Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-02-18Bitstream added on 2014-06-13T20:51:05Z : No. of bitstreams: 1 gomes_mos_me_jabo.pdf: 622478 bytes, checksum: be8b00fa47ea963d66d4d14490453d61 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Considerando a importância da eubiota intestinal na saúde dos animais, o papel da dieta em sua composição e metabolismo tem sido estudado. Neste aspecto os prebióticos têm merecido destaque, incluindo-se a parede celular de leveduras (PCL), uma fonte natural de mananoligossacarídeos. Para o estudo de seu potencial prebiótico para cães, foram empregadas quatro dietas isonutrientes com inclusão de 0% (T0), 0,15% (T15), 0,30% (T30) e 0,45% (T45) de PCL. Foram utilizados oito Beagles adultos, divididos em dois quadrados latinos 4 X 4. Em cada período uma fase de adaptação de 15 dias precedeu 5 dias de coleta total de fezes para o ensaio de digestibilidade e 1 dia de coleta de fezes frescas para enumeração bacteriana, mensuração de pH e determinação das concentrações de ácidos graxos de cadeia curta e aminas bioativas. No dia 21 de cada período, amostra de sangue foi colhida para quantificação imunofenotípica por citometria de fluxo das subpopulações linfocitárias CD5+CD4+, CD5+, CD5+CD8+, CD45+ e CD45+CD21+. Os dados foram avaliados pelo Proc GLM do SAS, sendo as médias comparadas pelo teste de Tukey e por contraste polinomial e ortogonal (p<0,1). Os coeficientes de digestibilidade dos nutrientes não variaram com a inclusão de PCL (p>0,1). A inclusão de PCL não resultou em diferenças quanto às contagens de anaeróbios totais, aeróbios totais, bifidobactéria, lactobacilos, clostridios nas fezes dos cães (p>0.1). Verificou-se aumento linear na concentração fecal de butirato (p=0,055), redução linear das concentrações fecais de tiramina (P=0,1) e histamina (P=0,07) e redução quadrática de feniletilamina e triptamina (P=0,07). Os cães apresentaram, também, aumento linear na concentração de linfócitos CD5+ (P=0,10) e maior número de linfócitos CD45+CD21+ (P=0,053) mediante ingestão de PCL. Concluiu-se que a PCL apresenta efeito prebiótico... / Considering the importance of the intestinal microbiota to the animal health, the role of diet upon microbiota composition and metabolism have been studied. Prebiotics have been emphasized on this regard, including the yeasts cell walls (YCW), a natural source of mannanoligosaccharides. To study the prebiotic potential of this compound for dogs, four isonutrient diets were used with inclusion of 0% (T0), 0,15% (T15), 0,30% (T30) and 0,45% (T45) of YCW. Eight Beagles adults were used, arranged in two 4 X 4 Latin squares. In each replicate an adaptation phase of 15 days preceded a 5 days of total feces collection for digestibility trial and 1 day collection of fresh fecal samples for bacterial enumeration, pH measurement and determination of short chain fatty-acids and bioactive amines concentration. On day 21, a blood samples were collected for immunophenotypic quantification of lymphocyte subsets CD5+CD4+, CD5+, CD5+CD8+, CD45+ e CD45+CD21+ through flow cytometry. The data were evaluated using Proc GLM of SAS, means were compared by Tukey test and polinomial and orthogonal contrasts (p <0,1). The inclusion of YCW did not change the coefficient of total tract apparent digestibility of nutrients (p>0.1) nor the fecal bacterial enumeration (total aerobes and anaerobes, Bifidobacterium, Lactobacillus, Clostridium and Escherichia coli) in dog’s feces (p>0.1). Fecal butirate concentration increased linearly with YCW addition (p=0,055), fecal concentrations of tyramine (P=0,1) and histamine (P=0,07) decreased linearly, and phenylethylamine (P=0,07) and tryptamine (P=0,07) concentrations showed a quadratic reduction with YCW consumption. Dogs also presented a linear increase in lymphocytes CD5+ concentration (P=0,10) and a greater CD45+CD21+ lymphocytes number (P=0,053) with YCW addition. In conclusion YCW presents a prebiotic (changing bacterial end product formation) and immunostimulating effect for dogs.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(農学) / 乙第13205号 / 論農博第2863号 / 新制||農||1062(附属図書館) / 学位論文||H30||N5143(農学部図書室) / (主査)教授 松村 康生, 教授 奥本 裕, 教授 丸山 伸之 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

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Die Entwicklung neuer humanmilchähnlicher, funktioneller und bioaktiver Lebensmittel (z. B. Trinkmilch oder Joghurt), die Oligosaccharide mit einer möglichen Gesundheitswirkung enthalten („Health Claim”), sind für die menschliche Ernährung von besonderem Interesse. Ziel dieser Arbeit war es daher, geeignete Verfahren zu entwickeln, um - unter Ausnutzung der Transferaseaktivität von β-Galactosidase - komplexe Galacto-Oligosaccharide aus Lactose zu synthetisieren und nicht-proteingebundene, komplexe milcheigene Oligosaccharide aus Kuhmilch aufzureinigen und zu charakterisieren. Zur Identifizierung und Quantifizierung der Oligosaccharide wurden zunächst hochempfindliche Analysenmethoden etabliert (siehe Kapitel 4.1). Da Oligosaccharide Minorkomponenten in der Milch sind, mussten diese