à diminuer la réponse inflammatoire de macrophages. Ainsi, pour la première fois, quatre nouveaux peptides ont été identifiés à partir de coproduits de saumon, et leurs propriétés glucorégulatrices in vitro ont été démontrées. / Type 2 diabetes (T2DM) is a complex multifactorial disorder of glucose homeostasis. This disease has a genetic basis but is mainly caused by socio-environmental behaviours, such as overeating and a lack of physical activity. Despite dietary measures and medical treatments used to prevent and treat the disease, T2D continues to progress. The identification and production of bioactive peptides from natural sources offer an interesting alternative to synthetic drugs, whose concerns about side effects are constantly increasing. Thus, because of their abundance and richness in bioactive molecules, fish processing co-products offer an almost inexhaustible source of bioactive peptides. Indeed, in previous studies, cod and salmon proteins have been shown to improve cardio-metabolic health in in vivo studies, and to improve muscle glucose uptake, decrease hepatic glucose production, and inflammation. In addition, with a growing number of people to feed, the processing industry is at its height, and waste continues to accumulate. Nevertheless, in order to exert their bioactive effect, it is necessary to release these bioactive peptides from native proteins. Subsequently, one or more separation, using for example electrodialysis with ultrafiltration membranes, are needed to concentrate these peptides and generate bioactive fractions. Indeed, it was previously demonstrated the effectiveness of electrodialysis with ultrafiltration membranes to generate bioactive fractions, from complex matrices, able to improve the glucose uptake in vitro, from soy and salmon protein hydrolysates. In this context, the main objective of this thesis was to concentrate and identify bioactive peptides, by fractionating a protein hydrolysate from a salmon co-product, by electrodialysis with ultrafiltration membranes, and to study the impact of these fractions and peptides on T2D. In the first study, results demonstrated that a triple size selective separation by EDUF allowed to generate peptide fractions with different physicochemical properties (charge and mass). Moreover, it was demonstrated that such a separation allowed to modulate the in vitro response of the fractions for glucose metabolism. Indeed, from a single EDUF separation, cationic peptides with higher molecular weights were concentrated and demonstrated to enhance their glucose uptake capacity. Whereas, cationic peptides with lower molecular weights have decreased the glucose uptake capacity. In addition, analyses by mass spectrometry of the vi fractions allowed to characterize (retention time and charge) 17 cationic peptides and 21 anionic peptides, potentially responsible for the bioactive effect of the fractions. In a second study, a second EDUF fractionation, using as feed solution the final fractions recovered during the previous separation was performed. The selectivity of the process was confirmed by liquid chromatography-mass spectrometry analyses. Moreover, in vitro study of the bioactivities (glucose uptake, hepatic glucose production and inflammation) effect of these fractions, led to the identification of two very promising fractions, demonstrating a simultaneous effect on all three bioactivities tested. In addition, the tandem mass spectrometry analysis of these fractions allowed the sequence identification of 24 anionic peptides, potentially responsible for these bioactive effects. Finally, in a third study, based on the analysis of the spectra obtained by tandem mass spectrometry, 13 peptides were selected and synthesized, then individually tested for their ability to increase glucose uptake in muscle cells, to reduce glucose production by hepatic cells, and to decrease the inflammatory response of macrophages. Thus, for the first time, four new peptides identified from salmon by-products, demonstrated in vitro glucoregulatory properties.

