"Thèse en cotutelle, Doctorat en sciences et technologie des aliments, Université Laval, Québec, Canada Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France." / Les études épidémiologiques récentes montrent une consommation insuffisante d’acides gras polyinsaturés (AGPI) dans les pays occidentaux. Cependant, la sensibilité des AGPI à l’oxydation est l’une des premières causes de détérioration des qualités organoleptique et nutritionnelle dans les produits alimentaires. Parallèlement, les lipides présents dans les produits alimentaires se trouvent le plus souvent sous forme émulsionnée. Ainsi, les entreprises désirant formuler des produits alimentaires enrichis en AGPI adoptent des stratégies technologiques pour les stabiliser chimiquement et physiquement, tout en assurant leur biodisponibilité. Une de ces stratégie consiste à rechercher, dans la nature, des systèmes émulsifiés stables afin d’en extraire des molécules tensioactives d’intérêt et de mimer l’organisation des lipides. C’est dans ce contexte que des études portent, depuis quelques années, sur les corps lipidiques (Oil Bodies, OB), structures végétales naturelles de stockage des lipides des plantes oléagineuses, composées de phospholipides (PL) et de protéines (OBP). L’objectif général de ce projet de thèse vise à maitriser la formulation d’émulsions préparées uniquement à base de colza (huile, PL et OBP) par une meilleure connaissance des interactions PL : OBP, d’étudier la stabilité des émulsions d’un point de vue physicochimique en conditions de stockage et dans des conditions mimant les conditions gastro-intestinales et, enfin, d’évaluer l’influence de la composition de l’interface des émulsions sur la bioaccessibilité des acides gras insaturés in vivo chez le rat. Les études spectroscopiques des interactions PL modèles : OBP ont mis en évidence des interactions favorables à la stabilisation des émulsions entre les PL anioniques, les PL insaturés et les OBP. Ces résultats ont orienté le choix vers une lécithine de colza spécifique. Les interactions PL : OBP, modulées par le pH et le rapport PL : OBP, influencent la réalisation des émulsions, la quantité d’OBP adsorbées à l’interface et la stabilité physique des émulsions, avec un crémage prononcé pour les émulsions riches en protéines. La synergie PL : OBP à l’interface semble être un facteur décisif pour ralentir l’oxydation de l’huile de colza émulsifiée. Le comportement des émulsions, dans des conditions mimant celles du milieu gastro-intestinal, montre que la présence d’OBP à l’interface favorise la floculation des émulsions à pH acide (mimant celui de l’estomac), mais que cette floculation est réversible lorsque le pH est ramené à des valeurs proches de celle de l’intestin. La présence des OBP favorise l’activité de la lipase pancréatique in vitro. Finalement, l’interface composée de PL et d’OBP améliore la bioaccessibilité lymphatique des AGPI in vivo chez le rat. En conclusion, nous avons montré qu’il est possible de formuler des émulsions uniquement à base de colza. Elles pourraient présenter une alternative intéressante aux émulsions stabilisées par des émulsifiants d’origine synthétique (politique clean label) ou d’origine animale (alimentation végane). Mots-clé : Émulsions, bioaccessibilité, oxydation, colza, interactions phospholipides-protéines / Recent epidemiologic studies show an insufficient intake of polyunsaturated fatty acids (PUFA) in occidental countries. Besides, the sensibility of PUFA to oxidation is one of the major causes of organoleptic and nutritional quality deterioration in food products. Moreover, lipids in food products are often in an emulsified stage. Therefore, industrials that care to formulate PUFA enriched food products adopt technological strategies to protect and stabilize the lipids while improving their bioavailability. One of those strategies consists in looking for stable emulsified systems that already exist in nature, extract tensioactive molecules of interest and mimic the lipid state. In this context, several studies deal with oil bodies (OB), that are natural occurring structures involved in lipid storage in oleaginous plants, composed of proteins (OBP) and phospholipids (PL). Therefore, the main objective of this PhD work is to manage emulsion formulation only based on rapeseed (oil, PL and