von Fetten, Proteinen und Lactose abgetrennt werden. Die Entfettung erfolgte durch Zentrifugation in der Kälte. Die Proteinabtrennung war unter Verwendung einer 10kDa-Ultrafiltrations-Membran optimal (siehe Kapitel 4.1.1.1). Die Abtrennung der Lactose von den Oligosacchariden stellte die größte Herausforderung dar, da beide Stoffklassen zu den Kohlenhydraten gehören und sich nur geringfügig in ihren Molmassen unterscheiden. Des Weiteren liegt Lactose in Kuhmilch im ca. 1000-fachen Überschuss im Vergleich zu den Oligosacchariden vor. Beim Vergleich verschiedener Aufarbeitungsmethoden zur Lactoseabtrennung stellte sich die Festphasenextraktion an Aktivkohle (GCC-SPE) als am besten geeignet heraus. Mit dieser Methode wurde - im Gegensatz zur ebenfalls untersuchten Größenausschlusschromatographie - eine hohe Reproduzierbarkeit der Analyten erreicht. Während bei der Größenausschlusschromatographie das Kuhmilch-Oligosaccharid GalNAc-α-(1→3)-Gal-β-(1→4)-Glc nahezu vollständigen verloren ging, konnten nach GCC-SPEAufarbeitung fast 100 % des Analyten wiedergefunden werden (siehe Kapitel 4.1.1.2). Zur Charakterisierung der Oligosaccharide wurde eine hochauflösende Anionenaustauscherchromatographie mit pulsierender amperometrischen Detektion (HPAEC-PAD) etabliert. Parallel zur hochempfindlichen Detektion mittels PAD wurde zur direkten Strukturaufklärung von underivatisierten Zuckern eine Online-Kopplung an einen Massendetektor (IT-MS) aufgebaut. Einzelne Analyten konnten mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Oligosaccharidstandards identifiziert und quantifiziert werden (siehe Kapitel 4.1.1.3). Als weitere Möglichkeit zur Quantifizierung der Oligosaccharide wurden photometrische Schnelltests entwickelt (siehe Kapitel 4.1.2). Zur Absicherung der HPAEC-PAD-Analysendaten sollten zukünftig weitere Analysenmethoden etabliert werden (z. B. enzymatischer Verdau der Oligosaccharide, Analyse der Monosaccharide nach Hydrolyse der OS, HILIC-HPLC). Die entwickelte HPAEC-PAD-Methode wurde zur Identifizierung und Quantifizierung von Oligosacchariden in Milchproben verschiedener Nutztierarten (siehe Kapitel 4.2.1) und in Produktströmen der milch- und molkeverarbeitenden Industrie (siehe Kapitel 4.2.2) verwendet. Die Untersuchungen von Milchproben unterschiedlicher Nutztierarten zeigten, dass jede Milch hinsichtlich der MOS einzigartig ist. Dies konnte anhand der verschiedenen, identifizierten MOS mit unterschiedlichen Konzentrationen belegt werden. Der höchste MOS-Gehalt konnte in Humanmilch detektiert werden, gefolgt von Kamelmilch, Schafsmilch, Ziegenmilch, Kuhmilch und Stutenmilch (siehe Kapitel 4.2.1). Die Untersuchungen der Produktströme der milch- und molkeverarbeitenden Industrie zeigten, dass es während der Lactosekristallisation und der Aktivkohlebehandlung zu Verlusten an MOS kommt. Bei anderen Prozessschritten, wie Entfettung, Proteinabtrennung, Aufkonzentrierung oder Käseherstellung, war kein Einfluss auf die MOS-Konzentrationen ersichtlich (siehe Kapitel 4.2.2). Die entwickelte Methode zur OS-Bestimmung mittels HPAEC-PAD könnte zukünftig auf die Analysen proteingebundener Oligosaccharide ausgedehnt werden [[Grey, 2009] und [Weiß, 2001]]. Zur Herstellung eines Oligosaccharid-angereicherten Lebensmittels wurden Galacto-Oligosaccharide enzymatisch - unter Ausnutzung der Transferaseaktivität von β-Galactosidase - aus Lactose synthetisiert (siehe Kapitel 4.3). Für die Entwicklung des Verfahrens wurden verschiedene β-Galactosidasen (Enzyme aus Kluyveromyces lactis, Aspergillus oryzae und Bacillus circulans) bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen getestet. Die höchste GOS-Ausbeute (19,8 Flächenprozent der HPAEC an Haupt-Trisaccharid, 40,5 % GOS) konnte mit Hilfe der β-Galactosidase aus B. circulans bei pH 4, 40 °C und 12 U/g erreicht werden. Dabei wurden v. a. Tri- bis Pentasaccharide gebildet. Das Hauptreaktionsprodukt war das Trisaccharid 4'-Galactosyllactose (4'-GL). Mit Hilfe der β-Galactosidase aus A. oryzae konnte bei pH 4,5, 40 °C und 12 U/g die zweitgrößte GOS-Ausbeute (14,2 % Haupt-Trisaccharid, 19,7 % GOS) synthetisiert werden. Dabei wurden v. a. Tri- und Tetrasaccharide mit dem Hauptreaktionsprodukt 6'-Galactosyllactose (6'-GL) gebildet. Die geringste GOS-Ausbeute (10,5 % Haupt-Trisaccharid, 3,0 % GOS) wurde mit der β-Galactosidase aus K. lactis bei pH 7, 40 °C und 12 U/g erreicht. Di- und Trisaccharide sowie ein geringer Anteil an Tetrasacchariden konnten dabei synthetisiert werden. Das Hauptreaktionsprodukt war hierbei das Trisaccharid 6'-GL. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die milcheigenen Oligosaccharide während der Lactosehydrolyse mit den drei getesteten β-Galactosidasen weitgehend erhalten bleiben (siehe Kapitel 4.3.4). Neben den Galacto-Oligosacchariden, die nach enzymatischer Synthese direkt im Lebensmittel eingesetzt werden können, wurden milcheigene Oligosaccharide aus Kuhmilch aufgereinigt (siehe Kapitel 4.4.1). Zur Aufreinigung der MOS wurden Nanofiltrationsversuche in verschiedenen Maßstäben, mit unterschiedlichen Prozessparametern und diversen Membranen durchgeführt. Die im hohen Überschuss vorhandene Lactose wurde vor der Nanofiltration durch enzymatische Hydrolyse in ihre Monosaccharide gespalten, wodurch die Trennung von Monosacchariden und MOS verbessert wurde. Die Membran SR50/SR2 stellte sich für die MOS-Aufreinigung als am besten geeignet heraus. Mono- und Disaccharide konnten mit dieser Membran nahezu vollständig abgetrennt und MOS zu 42,1 % bis 52,4 % wiedergefunden werden. Das Verhältnis der Mono- und Disaccharide zu MOS konnte von ca. 1000:1 auf 18,5:1 zu Gunsten der MOS verändert werden. Der Anteil der Oligosaccharide am Gesamtzuckergehalt wurde von 0,1 % auf 5,1 % erhöht. Aus 40 kg hydrolysiertem Ultrafiltrations-Magermilchpermeat konnten 332,5 mg GalNAc-α-(1→3)-Gal-β-(1→4)-Glc, 414,1 mg 3'-SL und 91,5 mg 6'-SL gewonnen werden (Kapitel 4.4.1.4). Die durch Nanofiltration aufgereinigten, MOS-haltigen Proben sind für den Einsatz in einem potentiell funktionellen Lebensmittel geeignet. Da der Restlactosegehalt der synthetisierten, GOS-haltigen Proben und der aufgereinigten, MOS-haltigen Proben für weitere Analysen - wie orientierende Studien zur potentiell bifidogenen Wirkung - zu hoch war, erfolgte eine zweite Aufreinigung mittels präparativer Chromatographie an Aktivkohle (siehe Kapitel 4.4.2). Dadurch konnten bei den synthetisierten, GOS-haltigen Proben die Monosaccharide vollständig entfernt, der Restlactosegehalt auf unter 1 % am Gesamtzuckergehalt gesenkt und GOS aufgereinigt werden. Durch die Aktivkohle-Aufreinigung der durch Nanofiltration aufgereinigten, MOS-haltigen Proben konnten Mono- und Disaccharide von dem milcheigenen Oligosaccharid GalNAc-α-(1→3)-Gal-β-(1→4)-Glc sowie von den GOS - entstanden durch die vorherige Behandlung mit β-Galactosidase - abgetrennt werden. Die Sialyllactosen gingen dabei nahezu vollständig verloren. Auf Grund der vermuteten gesundheitsfördernden Wirkung der Sialyllactosen bedarf es weiterer Forschungsaktivitäten. Insbesondere ist eine Optimierung des Aufgabevolumens, der Konditionierung und der Wahl der stationären Phase wünschenswert. Mit den durch Aktivkohle aufgereinigten GOS-Lösungen, die weniger als 1 % Mono- und Disaccharide am Gesamtzuckergehalt enthielten, wurden orientierende Studien zur potentiell bifidogenen Wirkung durchgeführt (siehe Kapitel 4.5). Die orientierenden Studien mit Bifidobacterium longum ließen eine potentiell bifidogene Wirkung der untersuchten GOS-Lösungen erkennen. Diese GOS-Proben zeigten dabei eine stärkere bifidogene Wirkung als die bifidogene Referenzsubstanz Lactulose und der Vivinal®GOS-Sirup. Zukünftig sollten die Proben, die nach Beendigung der bakteriellen Reaktion gewonnen wurden, mittels HPAEC-PAD analysiert werden. Dadurch könnte der Kohlenhydratabbau bzw. die Bildung organischer Säuren untersucht werden. Der zeitliche Verlauf sowie der Einsatz anderer Mikroorganismen - wie Lactobazillen und Clostridien - könnten ebenfalls untersucht werden. Andere orientierende Studien, wie antiinflammatorische Tests, wären bei der weiteren Charakterisierung der Oligosaccharide hilfreich. Die Herstellung eines Oligosaccharid-angereicherten Lebensmittels erfolgte im Labormaßstab unter Zusatz der potentiell bifidogenen GOS-Lösung, die mit Hilfe von β-Galactosidase aus K. lactis synthetisiert wurde. Die Art der Erhitzung des Lebensmittels - Pasteurisierung vs. Hocherhitzung - hatte keinen Einfluss auf die Zuckerzusammensetzung und die Zuckergehalte. Während einer anschließenden sechswöchigen Lagerung in der Kälte konnte kein Abbau der Kohlenhydrate detektiert werden. Als Ausblick für weitere Forschungen ist die Bestätigung der potentiell bifidogenen Wirkung der MOS-haltigen Proben von primärer Bedeutung. Anschließend könnten Studien mit funktionellen, MOS-haltigen Lebensmitteln durchgeführt werden. Dabei sollte versucht werden, ein humanmilchähnliches Lebensmittel mit ca. 20 % sauren und ca. 80 % neutralen Oligosacchariden herzustellen. Die mittels Nanofiltration aufgereinigten, MOS-haltigen Proben könnten als saurer Zusatz und die enzymatisch synthetisierten, GOS-haltigen Proben als neutraler Zusatz verwendet werden. Des Weiteren sollte eine Überprüfung der potentiell bifidogenen Wirkung sowie eine sensorische Prüfung des hergestellten Lebensmittels durchgeführt werden. Sobald MOS durch Nanofiltration bzw. GOS mittels enzymatischer Synthese im großtechnischen Maßstab aufgereinigt bzw. hergestellt werden können, sind Humanstudien zur Bestätigung der Wirksamkeit von milcheigenen Oligosaccharide bzw. der Galacto-Oligosaccharide möglich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten potentiell funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe (enzymatisch synthetisierte, GOS-haltige Lösungen) und Lebensmittelinhaltsstoffe, deren vermutete Funktionalität noch nicht bestätigt wurde (durch Nanofiltration aufgereinigte, MOS-haltige Lösungen), hergestellt werden. Unter Verwendung der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und der Erfüllung der im Ausblick geschilderten Bedingungen, ist eine großtechnische Produktion eines funktionellen, Oligosaccharid-angereicherten Lebensmittels möglich.