Depuis plusieurs décennies, de nombreuses recherches ont porté leur attention sur les bioactivités des constituants du soya, depuis les isoflavones jusqu'aux protéines, en passant par les peptides. L'objectif principal de ce travail de thèse était de démontrer qu'à partir de l'hydrolyse enzymatique de protéines de soya par la pepsine et la pancreatine, il était possible d'isoler et de concentrer des peptides bioactifs plus efficacement par la technique d'électrodialyse avec membranes d'ultrafiltration (ÉDUF) que par l'emploi des méthodes traditionnelles d'UF. Au cours de ces travaux, les premiers résultats ont démontré que l'utilisation de l'UF (seuil de coupure de 10 kDa, facteur de concentration 2X, pression trans-membranaire de 173 kPa) permettait de concentrer les peptides bioactifs, soit dans le perméat soit dans le rétentat, dépendamment de la bioactivité recherchée. En parallèle, cette étude a également permis de mettre en évidence que la configuration membranaire des diverses membranes disponibles commercialement, jouait un rôle important sur la séparation des peptides (comparaison des configurations de membrane spiralée et de membrane à fibres creuses). Ainsi, l'étude de la capacité des fractions collectées à moduler la captation du glucose a montré que seul le rétentat de la membrane spiralée (SWR) donne des résultats significativement améliorés. Selon l'analyse de la composition en acides aminés des différentes fractions, cette bioactivité serait due à une plus forte concentration en lysine. Par la suite, l'étude en ÉDUF des effets du pH sur les paramètres électrodialytiques (conductivité, taux de migration, résistance membranaire, etc.) ainsi que sur les bioactivités des fractions collectées (traitement de 4 h à 5 V avec des membranes d'un seuil de coupure de 10 kDa, pH 3, 6 et 9) a démontré l'impact du colmatage potentiel des membranes plus ou moins conséquent selon le pH sur la migration des peptides anioniques. Cependant, aucune des fractions collectées n'a démontré de capacités à stimuler la captation du glucose in vitro. Par la suite, il a pu être démontré qu'un traitement de 6 h à 50 V avec des membranes présentant un seuil de coupure de 100 kDa à pH 6 permettait l'isolement et la concentration de peptides dont la capacité à moduler la captation du glucose était de 22% supérieure à celle de l'hydrolysat complet et de 33% par rapport à celle induite par la fraction SWR. L'ensemble de ces travaux nous a donc permis de démontrer que l'hydrolyse enzymatique utilisée permettait de libérer des peptides bioactifs à partir des protéines du soya, mais également, que par l'optimisation des paramètres d'ÉDUF, il est possible d'isoler ces peptides bioactifs de manière plus sélective que par l'utilisation des techniques traditionnelles.

La valorisation du lactosérum par le fractionnement de molécules à hautes valeurs ajoutées est d’autant plus d’actualité au Québec, que ce sous-produit est encore considéré comme une matière résiduelle fertilisante. Bien que les concentrés de protéines sériques possèdent des propriétés nutritionnelles et fonctionnelles intéressantes, la production de protéines sous forme purifiée est davantage désirée pour leur utilisation dans des produits de qualité et très recherchés notamment dans les formulations infantiles. De manière générale, la séparation des protéines est réalisée à l’aide de technologies présentant un impact environnemental et économique non négligeable ainsi qu’une efficacité non optimale voire limitée. Dans le cas des protéines sériques majeures (alpha-lactalbumine – α-la et bêta-lactoglobuline – β-lg), la principale problématique reliée à leur récupération sélective concerne leur poids moléculaire similaire. L’utilisation de technologies émergentes et écoresponsables devient donc un incontournable, de manière à améliorer les procédés déjà existants. Cette thèse avait donc pour but de montrer que la modulation des interactions protéiques par l’utilisation des hautes pressions hydrostatiques (HPH), une technologie considérée comme éco-efficiente et émergente, et l’utilisation d’un ligand, les caséines (CN), permettrait de fractionner ces deux protéines majeures pour la génération de fractions purifiées à des rendements maximaux. Une première étude a permis de déterminer les paramètres optimaux de pressurisation (temps et niveau de pression) ainsi que le type de ligand utilisé (CN isoélectriques – CI ou micellaires – CM). De manière générale, les HPH ont permis de spécifiquement agréger la β-lg et les CN, tout en maintenant l’α-la sous sa forme monomérique. L’acidification subséquente à pH 4,6 a généré une précipitation de ces agrégats de β-lg/CN. L’augmentation du niveau de pression et de temps a permis d’augmenter l’agrégation entre la β-lg et les CN sans impacter significativement l’agrégation de l’α-la. De plus, l’utilisation de CI en comparaison aux CM n’a pas permis d’améliorer le taux de purification de l’α-la alors que le rendement