OBP). This goes through: 1) an understanding of the interactions between PL and OBP; 2) a study of the stability of the emulsions under storage and gastrointestinal conditions, and finally, 3) an investigation of the influence of the emulsion interfacial composition on the bioavailability of PUFA in rats. Spectroscopic studies of the model PL:OBP interactions showed favorable interactions for stabilizing the emulsions based on anionic PL, unsaturated PL and OBP. These results allowed choosing an adequate canola lecithin. The PL:OBP interactions, modulated by the pH and the PL:OB ratio, influences the formation of the emulsions, the quantity of OBP adsorbed at the interface and the physical stability of the emulsions while a pronounced creaming in emulsions rich in proteins is observed. The PL:OBP synergy at the interface seems to be a decisive factor to slow down the oxidation of the emulsified canola oil. The emulsion behavior in conditions that mimic those of the gastrointestinal track, shows that the presence of OBP at the interface favored the emulsion flocculation in gastric conditions at acid pH. However, the flocculation was reversible when the pH was readjusted to a value close to that of the intestine. OBP also increased the activity of the pancreatic lipase in vitro. Finally, the presence of PL and OBP at the interface increased the lymphatic bioaccessibility of the PUFA in rats. On the whole, we showed that it is possible to manage emulsion formulation only based on canola products. This could be of great interest for clean labeling or vegan nutrition by subtracting synthetic emulsifiers or emulsifiers from animal origin, respectively. Keywords : Emulsions, bioaccessibility, oxidation, canola/rapeseed, interactions phospholipids-proteins

Les quantités importantes d’aliments consommés et la proportion élevée de concentrés devant être incorporée aux rations pour soutenir les besoins des vaches hautes-productrices induisent bien souvent des perturbations de l’équilibre ruminal. Ces changements se répercutent sur la biohydrogénation ruminale des acides gras insaturés de la ration, qui entraînent à leur tour une inhibition de la synthèse des matières grasses par le tissu mammaire. Plusieurs stratégies nutritionnelles ont été mises de l’avant pour mieux tirer profit des rations riches en concentrés. Récemment, des études ont montré la capacité du carbonate de potassium (K2CO3) à prévenir la chute de matière grasse associée à des régimes à forte teneur en concentrés. Toutefois, on comprend encore mal l’origine de ces effets. Les travaux de cette thèse visaient donc, dans un premier temps, à départager si les effets observés en ajoutant du K2CO3 aux rations des vaches laitières étaient dus à une augmentation de la différence alimentaire cation anion (DACA), de la teneur en ions K+ ou encore du pouvoir tampon de la ration. Un autre objectif de cette thèse était de déterminer les effets d’un ajout de K2CO3 sur la synthèse de matières grasses du lait lorsque des sources d’acides gras polyinsaturés (AGPI) sont introduites dans l’alimentation de la vache laitière. Enfin, les travaux cherchaient à déterminer l’effet d’un ajout de K2CO3 à la ration sur les populations microbiennes du rumen, particulièrement celles reconnues pour être impliquées dans le métabolisme lipidique. Pour répondre à ces questions, une première expérience a été mise en place, où 35 vaches Holstein en début de lactation ont été distribuées selon un plan en blocs complets aléatoires. La période expérimentale était de 28 jours et précédée d’une collecte de 5 jours (covariable). Les cinq rations expérimentales étaient constituées en vue de départager les effets du K2CO3 (témoin vs K2CO3), de la capacité tampon (K2CO3 vs KHCO3), de la DACA (K2CO3 vs KCl) et du type de cations (K2CO3 vs Na2CO3). Dans cette expérience, et contrairement aux études antérieures, l’ajout de K2CO3 aux rations riches en concentrés n’a pas permis d’augmenter la production de lait ou la matière grasse des vaches en début de lactation. De plus, les résultats suggèrent qu’une augmentation du K alimentaire via l’ajout de K2CO3 pourrait induire un déséquilibre ionique cellulaire qui pourrait affecter le transport des nutriments dans les cellules épithéliales mammaires et ainsi affecter la synthèse du lait. Une seconde expérience a ensuite