Die Entwicklung neuer humanmilchähnlicher, funktioneller und bioaktiver Lebensmittel (z. B. Trinkmilch oder Joghurt), die Oligosaccharide mit einer möglichen Gesundheitswirkung enthalten („Health Claim”), sind für die menschliche Ernährung von besonderem Interesse. Ziel dieser Arbeit war es daher, geeignete Verfahren zu entwickeln, um - unter Ausnutzung der Transferaseaktivität von β-Galactosidase - komplexe Galacto-Oligosaccharide aus Lactose zu synthetisieren und nicht-proteingebundene, komplexe milcheigene Oligosaccharide aus Kuhmilch aufzureinigen und zu charakterisieren. Zur Identifizierung und Quantifizierung der Oligosaccharide wurden zunächst hochempfindliche Analysenmethoden etabliert (siehe Kapitel 4.1). Da Oligosaccharide Minorkomponenten in der Milch sind, mussten diese von Fetten, Proteinen und Lactose abgetrennt werden. Die Entfettung erfolgte durch Zentrifugation in der Kälte. Die Proteinabtrennung war unter Verwendung einer 10kDa-Ultrafiltrations-Membran optimal (siehe Kapitel 4.1.1.1). Die Abtrennung der Lactose von den Oligosacchariden stellte die größte Herausforderung dar, da beide Stoffklassen zu den Kohlenhydraten gehören und sich nur geringfügig in ihren Molmassen unterscheiden. Des Weiteren liegt Lactose in Kuhmilch im ca. 1000-fachen Überschuss im Vergleich zu den Oligosacchariden vor. Beim Vergleich verschiedener Aufarbeitungsmethoden zur Lactoseabtrennung stellte sich die Festphasenextraktion an Aktivkohle (GCC-SPE) als am besten geeignet heraus. Mit dieser Methode wurde - im Gegensatz zur ebenfalls untersuchten Größenausschlusschromatographie - eine hohe Reproduzierbarkeit der Analyten erreicht. Während bei der Größenausschlusschromatographie das Kuhmilch-Oligosaccharid GalNAc-α-(1→3)-Gal-β-(1→4)-Glc nahezu vollständigen verloren ging, konnten nach GCC-SPEAufarbeitung fast 100 % des Analyten wiedergefunden werden (siehe Kapitel 4.1.1.2). Zur Charakterisierung der Oligosaccharide wurde eine hochauflösende Anionenaustauscherchromatographie mit pulsierender amperometrischen Detektion (HPAEC-PAD) etabliert. Parallel zur hochempfindlichen Detektion mittels PAD wurde zur direkten Strukturaufklärung von underivatisierten Zuckern eine Online-Kopplung an einen Massendetektor (IT-MS) aufgebaut. Einzelne Analyten konnten mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Oligosaccharidstandards identifiziert und quantifiziert werden (siehe Kapitel 4.1.1.3). Als weitere Möglichkeit zur Quantifizierung der Oligosaccharide wurden photometrische Schnelltests entwickelt (siehe Kapitel 4.1.2). Zur Absicherung der HPAEC-PAD-Analysendaten sollten zukünftig weitere Analysenmethoden etabliert werden (z. B. enzymatischer Verdau der Oligosaccharide, Analyse der Monosaccharide nach Hydrolyse der OS, HILIC-HPLC). Die entwickelte HPAEC-PAD-Methode wurde zur Identifizierung und Quantifizierung von Oligosacchariden in Milchproben verschiedener Nutztierarten (siehe Kapitel 4.2.1) und in Produktströmen der milch- und molkeverarbeitenden Industrie (siehe Kapitel 4.2.2) verwendet. Die Untersuchungen von Milchproben unterschiedlicher Nutztierarten zeigten, dass jede Milch hinsichtlich der MOS einzigartig ist. Dies konnte anhand der verschiedenen, identifizierten MOS mit unterschiedlichen Konzentrationen belegt werden. Der höchste MOS-Gehalt konnte in Humanmilch detektiert werden, gefolgt von Kamelmilch, Schafsmilch, Ziegenmilch, Kuhmilch und Stutenmilch (siehe Kapitel 4.2.1). Die Untersuchungen der Produktströme der milch- und molkeverarbeitenden Industrie zeigten, dass es während der Lactosekristallisation und der Aktivkohlebehandlung zu Verlusten an MOS kommt. Bei anderen Prozessschritten, wie Entfettung, Proteinabtrennung, Aufkonzentrierung oder Käseherstellung, war kein Einfluss auf die MOS-Konzentrationen ersichtlich (siehe Kapitel 4.2.2). Die entwickelte Methode zur OS-Bestimmung mittels HPAEC-PAD könnte zukünftig auf die Analysen proteingebundener Oligosaccharide ausgedehnt werden [[Grey, 2009] und [Weiß, 2001]]. Zur Herstellung eines Oligosaccharid-angereicherten Lebensmittels wurden Galacto-Oligosaccharide enzymatisch - unter Ausnutzung der Transferaseaktivität von β-Galactosidase - aus Lactose synthetisiert (siehe Kapitel 4.3). Für die Entwicklung des Verfahrens wurden verschiedene β-Galactosidasen (Enzyme aus Kluyveromyces lactis, Aspergillus oryzae und Bacillus circulans) bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen getestet. Die höchste GOS-Ausbeute (19,8 Flächenprozent der HPAEC an Haupt-Trisaccharid, 40,5 % GOS) konnte mit Hilfe der β-Galactosidase aus B. circulans bei pH 4, 40 °C und 12 U/g erreicht werden. Dabei wurden v. a. Tri- bis Pentasaccharide gebildet. Das Hauptreaktionsprodukt war das Trisaccharid 4'-Galactosyllactose (4'-GL). Mit Hilfe der β-Galactosidase aus A. oryzae konnte bei pH 4,5, 40 °C und 12 U/g die zweitgrößte GOS-Ausbeute (14,2 % Haupt-Trisaccharid, 19,7 % GOS) synthetisiert werden. Dabei wurden v. a. Tri- und Tetrasaccharide mit dem Hauptreaktionsprodukt 6'-Galactosyllactose (6'-GL) gebildet. Die geringste GOS-Ausbeute (10,5 % Haupt-Trisaccharid, 3,0 % GOS) wurde mit der β-Galactosidase aus K. lactis bei pH 7, 40 °C und 12 U/g erreicht. Di- und Trisaccharide sowie ein geringer Anteil an Tetrasacchariden konnten dabei synthetisiert werden. Das Hauptreaktionsprodukt war hierbei das Trisaccharid 6'-GL. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die milcheigenen Oligosaccharide während der Lactosehydrolyse mit den drei getesteten β-Galactosidasen weitgehend erhalten bleiben (siehe Kapitel 4.3.4). Neben den Galacto-Oligosacchariden, die nach enzymatischer Synthese direkt im Lebensmittel eingesetzt werden können, wurden milcheigene Oligosaccharide aus Kuhmilch aufgereinigt (siehe Kapitel 4.4.1). Zur Aufreinigung der MOS wurden Nanofiltrationsversuche in verschiedenen Maßstäben, mit unterschiedlichen Prozessparametern und diversen Membranen durchgeführt. Die im hohen Überschuss vorhandene Lactose wurde vor der Nanofiltration durch enzymatische Hydrolyse in ihre Monosaccharide gespalten, wodurch die Trennung von Monosacchariden und MOS verbessert wurde. Die Membran SR50/SR2 stellte sich für die MOS-Aufreinigung als am besten geeignet heraus. Mono- und Disaccharide konnten mit dieser Membran nahezu vollständig abgetrennt und MOS zu 42,1 % bis 52,4 % wiedergefunden werden. Das Verhältnis der Mono- und Disaccharide zu MOS konnte von ca. 1000:1 auf 18,5:1 zu Gunsten der MOS verändert werden. Der Anteil der Oligosaccharide am Gesamtzuckergehalt wurde von 0,1 % auf 5,1 % erhöht. Aus 40 kg hydrolysiertem Ultrafiltrations-Magermilchpermeat konnten 332,5 mg GalNAc-α-(1→3)-Gal-β-(1→4)-Glc, 414,1 mg 3'-SL und 91,5 mg 6'-SL gewonnen werden (Kapitel 4.4.1.4). Die durch Nanofiltration aufgereinigten, MOS-haltigen Proben sind für den Einsatz in einem potentiell funktionellen Lebensmittel geeignet. Da der Restlactosegehalt der synthetisierten, GOS-haltigen Proben und der aufgereinigten, MOS-haltigen Proben für weitere Analysen - wie orientierende Studien zur potentiell bifidogenen Wirkung - zu hoch war, erfolgte eine zweite Aufreinigung mittels präparativer Chromatographie an Aktivkohle (siehe Kapitel 4.4.2). Dadurch konnten bei den synthetisierten, GOS-haltigen Proben die Monosaccharide vollständig entfernt, der Restlactosegehalt auf unter 1 % am Gesamtzuckergehalt gesenkt und GOS aufgereinigt werden. Durch die Aktivkohle-Aufreinigung der durch Nanofiltration aufgereinigten, MOS-haltigen Proben konnten Mono- und Disaccharide von dem milcheigenen Oligosaccharid GalNAc-α-(1→3)-Gal-β-(1→4)-Glc sowie von den GOS - entstanden durch die vorherige Behandlung mit β-Galactosidase - abgetrennt werden. Die Sialyllactosen gingen dabei nahezu vollständig verloren. Auf Grund der vermuteten gesundheitsfördernden Wirkung der Sialyllactosen bedarf es weiterer Forschungsaktivitäten. Insbesondere ist eine Optimierung des Aufgabevolumens, der Konditionierung und der Wahl der stationären Phase wünschenswert. Mit den durch Aktivkohle aufgereinigten GOS-Lösungen, die weniger als 1 % Mono- und Disaccharide am Gesamtzuckergehalt enthielten, wurden orientierende Studien zur potentiell bifidogenen Wirkung durchgeführt (siehe Kapitel 4.5). Die orientierenden Studien mit Bifidobacterium longum ließen eine potentiell bifidogene Wirkung der untersuchten GOS-Lösungen erkennen. Diese GOS-Proben zeigten dabei eine stärkere bifidogene Wirkung als die bifidogene Referenzsubstanz Lactulose und der Vivinal®GOS-Sirup. Zukünftig sollten die Proben, die nach Beendigung der bakteriellen Reaktion gewonnen wurden, mittels HPAEC-PAD analysiert werden. Dadurch könnte der Kohlenhydratabbau bzw. die Bildung organischer Säuren untersucht werden. Der zeitliche Verlauf sowie der Einsatz anderer Mikroorganismen - wie Lactobazillen und Clostridien - könnten ebenfalls untersucht werden. Andere orientierende Studien, wie antiinflammatorische Tests, wären bei der weiteren Charakterisierung der Oligosaccharide hilfreich. Die Herstellung eines Oligosaccharid-angereicherten Lebensmittels erfolgte im Labormaßstab unter Zusatz der potentiell bifidogenen GOS-Lösung, die mit Hilfe von β-Galactosidase aus K. lactis synthetisiert wurde. Die Art der Erhitzung des Lebensmittels - Pasteurisierung vs. Hocherhitzung - hatte keinen Einfluss auf die Zuckerzusammensetzung und die Zuckergehalte. Während einer anschließenden sechswöchigen Lagerung in der Kälte konnte kein Abbau der Kohlenhydrate detektiert werden. Als Ausblick für weitere Forschungen ist die Bestätigung der potentiell bifidogenen Wirkung der MOS-haltigen Proben von primärer Bedeutung. Anschließend könnten Studien mit funktionellen, MOS-haltigen Lebensmitteln durchgeführt werden. Dabei sollte versucht werden, ein humanmilchähnliches Lebensmittel mit ca. 20 % sauren und ca. 80 % neutralen Oligosacchariden herzustellen. Die mittels Nanofiltration aufgereinigten, MOS-haltigen Proben könnten als saurer Zusatz und die enzymatisch synthetisierten, GOS-haltigen Proben als neutraler Zusatz verwendet werden. Des Weiteren sollte eine Überprüfung der potentiell bifidogenen Wirkung sowie eine sensorische Prüfung des hergestellten Lebensmittels durchgeführt werden. Sobald MOS durch Nanofiltration bzw. GOS mittels enzymatischer Synthese im großtechnischen Maßstab aufgereinigt bzw. hergestellt werden können, sind Humanstudien zur Bestätigung der Wirksamkeit von milcheigenen Oligosaccharide bzw. der Galacto-Oligosaccharide möglich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten potentiell funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe (enzymatisch synthetisierte, GOS-haltige Lösungen) und Lebensmittelinhaltsstoffe, deren vermutete Funktionalität noch nicht bestätigt wurde (durch Nanofiltration aufgereinigte, MOS-haltige Lösungen), hergestellt werden. Unter Verwendung der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und der Erfüllung der im Ausblick geschilderten Bedingungen, ist eine großtechnische Produktion eines funktionellen, Oligosaccharid-angereicherten Lebensmittels möglich.

Le fractionnement au pressurage, étape clé de la méthode champenoise, et le type de pressurage, conditionnent de façon significative la composition biochimique du moût et du vin. Le pressurage est fractionné en séparant les premiers moûts extraits, qui constituent la "cuvée", et qui proviennent de la pulpe, partie la plus riche en sucre et en acides (tartrique et malique), des volumes suivants, appelés "tailles", qui sont aussi riches en sucre, en sels minéraux (potassium notamment) et en matières colorantes mais moins acides. Les moûts ont des caractéristiques analytiques bien spécifiques. L’évolution de la composition des moûts au cours du pressurage et la mesure des principaux paramètres analytiques permettant de juger de la qualité de l’extraction ont fait l’objet de quelques études (Valade et Blanck, 1989; Blouin, 1998) sur la base d’un fractionnement volumétrique répondant à un cahier des charges champenois. Toutefois, aucune étude portant sur un large nombre de paramètres, dont les propriétés moussantes, n’avait été entreprise avant ce travail de thèse.Une contamination du raisin par le champignon pathogène Botrytis cinerea (pourriture grise) et l’effet de la maturité du raisin, autres paramètres clés dans l’élaboration du Champagne, ont un impact sur la qualité et la composition des moûts et des vins de base et notamment sur les compositions protéique, polysaccharidique et oligosaccharidique. Les essais ont été réalisés avec 2 pressoirs différents : un pressoir pneumatique industriel (capacité 8000 kg) et un pressoir de laboratoire (capacité 6 kg). Ce travail a été réalisé sur deux cépages : Pinot meunier (millésimes 2013 et 2015) et Chardonnay (millésimes 2014 et 2015). Les analyses suivantes ont été réalisées sur les moûts et vins de base : (i) paramètres œnologiques classiques des moûts et des vins, (ii) isolement et analyse des polysaccharides et oligosaccharides solubles des vins de base, (iii) quantification et identification des protéines solubles des vins de base, (iv) mesure de l’activité protéasique des vins de base (impact de Botrytis cinerea), (v) comparaison de la composition des moûts et des vins issus de raisins sains de deux millésimes : 2013 (pressoir industriel) et 2014 (pressoir de laboratoire).La connaissance de l’état sanitaire et l'optimisation du choix de la date des vendanges en fonction de la maturité sont des outils à la disposition de l’œnologue qui lui permettent d’améliorer la qualité des moûts produits au cours du pressurage et par conséquent celle des vins qui en sont issus. A la suite de cette approche, il serait intéressant de voir dans quelles conditions ces paramètres pourraient être reproduits à grande échelle pour une application industrielle. / Press fractioning is a key step in the Champagne method, and the type of pressing will significantly determine the biochemical composition of the juice and the wine. The first pressed juice obtained in the fractioned pressing cycle, called the “cuvée”, is rich in sugar and acids (tartaric and malic). The second pressed juice, called the “tailles”, is as rich in sugar, mineral salt (potassium in particular) and colorant materials as the first one but less acidic. Must has specific analytical characteristics. The evolution of composition in the must during the pressing cycle and the measure of current analytical parameters, allowing the understanding of grapes extraction, have led to little studies in the Champagne region (Valade et Blanck, 1989; Blouin, 1998). These studies have followed the changes between the Cuvée and the Tailles, according to the rules applied for Champagne production. Nevertheless, no study had considered a large number of parameters, including the foaming properties, before this thesis.The contamination of grapes by the pathogenic Botrytis cinerea (gray mold) and the effect of grape maturity, which are other key parameters in the elaboration of Champagne, have an impact on the quality of must and base wine, especially on proteins, polysaccharides and oligosaccharides. The essays were carried out in two different presses: an industrial automatic press (capacity 8000 kg) and a laboratory press (capacity 6 kg). This study was made on two grape varieties: Pinot meunier (vintages 2013 and 2015) and Chardonnay (vintages 2014 and 2015). The following analyzes were effectuated on must and base wine: (i) determination of current oenological parameters of must and base wine, (ii) isolation and analysis of soluble polysaccharides and oligosaccharides in base wine, (iii) analysis, quantification and identification of soluble proteins in base wine, (iv) quantification of protease activity in base wine (the impact of Botrytis cinerea), (v) comparison of composition of must and base wine from healthy grapes of two vintages: 2013 (industrial press) and 2014 (laboratory press).The knowledge of the sanitary state and the optimization of the harvest date are tools used by oenologist to improve the quality of must, obtained during the pressing cycle, and therefore of wine elaborated from them. Following this study, it could be interesting to examine in which conditions these parameters may be reproduced at a bigger scale for forward industrial applications.

La plupart des développements qui ont été effectués ces dernières années dans le domaine de la RMN rapide ont permis d’accélérer considérablement l’acquisition des expériences multidimensionnelles. Cependant, dans le cas de l’étude des interactions proton-proton, qui constituent des sondes structurales précieuses des molécules, l’ensemble du processus analytique demeure une tâche difficile et longue pour les chimistes. Une raison est la complexité et la quantité des informations rendues disponibles qui contribue au profil spectral global, même dans le cas de molécules de petites et moyennes tailles. En l’état de l’art actuel, il était difficile d’optimiser simultanément la résolution des spectres de corrélations et la durée d’analyse nécessaires pour les acquérir et les exploiter. Ce projet de thèse avait pour but de développer une approche RMN nouvelle et générale basée sur un encodage spatial fréquentiel de l’échantillon afin de simplifier et d’accélérer l’étude de molécules plus ou moins complexes. L’encodage spatial fréquentiel permet de contrôler sélectivement les évolutions de spins dans des régions localisées de l’échantillon et de les combiner dans des spectres RMN haute résolution dans lesquels le contenu analytique est aisément accessible. Dans une première partie, la théorie de l’encodage spatial en fréquence est présentée. Une méthode de simulation du signal RMN encodé est présentée, puis utilisée pour décrire la localisation du processus d’excitation sélective d’un système de spin modèle, en allant de l’analyse d’une cohérence unique vers la reconstruction du spectre encodé à travers le tube RMN. En parallèle, l’influence du champ magnétique sur la largeur de coupe et de sensibilité de ce type d’expériences est également étudiée grâce à cet outil de simulation. Dans une deuxième partie, deux développements méthodologiques sont présentés. Tout d’abord, l’expérience PCR-COSY donne accès, en un seul spectre, à la mesure totalement éditée et attribuable des couplages scalaires proton-proton pour une molécule donnée. Ensuite, l’expérience push-G-SERF permet de mesurer l’ensemble des couplages impliquant un proton sélectionné à partir d’un spectre présentant des signaux J-résolus dans la dimension indirecte et -résolus dans la dimension directe du spectre. Dans une troisième partie, les expériences basées sur un encodage spatial de l’échantillon sont appliquées à l’analyse conformationnelle d’un saccharide synthétique. Tout d’abord, les avantages et inconvénients de la mise en œuvre des techniques d’encodage spatial en fréquence à très haut champ sont discutés. Enfin, une stratégie d’analyse conformationnelle basée sur la spectroscopie J-éditée est présentée et appliquée avec succès à l’étude de cet oligosaccharide. / Most of the developments that have been made during the last years in the field of fast NMR have allowed for considerably accelerating the acquisition of multidimensional experiments. However, the analysis of proton-proton spin interactions, which are very important structural probes in molecules, still constitutes a tedious and time-consuming analytical process for most of the chemists. One reason is the complexity and the high number of homonuclear couplings that contribute to the overall lineshape in proton spectra, even for small or medium-sized compounds. It is thus nowadays very difficult to optimize both the resolution of correlation spectra, and the experimental time needed to acquire them, using state of the art high resolution methods. This thesis project aimed at developing a novel and general approach based on a spatial frequency encoding of the NMR sample in order to simplify and thus to accelerate the analysis of complex molecular systems. Spatial frequency encoding consists in controlling selectively spin evolutions in localized regions of the sample, and in combining them into high resolution experiments whose analytical content is easily accessible. In a first part, the theory of spatial frequency encoding is presented. A general method for simulating the encoded NMR signal is introduced, and it is applied to describe the localized selective excitation process of a model spin system, from the analysis of a single spin coherence, to the reconstruction of the whole NMR spectrum encoded throughout the sample. The magnetic field dependence of the slice selection process, as well as the overall sensitivity is also addressed through this simulation tool. In a second part, two methodological developments are presented. Firstly, the PCR-COSY experiment gives access, in a single spectrum, to a fully edited and assignable measurement of all the proton-proton scalar couplings in a given molecule. Secondly, the push-G-SERF experiment allows for measuring all the couplings involving a selected proton on correlations showing a J-resolved and a -resolved structure in the indirect and direct domain of the resulting 2D spectrum, respectively. In a third part, high-resolution experiments based on a spatial frequency encoding of the sample are applied to the conformational analysis of a synthetic saccharide. First, advantages and drawbacks of an implementation of spatial frequency encoded techniques at very high field are discussed. Then, a conformational analysis strategy based on J-edited spectroscopy is introduced, and successfully applied to the study of this oligosaccharide.

Les biopuces connaissent un grand essor depuis quelques années avec des applications possibles pour l’ADN, les protéines et les oligosaccharides. Une puce à oligosaccharides présente des difficultés par rapport à une puce à ADN notamment par les contraintes en température et il existe moins de travaux dans ce domaine. Ce travail est donc consacré à l’étude d’une puce à oligosaccharide, par synthèse supportée et par masquage avec un film de polymère. Le procédé de fabrications est particulièrement détaillé.Nous étudions tout d’abord expérimentalement la formation d’un film de polymère obtenu par évaporation d’une goutte de solution polymérique sur une surface structurée chimiquement(zone de mouillabilité différente) en suivant son évolution transitoire. Nous montrons que ce type de surface hétérogène est particulièrement adapté pour la fabrication de biopuces.D’autre part, nous réalisons un modèle numérique de l’évaporation d’une goutte de solution polymérique sur une surface chauffée à partir de la méthode de la lubrification et d’un modèle de « hauteur de résine ». Les résultats expérimentaux et de simulation numérique sont comparés et montrent un bon accord qualitatif sur la forme des films de polymères résultant de l’évaporation.Dans ce travail, la synthèse supportée de biopuces à oligosaccharide est menée à bien en utilisant des polymères et des surfaces judicieusement choisies. En particulier, la technique de masquage par film de polymère se révèle être très bien adaptée pour protéger les oligomères à la fois à hautes et à très basses températures. / Biochips are experiencing recently a great success with possible applications for DNA,proteins and oligosaccharides. An oligosaccharide chip presents difficulties compared to aDNA chip because of the many temperature constraints and less work has been performed inthis area. This work is devoted to the study of a oligosaccharide chip fabricated par supportedsynthesis and protected with a polymer film. The manufacturing process is particularlydetailed.We first examine experimentally the formation of a polymer film obtained by evaporation of adrop of polymer solution on a chemically structured surface (zone of different wettability) byfollowing its transient evolution. We show that this type of heterogeneous surface isparticularly suitable for manufacturing biochips. On the other hand, we propose a numericalmodel of the evaporation of a drop of polymer solution on a heated surface using thelubrication method and a “height of resin”. The experimental results and numericalsimulations are compared and show good qualitative agreement on the shape of the polymerfilms obtained after evaporation.In this work, the supported synthesis of oligosaccharide microarrays was carried out usingpolymers and surfaces which have been carefully chosen in preliminary testing. In particular,the masking technique using polymer film turns out to be highly suitable for protectingoligomers at both high and very low temperatures.

L’objectif de ce travail est la valorisation des molécules bioactives présentes initialement dans Gelidium sesquipedale. Les rhodophycées agarophytes dont Gelidium sesquipedale sont exploitées à l’échelle industrielle pour l’agar, un phycocolloïde aux propriétés gélifiantes, qu’elles contiennent en abondance. Une multitude de coproduits sont générés lors de l’extraction de l’agar. Ces derniers, peu étudiés, ne sont pas valorisés alors qu’ils constituent une source potentielle de molécules d’intérêts. En premier lieu, le process industriel d’extraction de l’agar a été adapté à l’échelle du laboratoire afin de récupérer ces co-produits dont l’analyse a montré la richesse en glucides. Ils ont par la suite été fractionnés pour isoler les oligosaccharides dont certains sont connus comme éliciteurs chez les plantes. Ainsi, plusieurs fractions oligosaccharidiques ont été obtenues avec un rendement estimé à 15,7% de Gelidium sesquipedale sec. Les fractions sélectionnées ont été caractérisées par CPG, ESI-MS, RMN et perméthylation ce qui a permis d’élucider les structures des oligosaccharides qu’elles contiennent et de révéler notamment la présence de dérivés de floridoside dont le Gal2glycérol, le Gal3glycérol et le Gal4glycérol qui sont des molécules originales chez Gelidium sesquipedale non décrites à ce jour chez les algues rouges. Une dernière partie a consisté en la mesure de l’activité élicitrice de ces fractions qui a pu être vérifiée sur des plantes de tomate à travers des mesures de marqueurs biochimiques relatifs à l’expression des réactions de défense chez la plante. En conclusion, les coproduits issus de l’extraction de l’agar représentent une source de pSDNs (phyto stimulateur des défenses naturelles chez la plante) ; ils offrent une nouvelle perspective de développement à l’industrie de l’agar. / This work aims at promoting the bioactive molecules initially present in Gelidium sesquipedale. The rhodophycea agarophytes, including Gelidium sesquipedale, are used for industrial extraction of agar, a phycocolloid with gelling properties, which they contain in abundance. A multitude of co-products are generated during the extraction of the agar. These co-products have only been studied a little, hence not valued, while they constitute a significant source of molecules of interest. Firstly, the industrial agar extraction process was adapted on a laboratory scale, in order to recover these coproducts, which were subsequently subjected to an analysis, which revealed the presence of carbohydrates as major components. They were submitted to a fractionation process to obtain oligosaccharidic fractions, with a potential of elicitor activity, and a yield estimated at 15.7% of dry Gelidium sesquipedale. Also, a follow-up of co-products from batches of Gelidium sesquipedale harvested in different years from 2014 to 2016, enabled the comparison of the composition of the various co-products, depending on the year of the harvest, and thus to evaluate the variability of the initial resource. In addition, the impact of an extraction factor, being the sodium concentration, and the comparison with an industrial co-product produced by this process, were carried out. The retained fractions were characterized by GPC, ESI-MS, NMR and permethylation that allowed the elucidation of the structures of the oligosaccharides they contain, and revealed in particular the presence of floridoside derivatives including Gal2glycerol, Gal3glycerol and Gal4glycerol, which are original molecules in Gelidium sesquipedale, not described to date in red algae. A final part consisted in measuring the activity of these fractions as elicitor that could be estimated on tomato plants through measurements of biochemical markers relating to the expression of defense reactions in the plant. In conclusion, the co-products from agar extraction represent a source of pSDNs (phyto stimulator of natural defense in the plant) and give a new perspective to the agar industry.

<p>Heparan sulfate (HS) belongs to the glycosaminoglycan family of polysaccharides and is found attached to protein cores on cell surfaces and in the extracellular matrix. The HS backbone consists of alternating hexuronic acid and glucosamine units and undergoes a number of modification reactions creating HS chains with alternating highly and low modified domains, where high degree of modification correlates with high negative charge. Fibroblast growth factors (FGFs) and their receptors (FRs) both bind to HS, which affect formation of the FGF–FR complexes on the cell surfaces. Activated FRs can trigger several intracellular signaling pathways leading thereby to diverse cellular responses. </p><p>Work presented in this thesis focuses on the effect of HS and its structures on FGF–FR complex formation and FGF-induced signaling. Studies with short, highly modified oligosaccharides and FGF1 and 2 combined with FR1c, 2c, 3c or 4 showed a correlation between the overall degree of modification and amount/stability of FGF–FR complexes. Our findings imply that several HS structures, differently modified but with the same negative charge density are equal in their ability to support complex formation. Co-application of oligosaccharides with FGF2 to HS-deficient cells and investigation of the thereby induced cell signaling confirmed our findings with a cell-free system. The oligosaccharide with the highest modification degree displayed the biggest impact on cell signaling, which was FGF2 concentration dependent. Studies with long HS polysaccharides with preserved high and low modified domains suggest that the proportion between these two types of domains and also the structure of the low modified domains are of importance for the FGF–HS–FR complex formation and cell activation capacity. </p><p>This work illuminates several aspects in how HS structure influences the interplay between FGFs and FRs and contributes to the understanding of what factors affect a cell’s response following FGF stimulation.</p>