de cette dernière a diminué. Une deuxième étude a porté sur l’évaluation du potentiel concentration-dépendant des CN à agir comme un ligand pour le fractionnement de l’α-la et la β-lg. De manière générale, l’augmentation de la concentration en CN n’a pas permis d’améliorer les taux de purification et les rendements en α-la. Au contraire, pour des concentrations élevées en CN, le taux d’agrégation de la β-lg diminuait, suggérant un effet chaperon des CN sur l’agrégation par les HPH de la β-lg. En outre, la pressurisation des protéines sériques sans CN a permis d’obtenir les meilleurs paramètres de purification en α-la ainsi qu’en β-lg. Finalement, une troisième étude a permis de mettre en avant l’effet chaperon de la β-CN sur l’agrégation de la β-lg en présence d’α-la. Alors que la pressurisation des protéines sériques seules ou combinées entraînait la formation d’agrégats globulaires de faibles poids moléculaires et générait des solutions turbides, l’ajout de β-CN a permis de réduire la turbidité des solutions, et ce, proportionnellement à sa concentration. En parallèle, cette limpidité corrélait avec la présence d’agrégats de types amorphes et de hauts poids moléculaires. Finalement, comme requis pour une protéine chaperonne, il a été démontré que la β-CN n’était pas impliquée dans ces agrégats. Les travaux de cette thèse ont rencontré l’ensemble des objectifs définis et contribuent significativement à l’avancement des connaissances concernant l’extension de l’application des HPH pour le fractionnement de l’α-la et la β-lg présentant ainsi des taux de purification et des rendements d’intérêt majeur pour l’industrie de transformation des produits laitiers. / Whey valorization through the better fractionation of highly valuable molecules is more than ever relevant in Quebec, as it is still used as a fertilizing residual material. Although whey protein concentrates have multiple nutritional and functional properties, the production of highly pure single proteins is more desired for their use in high quality product and in particular for infant formula. Usually, proteins separation is done using technologies with significant environmental and economic impacts as well as non-optimized effectiveness. For the major whey proteins such as alpha-lactalbumin (α-la) and beta-lactoglobulin (β-lg), the main problematic is their similar molecular weight. Consequently, the use of emerging and green technologies is crucial to improve the efficiency and productivity of existing processes. This thesis aims to demonstrate the potential of using a green and emerging technology known as high hydrostatic pressure (HHP) coupled with a ligand, caseins (CN) for the modulation of proteinprotein interactions to improve the fractionation of the two major whey proteins: α-la and β-lg with higher purity. In the first study, optimal pressurization parameters (duration and level of pressure) as well as ligand type (isoelectric CN – IC or micellar – MC) were determined. Broadly, HHP treatment induced specific aggregation of β-lg and CN, while maintaining α-la in its monomeric form. Subsequent acidification to pH 4.6 caused the precipitation of the β-lg/CN aggregates. Increase of pressure and process duration increased the β-lg/CN aggregation without significantly impacting α-la aggregation. Furthermore, the use of IC in comparison with MC improved the purification rate of α-la while decreasing its recovery rate. As part of a second study, the evaluation of concentration of CN as a ligand for the fractionation of α-la and β-lg was studied. The increase in CN concentration did not improve both the purification and recovery rates of α-la. Rather, at higher CN concentration, β-lg aggregation rate decreased, suggesting a chaperone-like effect of CN on the β-lg pressure-induced aggregation. In addition, pressurization of whey proteins in the absence of CN, resulted in a higher purification rate and recovery degree for both α-la and β-lg in soluble and insoluble fractions, respectively. Lastly, in the third study, the chaperone-like effect of β-CN on the pressure-induced aggregation of β-lg and α-la was investigated. Pressurization of single or combined whey proteins generated small globular aggregates with turbid solutions, whereas, the addition of β-CN decreased the turbidity in a concentration dependent manner. In parallel, limpidity was correlated with the presence of larger but amorphous aggregates with higher molecular weight. Furthermore, it was demonstrated that β-CN was not part of the aggregates formed, which is an important criterion of a chaperone-like protein. The present work has met all the objectives set in this thesis and contributed significantly to the advancement of knowledge concerning the application of HHP for the fractionation of α-la and β-lg with high purification and recovery rates, which is of great interest for the dairy processing industry.

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