été menée, où 28 vaches Holstein en début de lactation ont été distribuées selon un plan en blocs complets aléatoires. La période expérimentale était également de 28 jours et précédée d’une collecte de 5 jours (covariable). Les quatre rations expérimentales étaient offertes selon un arrangement factoriel 2 × 2, soit 0 ou 1,5 % K2CO3 et 0 ou 2 % d’huile de soya, comme source d’acides gras polyinsaturés. Les résultats ont montré que l’ajout de K2CO3 peut entraîner une augmentation de la sécrétion des matières grasses laitières chez des animaux recevant de grandes quantités de concentrés. Cette augmentation dépend toutefois de la teneur en lipides de la ration. Cette étude a également permis de mettre en lumière une relation positive entre la production laitière et la teneur en chlore du lait. Lors de cette seconde expérience, des échantillons de contenu ruminal ont également été prélevés chez 24 vaches (n = 6) afin d’étudier l’impact d’un supplément de K2CO3 sur l’environnement et les populations microbiennes du rumen des vaches en début de lactation recevant des rations riches en concentrés avec ou sans huile de soya. Ces travaux ont permis de comprendre que le K2CO3 et l’huile de soya ont des effets distincts sur les populations microbiennes. L’ajout de K2CO3 a stimulé la croissance de Butyrivibrio hungatei, bactérie productrice de 18:1 trans-11. L’ajout d’huile de soya a, quant à elle, réduit la présence de Butyrivibrio/Pseudobutyrivibrio, un groupe de bactéries productrices de 18:1 trans-11, de Fibrobacter succinogenes, une bactérie fibrolytique, de Butyrivibrio proteoclasticus, une bactérie productrice de 18:0, et de Streptococcus bovis, une bactérie amylolytique Les travaux regroupés dans cette thèse apportent un éclairage nouveau sur le rôle de la supplémentation minérale sur les performances de production des vaches laitières / Negative energy balance typically appears in early-lactation dairy cows as a consequence of a reduction of dry matter intake, as well as of an increase in energy demand for milk production. To compensate this energy deficit, cows are fed with high-concentrate diets. However, highly fermentable carbohydrates introduced in diets can result in a decreased milk fat synthesis. Previous studies reported that addition of potassium carbonate (K2CO3) to high-concentrate diets helps to maintain milk fat, although the mechanism is yet to be established. Consequently, the objective of the current thesis was, firstly, to investigate the effects of dietary cation-anion difference (DCAD), cation source, and buffering ability of the mineral supplement on rumen biohydrogenation of fatty acids (FA) and production performance of dairy cows fed a high-concentrate diet. Secondly, this thesis aimed at evaluating the effect of K2CO3 on production performance, biohydrogenation of fatty acids, and mineral composition of milk in early-lactation dairy cows fed a high-concentrate diet with or without soybean oil (SBO), as a source of polyunsaturated fatty acid. A third objective of this thesis was to evaluate the effect of K2CO3 supplementation, in diets containing soybean oil (SBO) on rumen microbial population associated with lipid metabolism. Consequently, a first experiment was set up, where 35 early-lactation Holstein cows were used in a randomized complete block design with 33-d periods, including a 5-d pretreatment collection period used as a covariate. Five different dietary treatments were used to assess the effects of K2CO3 (control vs. K2CO3), buffering ability (K2CO3 vs. KHCO3), DCAD (K2CO3 vs. KCl), and cation type (K2CO3 vs. Na2CO3). In this experiment, and as opposed to previous studies, supplementing high-concentrate diets with K2CO3 did not increase milk or milk fat yield in early-lactation cows. Also, results suggested that increasing dietary K through the addition of K2CO3 could lead to a disequilibrium in cellular ion composition that can impair nutrient transport into and out of the mammary epithelial cells, and consequently affect milk synthesis. A second experiment was conducted where 28 ruminally fistulated Holstein cows were used in a randomized complete block design. The experiment lasted 33 d, including a 5-d pre-treatment collection period used as a covariate. Experimental treatments were arranged as a 2 × 2 factorial with 0 or 1.5% K2CO3 and with 0 or 2% SBO. Results of this experiment revealed that potential effect of K2CO3 on milk fat synthesis is dependent on the levels of dietary polyunsaturated FA. Moreover, a positive relation was established between milk Cl concentration and milk yield, suggesting that the equilibrium of this ion is linked to the efficiency of lactogenesis Finally, rumen samples were collected from the rumen of 24 cows enrolled in the second experiment (n = 6) to assess treatment effects on rumen microbial population associated with lipid metabolism. Feeding K2CO3 and SBO had distinct effects on rumen bacteria. Dietary K2CO3 stimulated the growth of Butyrivibrio hungatei, a bacterium recognized to produce trans-11-18:1 during biohydrogenation. Conversely, feeding SBO reduced the growth of Butyrivibrio/Pseudobutyrivibrio bacterium group, known to produce trans-11-18:1, of Fibrobacter succinogenes, a fibrolytic bacterium, of Butyrivibrio proteoclasticus, a bacterium involved in 18:0 production, and of Streptococcus bovis, an amylolytic bacterium. Overall, the experiments conducted and reported in this thesis provide new insights on the impact of mineral supplementation on milk performance in dairy cows.

Si les lipides contribuent à la valeur nutritionnelle et sensorielle de nombreux aliments, ils sont particulièrement sensibles aux réactions d'oxydation. Les principaux mécanismes mis en jeu lors de l'oxydation des acides gras insaturés sont relativement bien connus. En revanche, il est aujourd'hui quasiment impossible de prédire l'avancement des réactions et souvent nécessaire de recommencer une nouvelle étude de stabilité oxydative pour tout nouveau couple produit alimentaire / procédé de transformation. L'objectif de la thèse est donc de construire un modèle mécanistique couplé à un modèle de transfert de l'oxygène dans le but de prédire l'avancement des réactions d'oxydation dans un milieu lipidique continu et dans des conditions expérimentales définies et contrôlées (température, oxygénation, composition en acides gras, composition en antioxydants). Pour cela, un schéma réactionnel visant à détailler l'ensemble des réactions impliquées dans le phénomène d'auto-oxydation des lipides a été proposé puis un modèle stoechio-cinétique a été construit à partir des valeurs des paramètres cinétiques issues de la littérature. La réactivité des acides gras insaturés présents dans trois huiles végétales d'usage courant (colza, tournesol, tournesol oléique), purifiées de leurs antioxydants naturels, a été étudiée entre 80 et 180°C, en suivant différents marqueurs d'oxydation (diènes conjugués, hydroperoxydes, aldéhydes, polymères). Comme attendu, les cinétiques d'oxydation se sont avérées dépendantes de la composition des huiles en acides gras, de la température et des conditions d'oxygénation. L'ajout d'antioxydant(s) a confirmé l'effet protecteur de l'α-tocophérol, qui n'a pas été amélioré par un enrichissement en acide chlorogénique, acide phénolique naturellement présent dans les graines de tournesol. Les résultats obtenus ont été utilisés pour valider le modèle développé, dont les prédictions permettent de reproduire les tendances expérimentales. Deux limitations ont été mises en évidence au cours de cette phase de validation dont la première concerne la description fiable et précise du mécanisme d'oxygénation du milieu, qu'il sera nécessaire de mesurer dans une huile à haute température pour valider le modèle d'oxydation. Par ailleurs, compte tenu du nombre important de réactions prises en compte, il sera indispensable de disposer d'un jeu de données expérimentales plus important, pouvant inclure des intermédiaires radicalaires. Pour cela, les potentialités de la résonance paramagnétique électronique ont été étudiées au cours de ce travail, à la fois pour suivre les radicaux lipidiques et pour accéder à des paramètres cinétiques pour des réactions radicalaires, peu disponibles dans la littérature. / If lipids contribute to nutritional and sensorial properties of many foodstuf, they are particularly sensitive to oxidation reactions. The main mechanisms involved in the oxidation of unsaturated fatty acids are already well-known. However, it is almost impossible to predict the progress of oxidative reactions and often necessary to develop new studies of oxidative stability for each new food product / processing. The aim of this study is to develop a mechanistic model coupled to oxygen transfer in order to predict the evolution of oxidation reactions in a bulk lipid system and in defined and controlled experimental conditions (temperature, oxygenation, fatty acids' composition, antioxidants' composition). Thus, a reaction scheme detailing all the reactions involved in the oxidation phenomenon was proposed and a stoichio-kinetic model was built on the basis of conservation equations and kinetic parameters available in literature. The reactivity of unsaturated fatty acids contained in three usual edible oils (rapeseed, sunflower, high oleic sunflower), previously stripped of their natural antioxidants, was studied between 80 and 180 °C, following several oxidation markers (conjugated dienes, hydroperoxides, aldehydes, polymers). As expected, oxidation kinetics depended on fatty acids' composition of oils, on temperature and on oxygen availability. The addition of antioxidant(s) confirmed the protective effect of α-tocopherol, which was not improved by the enrichment in chlorogenic acid, a phenolic acid naturally occurring in sunflower seeds. The experimental data were used to validate the model which predictions reproduce experimental tendencies. Two limitations were identified during model validation. The first is the accurate description of the oxygenation mechanism of the medium which need to be measured in oil at high temperatures. Moreover, given the large number of reactions taken into account, it is essential to have a set of more important experimental data which include radical intermediates. For this, the potential of electron spin resonance spectroscopy was evaluated in this in order to follow lipid radical species and access to kinetic parameters of radical reactions, few available in literature.

Les résultats d'études expérimentales auprès d'animaux suggèrent qu'une diète riche en acides gras polyinsaturés à longue chaîne (AGPI-LC) et/ou un ratio élevé d'oméga-3/oméga-6 a des effets protecteurs sur le développement neurologique et sensoriel du foetus suite à une exposition gestationnelle à l'éthanol. À ce jour, aucune étude n'a évalué les possibilités bienfaisantes de ces interventions nutritionnelles sur les humains. Le but de cette thèse est de déterminer si un ratio élevées d'acides docosohexanoïques (DHA)/ acides arachidonique (ARA) dans le cordon ombilical peut protéger contre les effets de l'exposition prénatale à l'alcool sur trois aspects du développement: 1) la croissance prénatale (poids, circonférence crânienne et taille à la naissance), 2) le développement cognitif, et 3) l'acuité visuelle. Une étude de cohorte longitudinale prospective a été effectuée dans une population inuite de la région du Nunavik au Québec. La consommation d'alcool au cours de la grossesse a été documentée à la mi-grossesse et dans le mois suivant l'accouchement auprès de 215 femmes. Le sang du cordon ombilical et de la mère a été prélevé suivant l'accouchement. Les paramètres de croissances prénatales ont été documentés à la naissance du nouveau-né. Le traitement de l'information et l'acuité visuelle des enfants ont été évalués à 6 mois postnatal en utilisant le Fagan Test of Infant Intelligence et le Teller Acuity Cards. Les résultats de cette étude suggèrent que l'exposition prénatale à des doses excessives d'alcool par épisode au cours de la gestation est associée à un poids et une circonférence crânienne inférieure à la naissance ainsi qu'à une acuité visuelle réduite. Le ratio DHA/ARA dans le cordon ombilical est associé à un poids plus élevé à la naissance. Aucune interaction significative ne peut être observée entre le ratio DHA/ARA dans le cordon ombilical du nouveau-né et l'exposition prénatale à l'alcool sur les marqueurs de développement pré- et postnatal. Les résultats de la présente étude suggèrent que le ratio DHA/ARA ne joue ni un rôle médiateur, ni un rôle modérateur dans la relation entre d'une part, l'exposition prénatale à l'alcool et d'autre part, la croissance prénatale et l'acuité visuelle à 6 mois. Compte tenu de la méthodologie utilisée pour cette étude il est impossible de conclure sur le rôle de la nutrition prénatale et de l'appart nutritif en DHA dans la relation entre l'exposition à l'alcool et le développement.

La réponse postprandiale suite à une prise alimentaire serait reliée au risque cardiovasculaire. Le type de lipides alimentaires pourrait influencer cette réponse, entre autres via leurs effets sur les chylomicrons et la lipémie postprandiale, mais également via des effets potentiels sur le métabolisme lipidique global. Aucun consensus n'existe sur les effets postprandiaux aigus des différents lipides alimentaires, nécessitant d'investiguer les mécanismes sous-jacents potentiels. L'objectif de ce mémoire est donc d'étudier les effets différentiels aigus des gras saturés et trans et des gras monoinsaturés et polyinsaturés sur la lipémie postprandiale, mais également sur l'expression de gènes clés impliqués dans le métabolisme lipidique. Les résultats indiquent qu'un seul repas riche en gras saturés+trans diminue la lipémie postprandiale et induit une régulation à la baisse d'un gène impliqué dans l'absorption intestinale des lipides alimentaires.

I. DESCRIPTION DE PROJET DE RECHERCHE<p><p>Le canal sodium épithélial bloquable par l’amiloride (ENaC) est une protéine intégrale de la membrane apicale des épithéliums impliqués dans l’absorption du sodium. Deux fonctions majeures sont directement liées au fonctionnement d’ENaC. D’une part, la régulation de la balance sodée par le rein et donc de la pression artérielle et d’autre part, la clairance du fluide alvéolaire pulmonaire.<p>Le transport vectoriel de sel et d’eau à travers ces épithéliums à jonctions serrées repose sur un transport actif de sodium entraînant un flux osmotique d’eau. Ce transport de sodium s’effectue en deux étapes: l’entrée apicale, par diffusion, facilitée via ENaC, et la sortie basolatérale, active, par les pompes Na+/K+ ATPases.<p><p>Ces dernières années, un intérêt grandissant est porté sur les acides gras polyinsaturés à longues chaînes de type oméga 3 (PUFAs) et leurs implications dans divers processus physiologiques. Entre autres effets, les PUFAs modulent différents types de canaux ioniques (canaux Na+ dépendant du voltage, Ca++ L-type, K+).<p>Les études in vivo impliquant un effet à long terme des PUFAs décrivent des mécanismes inhibiteurs. Cependant, lors d’une étude précédente, axée sur la composition lipidique des membranes de cellules rénales en culture et l’influence de l’ajout d’acides gras saturés et insaturés sur le transport du sodium, nous avons constaté que les acides gras polyinsaturés à longues chaînes de type oméga 3 augmentaient la réabsorption du sodium. Ces résultats pourraient être intéressants, car les canaux sodiques de l’épithélium alvéolaire sont en contact direct avec le surfactant, dont la composition lipidique varie en fonction de l’apport alimentaire en PUFAs. Chez les prématurés humains, le syndrome de détresse respiratoire est une des causes les plus fréquentes de mortalité. Dans un certain nombre de cas, on peut restaurer une fonction pulmonaire satisfaisante par l’administration de surfactant.<p><p>Dans ce travail, nous avons opté pour une approche fondamentale des mécanismes de régulation du canal sodium épithélial par l’acide eicosapentanoïque (EPA, C 20:5, n-3). Des études électrophysiologiques, biochimiques et d’imagerie cellulaire ont été réalisées sur la lignée cellulaire A6 de rein d’amphibien, qui sert d’épithélium modèle pour l’étude d’ENaC depuis plus de 25 ans. Cette lignée exprime des canaux sodiques très sélectifs et possède des propriétés électrophysiologiques facilitant l’étude de leur régulation.<p><p>Ce travail nous a permis de mettre en évidence de nouveaux mécanismes fondamentaux dont la pertinence physiologique et /ou clinique ne pourra être établie qu’en transposant cette étude sur un modèle in vivo, comme nous le proposons dans les perspectives.<p><p>Dans le présent travail, nous avons étudié :<p><p>1.\ / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished