Les réseaux de molécules interdépendantes sont depuis quelque temps considérés comme de potentiels candidats pour avoir amorcé la transition de la biologie à la chimie. Bien qu'ils aient été intensivement examinés en théorie, il n'existe toujours aucune preuve expérimentale pour confirmer ou infirmer leur supposé rôle crucial dans les origines de la vie. En particulier, il nous manque encore une démonstration empirique des trois ingrédients habituellement présentés comme requis pour l'évolution darwinienne: l'hérédité, la variation et la sélection. Un système qui posséderait les trois tout en étant couplé à un processus de réplication en compartiments serait théoriquement capable d’évoluer au sens darwinien du terme. Par exemple, cela a été montré théoriquement pour les Ensembles Collectivement Autocatalytiques (CAS pour Collectively Aucatalytic Sets en anglais) où chaque molécule de l'ensemble est formée catalytiquement par un autre membre de l'ensemble. Ici, nous utilisons le système de ribozyme Azoarcus, qui catalysent des réactions de recombinaisons, pour former expérimentalement des CASs structurellement divers afin d’explorer leurs propriétés évolutives. Dans ce système, les ribozymes peuvent catalyser la formation d'autres ribozymes à partir de fragments plus petits, présents dans l'environnement. Nous utilisons un dispositif de microfluidique en gouttes associé au séquençage haut-débit pour mener une étude à grande échelle sur des milliers de CASs Azoarcus. Nous développons une approche perturbative pour identifier les paramètres topologiques importants contrôlant les variations observées dans les CAS à la suite de perturbations de l’environnement, ici l'ajout d'une nouvelle espèce. Nous déterminons ensuite l’ensemble restreint de caractéristiques du réseau régissant la mémoire des conditions initiales dans les CASs Azoarcus, un prérequis pour l'hérédité, en utilisant un modèle théorique validé par des données expérimentales. Enfin, nous démontrons qu’il existe dans les CASs Azoarcus des processus cataboliques qui les rendent robustes aux perturbations des fragments qui composent leur substrat et donc plus pertinent d’un point de vue prébiotique. Ces résultats démontrent le rôle crucial des CASs à base d’ARN dans les origines de la vie et illustrent comment la structure de leur réseau peut être adaptée pour obtenir des CASs avec des propriétés intéressantes d’un point de vue évolutif, ouvrant la voie à une démonstration expérimentale de l'évolution darwinienne avec système purement moléculaire. / Networks of interdependent molecules are considered plausible candidates for initiating the transition from biology to chemistry. Though they have been intensively scrutinized theoretically, there is still no experimental evidence for confirming or denying their supposed crucial role in the origins of life. In particular, we are still lacking experimental proofs of any of the three ingredients usually presented as required for Darwinian evolution: heredity, variation and selection. A system that would possess the three while being coupled to some sort of encapsulated replication process would theoretically be able to undergo Darwinian evolution. As a matter of fact, this has been shown theoretically for Collectively Autocatalytic Sets (CAS) where each molecule of the set is catalytically formed by another member of the ensemble. Here we use the Azoarcus recombination ribozyme system to experimentally form structurally diverse CASs to explore their evolutionary properties. In this system, the ribozymes can catalyze the assembly of other ribozymes from smaller fragments, present in the food set. We first use a droplet microfluidics set-up coupled with next-generation sequencing to conduct a large scale study on thousands of Azoarcus CASs. We develop a perturbative approach to identify the important topological parameters that control variations in CASs as a result of environmental perturbations, here the addition of a new species. We then determine the small set of network features governing memory of the initial conditions in Azoarcus CAS, a pre-requisite for heredity, by using a computational model validated by experimental data. Finally, we demonstrate that Azoarcus CAS possess catabolic processes which make them robust to perturbations in the food set and thus more prebiotic relevant. These results provide evidence for the crucial role of RNA CASs in the origins of life and illustrate how the network structure can be tailored to obtain CASs with properties interesting from an evolutionary point of view, paving the way to an experimental demonstration of Darwinian evolution with a purely molecular system.

Les liens entre le microbiote intestinal, la diète et les désordres métaboliques sont maintenant établis. Les polyphénols des petits fruits affectent les bactéries pathogènes dans le côlon, et stimulent les bactéries symbiotiques, particulièrement Akkermansia muciniphila chez l'homme et dans des modèles murins. Cette bactérie muciphile contribue à l'homéostasie intestinale et induit une réponse immunitaire et métabolique bénéfique chez l'hôte. Cependant, on comprend mal comment les polyphénols peuvent sélectivement l'affecter et l'analyse traditionnelle métagénomique obtenue d'études in vivo n'offre qu'une image partielle des mécanismes impliqués. Cette thèse vise à évaluer, par des approches in vivo et in vitro, comment les polyphénols modifient le microbiote intestinal, la morphologie de l'épithélium du colon, la niche écologique d'Akkermansia, et par extension affectent le métabolisme de souris soumises à une diète obésogène. Une attention particulière a été portée à l'effet de ces composés sur la croissance d'A. muciniphila et les mécanismes moléculaires qu'ils induisent chez la bactérie. Dans un premier chapitre, l'effet des poudres de fruits canneberge et de bleuets riches en polyphénols et leurs fractions fibreuses a été étudié chez des souris soumises à une diète obésogène (HFHS) pendant 8 semaines afin d'évaluer lesquels des polyphénols ou des fibres sont responsables de l'effet prébiotique observé. Cette étude a démontré que ce sont surtout les polyphénols contenus dans les poudres de canneberges et de bleuets entiers qui sont responsables de l'action prébiotique, notamment en stimulant A. muciniphila. En effet, la poudre de canneberge comme celle de bleuets inhibent particulièrement les pathogènes induits par la diète HFHS. En outre, l'analyse de redondance fonctionnelle a révélé que la consommation de poudre de canneberge riche en polyphénols permettait au microbiote de souris obèses de retrouver les fonctions de celui de souris maigres. Ces souris présentaient un poids et une efficacité énergétique inférieurs à celui des souris non traitées. De plus, d'autres bactéries symbiotiques étaient favorisées par les poudres de fruits entiers : Muribaculaceae, Dubosiella newyorkensis et Eggerthellaceae. Fait intéressant, les fibres de canneberge inhibaient également les pathogènes, favorisaient des bactéries dégradant les polyphénols et réduisaient les triglycérides hépatiques chez les souris obèses. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des polyphénols, même lorsqu'ils sont associés aux fibres, à atténuer les désordres métaboliques. Le deuxième chapitre s'intéresse à identifier les catégories de polyphénols impliquées dans l'accroissement du nombre de bactéries symbiotiques et particulièrement d'A. muciniphila. Les souris soumises à une diète obésogène ont été traitées avec un extrait de bleuet ou trois de leurs fractions polyphénoliques : F1, riches en anthocyanes et en acides phénoliques; F2, riche en oligomères de proanthocyanidines (PACs) ainsi qu'en flavonols; et F3 riches en polymères de PACs. Ces sous-fractions ont été administrées aux souris dans les mêmes concentrations que celles retrouvées dans l'extrait entier. Globalement, les fractions polyphénoliques ont restauré l'épaisseur de la couche de mucus, mais particulièrement les fractions riches en PACs ont significativement stimulé A. muciniphila, tout en améliorant la proportion de cellules caliciformes et le métabolisme du glucose chez les souris obèses. Enfin le dernier chapitre s'intéresse aux mécanismes par lesquels les polyphénols favorisent la croissance de A. muciniphila dans l'intestin. Des cultures d'A. muciniphila ont donc été effectuées dans des milieux enrichis en polyphénols afin d'évaluer les gènes impliqués dans le métabolisme cellulaire et dans la résistance aux antimicrobiens; les pompes à efflux non spécifiques, les polysaccharides capsulaires (CPS), les exopolysaccharides (EPS), les transporteurs de type ABC-2 et de resistance-nodulation-cell division (RND) ont joué un rôle crucial dans la résistance et l'adaptation de la bactérie aux polyphénols. La croissance d'A. muciniphila n'a pas été inhibée par l'extrait de canneberge entier ni par ses fractions polyphénoliques, mais elle a été stimulée par l'urolithine-A. Cette expérience in vitro a démontré que les polymères de PACs favorisent davantage les mécanismes d'adaptation antimicrobienne impliqués dans la protection des parois cellulaires et la régulation énergétique chez Akkermansia. Parallèlement à l'urolithine-A, les polymères de PACs ont induit la production du CPS et du EPS chez A. muciniphila. Ces CPS/EPS pourraient contribuer aux rôles immunomodulateur et anti-obésité d'A. muciniphila et par conséquent constituer des postbiotiques prometteurs. Cette thèse démontre la sélectivité des polyphénols, principalement des PACs, dans l'inhibition des pathogènes associés à l'obésité et dévoile les mécanismes moléculaires qui sous-tendent leurs effets prébiotiques sur A. muciniphila. / The link between gut microbiota, diet and metabolic diseases is now established. Polyphenols from berries and other dietary sources have been shown to inhibit opportunistic pathogens and stimulate symbiotic bacteria, particularly Akkermansia muciniphila in humans and animals. A. muciniphila is a mucus-living bacterium shown to contribute to the intestinal homeostasis and to drive beneficial immune and metabolic response in the host. However, it is not yet known how polyphenols can selectively affect A. muciniphila from in vivo studies, since regular metagenomic analysis of the gut microbiota only provide a partial picture of the mechanisms involved. This thesis aims to determine, through in vivo and in vitro approaches, the prebiotic effect of polyphenols and how they affect the physiology and intestinal morphology and the ecological niche of Akkermansia in obesogenic diet-fed mice. Particularly, it focusses on the molecular capacity of A. muciniphila to induce defence mechanisms and adapt to distinct polyphenolic fractions. In the first chapter, in order to assess which constituent of berries was responsible for the prebiotic action, we compared the effect of the dietary supplementation with polyphenol-rich cranberry and blueberry fruit powders to their respective fibrous fractions (cell wall polysaccharides) of high-fat high-sucrose (HFHS) fed mice for 8-weeks. We demonstrated that the polyphenols from cranberry and blueberry fruit powders are mainly responsible for the selective prebiotic effects on A. muciniphila rather than their fibre-rich fractions. Both cranberry and blueberry whole fruit powders inhibited HFHS-induced pathobionts associated with obesity. A functional redundancy analysis revealed that the gut microbiota functions of obese mice were remarkably changed by polyphenol-rich whole cranberry powder, restoring it back to that observed in lean mice; that is, they presented lower body weight and energy efficiency as compared to untreated mice. Furthermore, other symbiotic bacteria were influenced by polyphenol-rich berry powders, notably Muribaculaceae, Dubosiella newyorkensis, and the polyphenol-degrading Eggerthellaceae; these mice presented a lower body weight and energy efficiency as compared to untreated mice. Surprisingly, cranberry fibrous fraction also inhibited pathobionts and promoted polyphenol-degrading families and reduced the hepatic triglycerides level in HFHS-fed mice. Altogether, these findings highlight the role of polyphenols associated with fibres, in attenuating obesity. The second chapter aimed to identity which polyphenolic category was mostly responsible for the prebiotic effect and the abundance of A. muciniphila. HFHS-fed mice were treated with a whole blueberry extract and with the three constitutive polyphenolic fractions: F1, rich in anthocyanins and phenolic acids, F2, rich in oligomeric proanthocyanidins (PACs) and flavonols, and F3 rich polymeric PACs. These sub-fractions were administered to mice at the same concentration as encountered in the whole extract. All in all, the polyphenolic fractions restored the mucus thickness, but the PAC-rich fractions besides stimulating A. muciniphila, increased the proportion of goblet cells and improved the glucose homeostasis in obese mice. Finally, the third chapter looks at the mechanisms by which polyphenols promote the growth of A. muciniphila. Growing assays of A. muciniphila were carried out in polyphenols enriched media in order to assess the expression of genes involved in cell metabolism and antimicrobial resistance. Genes coding for multidrug efflux pumps, capsular polysaccharide (CPS) family, exopolysaccharides (EPS), and ABC-2 type and resistance-nodulation-cell division (RND) transporters were shown to play a crucial role in allowing the bacteria to withstand the different cranberry polyphenolic fractions and adapt to the stress they caused. A. muciniphila growth was not inhibited by the whole cranberry extract neither by its polyphenolic fractions, but enhanced by the phenolic metabolite urolithin-A. Moreover, we showed that the polymeric PACs were triggering most intensively the antimicrobial adaptation mechanisms involved in cell-wall protection and energy management in A. muciniphila. Both of these fractions up-regulated CPS and EPS in A. muciniphila. CPS/EPS secretion in presence of polyphenols might represent promising post-biotic products, possibly involved in the immune modulatory and anti-obesity potential by A. muciniphila. Altogether, this thesis demonstrates for one of the first times that berry polyphenols and their PAC-rich fractions are responsible for the prebiotic-like effect on A. muciniphila, and the inhibition of specific pathobionts associated with obesity and unveils the molecular mechanisms underpinning the resilience of this bacterium to phenolics.

Cereus triangularis est un cactus non endémique de la sous-famille des Cactoïdées très présent dans le nord de Madagascar. Ses cladodes sont utilisées sous la forme de décoctions dans la pharmacopée Malgache. Bien que riche en hydrocolloides comme la plupart des cactus appartenant à cette sous famille il n’est pas exploité pour la production de polysaccharide. Notre travail a donc consisté à définir les conditions d’extraction des polysaccharides hydrosolubles des cladodes de cette plante, à en identifier la structure, à en caractériser les propriétés physico-chimiques et à explorer des voies enzymatiques pour leur dégradation en oligomères et/ou en polymères de faibles masses molaires. Nos travaux ont conduit à l’identification d’un arabinogalactane de type I de haute masse molaire. Ce polysaccharide est constitué d’une chaîne principale de galactane de type β-(1,4)-D-GalP substituée en position 3 par des groupements T-α-L-Araƒ-(1, ou des chaînes latérales d’arabinanes. Le comportement rhéologique de ce galactane est typique des polymères rheofluidifiants ayant des propriétés de gel faible. La mise en œuvre de dégradations enzymatique à l’aide d’une galactanase fongique a conduit à l’obtention de fractions de plus faibles masses molaires que celles des polymères natifs qui ont pu être testées avec succès pour leurs propriétés prébiotiques. / Cereus triangularis is a non endemic cactus belonging to the sub-family of Cactoideae, well represented in the north of Madagascar. Its cladodes are used in food decoction as a traditional medicine in Madagascar. Even if the hydrocolloid content of this cactus is high as observed with other ones from the same sub-family, it is not exploited for the production of polysaccharides. In this study we have defined an extraction procedure to collect the soluble polysaccharide from the cladodes of this cactus and characterized the structure of it before to investigate its physico-chemical properties and to degrade it into oligosaccharides using enzymes. Structural analyses have revealed that this polysaccharide is a type I arabinogalactan with a high molecular weight. It is mainly composed of a galactan backbone of β-(1,4)-D-GalP substituted at position 3 by T-α-L-Araƒ-(1, or arabinan chains. The rheological properties of this galactan are characteristic of a pseudoplastic fluid with a weak gel behavior. Its enzymatic degradation using a fungal galactanase led to the production of oligomers and low molecular weight polysaccharides which have been successfully tested as prebiotics.

L’antibiorésistance est un problème de santé publique majeur, causé principalement par l’usage abusif d’antibiotiques dans les élevages. Les probiotiques sont une alternative potentielle aux antibiotiques. Cependant, acheminer ces microorganismes vivants et fonctionnels jusqu’au côlon est un grand défi, à cause du pH et des sels biliaires à affronter lors du passage gastro-intestinal. L’objectif de ce travail était de développer une matrice prébiotique capable de maintenir la survie et l’activité des probiotiques pendant le transit gastro-intestinal et de permettre leur libération dans le côlon. Pour atteindre cet objectif, cinq types de matrices sphériques (A, AI5, AI10, AI15, AI20) à base d’inuline (0 %, 5 %, 10 %, 15 % et 20 %) et d’alginate (2 %) ont été préparés par la méthode d’extrusion/gélification ionotropique. Trois souches probiotiques ont été utilisées au cours du développement des billes : Pediococcus acidilactici UL5 (UL5), Lactobacillus reuteri (LR) et Lactobacillus salivarius (LS). Dans un premier temps, toutes les formulations ont été caractérisées d’un point de vue physicochimique et microbiologique. Ces analyses ont permis de révéler une distribution homogène de l’inuline et de l’alginate au sein des matrices et ont démontré que la viabilité et la capacité antimicrobienne des souches utilisées n’étaient pas affectées par l’encapsulation. À la lumière de ces résultats, trois formulations A, AI5 et AI20 ont été sélectionnées pour la suite de l’étude. Dans un deuxième temps, la mucoadhésion et le comportement des billes A, AI5 et AI20 ont été étudiés dans les parties supérieures du tractus gastro-intestinal. Ces études ont démontré que la présence de l’inuline améliore les propriétés mucoadhésives des billes. Elles ont également établi que seule la formulation AI5 résiste jusqu’à la fin de la digestion. Ce comportement est expliqué en partie par l’interaction alginate-inuline décelée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Cette interaction était stable pour les billes AI5 au pH 6,8 mais instable pour la formulation AI20. Enfin, le comportement et la dynamique bactérienne de la formulation AI5 dans les milieux coliques fermenté et non fermenté ont été étudiés. Cette étude a révélé que les billes AI5 se dégradent et libèrent la totalité des bactéries après environ 4 heures d’incubation dans le milieu fermenté. Cette dégradation est due aux enzymes très abondantes dans ce milieu. En conclusion, la formulation AI5 s’est avérée être un très bon véhicule pour protéger les bactéries dans les parties supérieures du tube digestif et favoriser leur libération dans le côlon. Elle pourrait donc, être utilisée pour une application en alimentation animale. / Antibioresistance is a major public health issue, principally caused by the abusive use of antibiotics in farming. Probiotics are a potential alternative to antibiotics. However, delivering them alive and functional to the colon is a great challenge because of the pH and bile salts faced within the gastrointestinal tract. This work aims to develop a prebiotic matrix able maintain the probiotics alive and active during the gastrointestinal transit and able to release them in the colon. To reach this objective, five types of beads (A, AI5, AI10, AI15, AI20) were made of inulin (0 %, 5 %, 10 %, 15 % and 20 %) and alginate (2%) by extrusion/ionotropic gelation method. Three probiotic strains were used during the conception of the beads: Pediococcus acidilactici UL5 (UL5), Lactobacillus reuteri (LR) and Lactobacillus salivarius (LS). Firstly, all the formulations underwent physicochemical and microbiologic characterizations. These first characterizations revealed high yields of the inulin trapped in the beads. They also revealed the homogeneous distribution of inulin and alginate inside the matrix and demonstrated that the encapsulation did not affect the viability and the antimicrobial activity of the used strains. In the light of these results, the A, AI5 and AI20 formulations were chosen to continue the study. Secondly, the mucoadhesiveness and the behaviour of the A, AI5 and AI20 within the upper parts of the intestinal tract were studied. These studies demonstrated that the presence of inulin improve the mucoadhesiveness of the beads. They also demonstrated that only the AI5 formulation was able to resist until the end of the digestion. This behaviour was partly explained by the interaction of the alginate and the inulin found by the FTIR. This interaction was stable for the AI5 beads in pH 6.8 but unstable for the AI20 formulation. Finally, the behaviour and the bacterial dynamics of the AI5 formulation in the fermented and unfermented colonic medium were studied. This study revealed that the AI5 beads were degraded and released all of the bacteria after around 4 hours in the fermented medium. This degradation is probably due to the enzymes abundantly present in this medium. In conclusion, the abilities of AI5 formulation to protect the bacteria in the upper parts of the digestive tract and to release them to the colon can be affirmed. It could be used for an application in animal feeding.

Les acides linoléiques conjugués (ALC) ont suscité beaucoup d’intérêt à cause de leurs effets bénéfiques sur la santé. Une des hypothèses pouvant expliquer le lien entre la consommation d’ALC et les effets bénéfiques revendiqués est l’existence d’interactions étroites entre les ALC et le microiote colique chez l’humain. Dans cette optique, ce projet de doctorat vise à étudier à l’aide de différents modèles in vitro novateurs, la bioaccessibilité des ALC et d’autres acides gras (AG) d’origine laitière lors du transit gastrointestinal. Il vise également à évaluer le potentiel prébiotique de ces AG et leur impact sur l’équilibre de l’écosystème digestif. Des laits enrichis naturellement en 18:2 cis-9, trans-11 (18:2 c9 t11) ou par émulsification de deux isomères d‘ALC d’origine synthétique sous formes de triglycérides ou d’acides gras libres ont été préparés et utilisés. Les laits ont été standardisés à 1 et à 3,25 % de matière grasse (MG). Un simulateur in vitro de la partie distale du tube digestif a été utlisé pour l’étude de la bioaccessibilité des AG au niveau digestif alors qu’un système de fermentation en continu avec microbiote colique immobilisé a été utilisé pour l’étude de l’effet des différents AG sur l’équilibre du microbiote colique. Les résultats obtenus ont révélé que la bioaccessibilité des AG est très variable et qu’elle dépend de la longueur de la chaîne, de la présence de doubles liaisons et du pourcentage de MG. L'absorption était plus efficace en présence de 1 % de MG. D’autre part, l’étude des effets des ALC d’origine laitière sur la survie et la croissance de différentes souches probiotiques après digestion gastrointestinale a montré que les bifidobactéries n’ont pas été affectées par aucun des traitements alors qu’une stimulation de la croissance des lactobacilles a été observée avec les AG synthétiques à 1 % de MG. Le digestat provenant du lait contenant 3.25 % de MG semble conduire à un mélange d'acide gras résiduel ayant un effet légèrement bactéricide ou bactériostatique pour les lactobacilles. Finalement, l’étude de l’impact des ALC et des AG du lait sur l’équilibre de l’écosystème colique n’a pas révélé de changement significatif de cet équilibre. Certains groupes bactériens ont été stimulés comme les bifidobactéries. Au niveau métabolique, nous avons noté une production de l’acide oléique, de l’acide trans-vaccénique, de l’acide stéarique, de 18:2 cis-9, trans-11 et de 18:2 trans-10, cis-12 qui est concomitante avec une consommation de l’acide linoléique (AL). / Conjugated linoleic acid (CLA) have attracted a lot of interest because of their beneficial effects on health. One hypothesis that could explain the link between the consumption of CLA and the claimed beneficial effects relies to the close interactions between CLA and the human colonic microiota. This study aims to investigate the bioaccessibility of CLA and other fatty acids (FA) of dairy origin during gastrointestinal transit by using different in vitro innovative models. It also aims to evaluate the prebiotic potential of these FA and their impact on the balance of the digestive ecosystem. Fortified milks naturally enriched with cis-9, trans-11 18: 2 (c9 t11 18:2) or by emulsifying two synthetic CLA isomers in the forms of triglycerides or free fatty acid were prepared and used. The milk samples were standardized to 1 and 3.25% fat. An in vitro model reproducing the distal part of the digestive tract has been used for the bioaccessibility study of FA in the digestive tract while a continuous colonic fermentation model with immobilized colonic microbiota was used to study the effect different FA on the balance of the colonic microbiota. Our results showed that the bioaccessibility of FA is highly variable and depends on the length of the FA, the presence of double bonds and the percentage of fat. In general, the absorption was more effective in the presence of 1% fat. Furthermore, the effects of milk CLA after gastrointestinal digestion on the survival and growth of different probiotic strains has shown that Bifidobacteria were not affected by any of the treatments, while a stimulation of growth of Lactobacilli was observed with synthetic FA at 1% MG. Digested milk containing 3.25% fat seems to lead to a mixture of residual fatty acid exhibiting a bactericidal or bacteriostatic effect on Lactobacilli. Finally, the study of the impact of CLA and milk FA did not inducu any significant changes in the microbiota equilibrium. However, some bacterial groups such as bifidobacteria were stimulated. Regarding metabolic activity, we noted a production of oleic acid, vaccenic acid, stearic acid, cis 9, trans-11 18: 2 and trans-10, cis -12 18: 2 which was concomitant with a consumption of linoleic acid.

Le lactosérum est un coproduit de l'industrie de fabrication du fromage et de la caséine et se caractérise par une forte demande chimique et biologique en oxygène. Les énormes quantités de lactosérum générées dans le monde, sa composition particulière et son utilisation limitée dans l'industrie alimentaire rendent nécessaire la recherche d'autres moyens d'ajouter de la valeur à cet ingrédient en vue d'augmenter la rentabilité de la transformation du lait. Dans ce contexte, la technologie de l'électro-activation (EA) offre la possibilité de valoriser le lactosérum par la conversion in situ d'une partie du lactose en lactulose, un prébiotique bien connu et éprouvé. De plus, l'EA cathodique du lactosérum a montré une formation des bases de Schiff suite à la glycation avec différents sucres des protéines, des peptides et des acides aminés libres dans le processus d'électro-isomérisation du lactose en lactulose. Ces produits sont connus pour leur forte activité antioxydante. Ainsi, l'EA ouvre une possibilité de générer un ingrédient fonctionnel avec une valeur ajoutée significative. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce projet de doctorat était d'étudier et de démontrer la faisabilité technologique de l'utilisation du lactosérum électro-activé comme ingrédient fonctionnel à haut potentiel prébiotique dans la production de différents produits laitiers fermentés. La première étape de ce projet a été l'évaluation du comportement du lactosérum électro-activé dans la matrice de gel de lait fermenté. Une comparaison entre le pourcentage de matière grasse du lait, l'inoculum de lactosérum et le type de lactosérum a été effectuée. À cette fin, des échantillons de lait fermenté ont été préparés avec un ajout de 3, 6 et 9 % de lactosérum des deux types (électro-activé et non électro-activé). Il a été constaté que le lactosérum électro-activé prolongeait le temps d'obtention d'un pH de 4,6 en fonction de la quantité ajoutée. Ceci a été attribué à la capacité tampon plus élevée du lactosérum électroactivé; les résultats de l'acidité titrable ayant démontré des niveaux élevés de groupes acides libres. La microstructure du gel obtenu avec l'ajout du lactosérum électro-activé a montré une structure uniforme et moins poreuse, ce qui était en accord avec les résultats de la réduction de la synérèse. Pour confirmer ces résultats, un autre produit laitier fermenté avec un ajout de lactosérum électro-activé a été également développé. Le kéfir enrichi de lactosérum électro-activé présentait également une phase de fermentation prolongée. Les particules de lactosérum EA ont été incorporées de manière homogène dans la matrice du gel de kéfir. Par conséquent, aucune synérèse n'était visible dans les échantillons de kéfir additionnés de lactosérum EA à 9 %. De plus, les deux produits contenaient des niveaux élevés d'acides organiques (lactique, citrique, acétique, propionique et butyrique) lorsqu'ils étaient supplémentés avec du lactosérum EA. La production d'acide butyrique a été induite par l'ajout de lactosérum des deux types. L'analyse HPLC a révélé qu'environ 75-85% des niveaux initiaux de lactulose ont été conservés dans les produits avec du lactosérum EA après le processus de fermentation, ce qui démontre que la consommation de tels produits pourrait constituer une source de lactulose pour le consommateur. La deuxième étape de cette recherche a été d'optimiser l'utilisation du lactosérum électro-activé en tant qu'ingrédient par son incorporation dans le produit qui convient à sa couleur et aux caractéristiques de la réaction de Maillard et des conjugués entre les matières azotées avec les sucres. Le lait fermenté cuit, Ryazhenka, a été testé comme une matrice alimentaire appropriée pour véhiculer le lactosérum EA enrichi en lactulose. L'extension du temps de fermentation a été moins importante pour ce produit. Ainsi, le Ryazhenka additionné de lactosérum à 9% a atteint un pH de 4,6 après 4 h de fermentation. Le produit additionné de lactosérum EA (9%) a atteint ce niveau après 6,5 h. De plus, le lactosérum EA a amélioré la capacité antioxydante de Ryazhenka. Au cours de cette étape, nous avons démontré par des tests in vitro que l'électro-activation du lactosérum peut diminuer l'allergénicité de la β-lactoglobuline de 19,52 mg/kg à 7,56 mg/kg, qui s'est stabilisée à 12,13 mg/kg après neutralisation. Comme le protocole de production de Ryazhenka comprend une étape de cuisson de 3 à 5 h à 97-100°C, on considère qu'il présente des taux d'allergénicité plus faibles en raison des changements de conformation des protéines induits par la chaleur. Ainsi, l'ajout de lactosérum électro-activé ne contribue pas à l'augmentation de l'allergénicité de ce produit. Le troisième objectif de cette étude était de démontrer un potentiel prébiotique du lactosérum électro-activé en cultivant des bactéries probiotiques Lactobacillus rhamnosus subsp, Lactobacillus rhamnosus GG et Lactobacillus acidophilus ATCC4356. La densité optique(OD₆₀₀), le dénombrement sur plaques de Petri, la stabilité durant l'entreposage à 4 °C et la tolérance aux acides et à la bile des bactéries cultivées pendant 24 heures dans du lactosérum électro-activé ont été étudiés et comparés aux résultats obtenus par la culture sur du lactosérum, du lactosérum additionné de lactulose, du MRS et du MRS avec ajout de lactulose. Les valeurs OD₆₀₀ les plus élevées (>2) ont été obtenues dans les biomasses de lactosérum EA pour toutes ces bactéries. Cependant, les numérations sur plaque de Petri n'ont pas confirmé un nombre plus élevé de cellules bactériennes dans du lactosérum électro-activé. On peut donc conclure que le lactosérum électro-activé a probablement stimulé un métabolisme distinct chez les bactéries testées, ce qui est conforme à la définition des prébiotiques qui ont la particularité d'induire une stimulation de la croissance et/ou de l'activité des bactéries probiotiques afin de conférer des avantages pour la santé. En résumé, cette recherche a validé la faisabilité technologique de l'utilisation du lactosérum électro-activé comme ingrédient dans la production de lait fermenté et source de lactulose qui reste stable durant l'entreposage pendant 14 jours à 4 °C. Également, ce projet a montré que le lactosérum électro-activé est un ingrédient fonctionnel prometteur pour une éventuelle utilisation potentielle comme additif alimentaire fonctionnel et prébiotique dans l'industrie laitière. De plus, il peut être utilisé comme agent protecteur pour améliorer la viabilité et l'activité des probiotiques.

Le but de ce projet était de développer la technologie d'électro-activation comme une approche novatrice pour la valorisation intégrale des constituants du lactosérum. Ce sous-produit est riche en composants de valeur avec des propriétés biologiques et fonctionnelles prometteuses. La première étape de ce travail visait à déterminer les conditions optimales pour la production du lactulose en utilisant le lactosérum comme source de lactose. Un rendement de 35% a été obtenu avec une pureté élevée à des températures de 0, 10 et 25°C et un court temps de réaction (≅ 40 minutes). En outre, l'analyse protéomique a révélé l'hydrolyse des protéines de lactosérum et la formation simultanée de produits de réaction Maillard aux propriétés antioxydantes élevées. La deuxième étape visait à élucider les mécanismes antioxydants qui régissaient les hydrolysats de protéines de lactosérum à réaction de Maillard (MRP-whey) et à caractériser leurs structures. L'effet antioxydant a été attribué à de multiples propriétés et pourrait être utilisé à la fois comme antioxydants primaires et secondaires. La structure moléculaire du MRP-whey a été caractérisée comme étant des bases de Schiff. De plus, des peptides bioactifs multifonctionnels, avec des propriétés biologiques ont également été identifiés. Dans la troisième étape, l'efficacité du lactosérum électro-activé (lactosérum-EA) possédant des propriétés prébiotique et antioxydante sur la croissance des bactéries probiotiques testées a été démontrée. Le lactosérum-EA avait comparativement un meilleur effet bifidogène que le lactulose. De plus, on a constaté que le lactosérum-EA produisait un effet protecteur sur L. johnsonii La-1 durant sa croissance en présence d'oxygène. Cet effet peut être lié, en partie, à la capacité du lactosérum-EA à éliminer le peroxyde d'hydrogène et à prévenir son accumulation dans le milieu de croissance. Les spectres FTIR ont montré que le lactosérum-EA empêchait l'oxydation des lipides de la membrane cellulaire en limitant le changement dans l'ordre structurel des acides gras. Dans l'ensemble, le lactosérum-EA comme prébiotique possédant une capacité antioxydante a un grand potentiel d'application, non seulement dans l'industrie laitière, mais aussi comme ingrédient fonctionnel avec diverses bioactivités et fonctionnalités. / The goal of this project was to develop the electro-activation technology as innovative approach for an integral valorization of whey constituents. This by-product is rich in valuable components with promising biological and functional properties. The first step of this work aimed to determine the optimal conditions of lactulose production using whey as a source of lactose and a yield of 35% was obtained with high purity under temperatures of 0, 10 and 25°C and short reaction time (≅ 40 minutes). Moreover, the proteomic analysis revealed the hydrolysis of whey proteins and simultaneous formation of Maillard reaction products with high antioxidant properties. The second step aimed to elucidate the antioxidant mechanisms that governed the Maillard-reacted-whey protein hydrolysates (MRPs-whey) and to characterize their structures. The antioxidant effect was ascribed to a multiple properties and could be used as both primary and secondary antioxidants. The molecular structure of the MRPs-whey was characterized to be Schiff base compounds. Additionally, multifunctional bioactive peptides, with biological properties were also identified. In the third step, the efficacy of electro-activated whey (EA-whey) as a combined prebiotic and antioxidant component on the growth of tested probiotic bacteria was demonstrated. The EA-whey was comparatively a better bifidogenic factor than lactulose. Additionally, EA-whey was found to elicit a protective effect on L. johnsonii La-1 during its growth in the presence of oxygen. This effect may be related, in part, to the ability of EA-whey to scavenge hydrogen peroxide metabolites and prevent its accumulation in the growth medium. FTIR spectra showed that EA-whey prevented the cell membrane lipids oxidation by limiting the change in the structural order of fatty acids. Overall, EA-whey as a prebiotic supplement possessing antioxidant capacity has great potential for application not only in the dairy industry but also as a functional food ingredient with potent bioactivities and functionalities.

L'objectif de la présente thèse était de développer un nouveau procédé en vue de valoriser intégralement le perméat de lactosérum (WP) qui a un impact négatif important sur l'environnement en raison de sa forte demande biochimique et chimique en oxygène (DBO et DCO). Pour cela, le WP a été valorisé par isomérisation in situ de son lactose en lactulose prébiotique en utilisant la technologie d'électro-activation (EA) comme une nouvelle approche sans aucun prétraitement et/ou fractionnement en amont et en aval. Premièrement, les meilleures conditions d'isomérisation du lactose en lactulose en utilisant le WP comme source de lactose bon marché ont été déterminées. L'effet de l'intensité du courant électrique et du sel (CaCl2, KCl et MgCl2) sur la conversion du lactose en lactulose en utilisant des solutions de WP (6%, P/V) et de lactose pur (5%, P/V) ont été étudié. Le lactose a été converti en lactulose à un taux de 35,1% lorsque le KCl, une intensité de courant de 330 mA pendant 21 min d'EA ont été appliqués au WP; et 38,66% lorsque le KCl, une intensité de courant de 330 mA pendant 14 minutes ont été appliqué à une solution de lactose. L'utilisation de WP dans les compartiments central et cathodique sans addition de sel a donné un rendement de 39,78% de lactulose après 35 min d'EA à 330 mA. La microscopie électronique à balayage et le calcul de la résistance électrique globale du réacteur n'ont révélé aucun encrassement de la membrane. Deuxièmement, les solutions électro-activées cathodiques obtenues avec un rendement élevé en lactulose et les produits de réaction de Maillard induits (MRP) ont été soumis au séchage à trois températures (160, 180 et 200 °C) et leur activité antioxydante (AA) a été évaluée. Pour ce faire, l’AA a été évaluée par l'AA au DPPH, le pouvoir réducteur, le test au radical ABTS•+ et l’effet chélateur du fer. L'effet de la température de séchage sur l'AA du perméat de lactosérum électro-activé (EAWP) a également été évalué. Les données obtenues démontrent que l'EA améliore significativement l'AA du WP et que cette AA est principalement due aux MRP intermédiaires, comme le montre l'absorbance la plus élevée à 294 nm. De plus, les résultats ont montré que la température de séchage influençait significativement l'AA de l'EAWP. Enfin, l’effet de la concentration de poudre EAWP (EAWPP) obtenue (0%, 2%, 4% et 6%, P/P) sur l’oxydation des lipides et la stabilité de la couleur du bœuf haché stocké à 4 °C pendant 17 jours a été étudié. L'oxydation lipidique et l'apparence du bœuf haché ont été évaluées par la mesure des produits d'oxydation primaires (indice d'acide (AV) et de peroxyde (PV)) et secondaires (substances réactives à l'acide thiobarbutirique, TBARS), ainsi que par la mesure de la couleur dans le système CIELAB après 1, 2, 3, 10 et 17 jours. Les résultats démontrent que l'EAWPP agit comme un antioxydant efficace sur les lipides de la viande. Les analyses de l’AV, de PV et de TBARS démontrent que la viande de bœuf hachée réfrigérée additionnée de la poudre EAWPP inhibait l'oxydation des lipides par rapport au témoin. Ces résultats ont été également confirmés par l'analyse des acides gras de la fraction lipidique. De plus, la stabilité de la couleur a été sauvegardée lorsque la poudre EAWPP a été ajoutée. En conclusion, le procédé proposé peut, d’une part, résoudre le problème environnemental du WP en le transformant d’un sous-produit polluant en un ingrédient à haute valeur ajoutée ayant des propriétés prébiotiques et antioxydantes et, d’autre part, une alternative possible la synthèse chimique du lactulose réduisant ainsi son impact négatif sur l'environnement. / The aim of the present thesis was the development of a new process in view to the integral valorization of whey permeate (WP) which have a serious negative environmental impact due to it high biochemical and chemical oxygen demand (BOD, CDO) (COD). For this, WP was valorized through in situ isomerisation of it lactose into the prebiotic lactulose using electro-activation technology as a new approach without any upstream and/or downstream fractionation. Firstly, the best conditions of the isomerisation of lactose into lactulose using WP as a cheap lactose source were determined. The effect of electric current intensity and salt (CaCl2, KCl and MgCl2) on the amount of lactose conversion into lactulose by using WP (6 %, wt) and pure lactose (5 %, wt) solutions was studied. Lactose was converted into lactulose at a level of 35.1% when KCl, current intensity of 330 mA during 21 min of electro-activation were applied to WP; and 38.66% when KCl, current intensity of 330 mA during 14 min were applied to lactose solution. The use of WP in both the central and cathodic compartments without addition of salt yielded 39.78% lactulose after 35 min of electro-activation at 330 mA. Scanning electron microscopy and calculation of the global electrical resistance of the reactor did not reveal any membrane fouling. Secondly, the cathodic electro-activated solutions obtained with a high lactulose yield and induced Maillard reaction products (MRPs) were submitted to spray drying at three temperatures (160, 180 and 200 °C) and their antioxidant activity (AA) was evaluated. For this purpose, the AA was evaluated by the DPPH scavenging activity, reducing power, ABTS•+ Radical scavenging assay and iron chelating capacity. The effect of the drying temperature on the AA of the EAWP was also evaluated. The obtained data demonstrated that electro-activation significantly (P < 0.001) enhanced the AA of WP and that this AA was mainly due to the intermediate MRPs, as shown by the highest absorbance at 294 nm. Moreover, the results showed that the drying temperature significantly influenced the AA of EAWP. Finally, the effect of the obtained EAWP powder (EAWPP) concentration (0%, 2%, 4% and 6%, wt/wt) on lipid oxidation and color stability of chilled minced beef stored at 4°C for 17 days was investigated. The minced beef lipid oxidation and appearance were evaluated through measurement of primary (acid value (AV) and peroxide values (PV)) and secondary oxidation products (thiobarbutiric acid reactive substances, TBARS), together with measurement of color in the CIELAB system at 0, 1, 2, 3, 10 and 17 days. Results demonstrate that the EAWPP act as an effective antioxidant on lipid meat. The AV, PV and TBARS analysis demonstrate that the chilled minced beef added with the EAWPP inhibited the lipid oxidation compared to the control. This finding was also confirmed by the fatty acid analysis of the lipid fraction. In addition, the color stability was saved when EAWPP was added. In conclusion, the proposed process can, on one hand, solve the environmental problem of WP by transforming it from a pollutant by product into a high value added ingredient having prebiotic and antioxidant properties and, on the other hand, it constitutes a possible alternative to the chemical synthesis of lactulose thus reducing its negative environmental impact.

De nombreuses pathologies découlent de déséquilibres du microbiote intestinal. Ainsi, des stratégies visent à les prévenir en restaurant cet écosystème par l'apport de probiotiques, de prébiotiques et de synbiotiques. Des résultats prometteurs nécessitant d'être validés rationnellement, nous nous sommes proposés d'établir un premier crible de sélection de bactéries lactiques et de glucooligosaccharides (GOS) pour des activités anti-inflammatoires et anti-prolifératives in vitro. Les probiotiques ont inhibé des pathogènes tout en se révélant résistants aux conditions du tube digestif, tandis que deux GOS ont conduit à leur croissance sélective. De plus, les probiotiques ont réduit la réponse inflammatoire de cellules intestinales et la prolifération de cellules cancéreuses en association avec un GOS. Nous avons donc retenu des produits potentiellement actifs contre les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin et du cancer colorectal, par un crible devant être validé in vivo. / Some pathologies are induced by intestinal microbiota disorders. Thus, some strategies aim torestore this ecosystem through probiotics, prebiotics and synbiotics. Promising results need tobe rationally validated, so we aimed to establish the screening first step of lactic acid bacteriaand glucooligosaccharides (GOS) against anti-inflammatory and anti-proliferative activity invitro. Probiotics inhibited pathogens and were resistant to digestive tract conditions whileGOS promoted specifically their growth. Moreover, probiotics reduced inflammatoryresponse of intestinal cells and proliferation of cancer cells when combined with GOS. Thus,we selected compounds potentially efficient against inflammatory bowel diseases andcolorectal cancer, through a screen that need to be validated in vivo

La recherche de molécules prébiotiques dans le milieu interstellaire est importante pour comprendre le rôle potentiel de la chimie interstellaire dans la synthèse des molécules à l'origine de la vie. Aujourd'hui nous sommes confrontés à une apparente contradiction observationnelle : des acides aminés ont été identifiés dans les météorites mais aucun n'a été observé de façon certaine dans le milieu interstellaire. Dans un premier temps, nous utilisons les méthodes de calcul moléculaire DFT et ab-initio de la chimie quantique pour étudier la stabilité relative des isomères détectés dans le milieu interstellaire, ce qui nous conduit à établir un "Principe d'Energie Minimale" (PEM) stipulant que l'isomère le plus stable thermodynamiquement est le plus abondant. En s'appuyant sur ce principe, nous évaluons les possibilités de détection de nouvelles molécules prébiotiques dans le milieu interstellaire, en particulier les acides aminés. Puis, en suivant la même démarche, nous vérifions pour les météorites, que le lien entre abondance et ordre thermodynamique est respecté au niveau des acides aminés, ce qui nous permet de contraindre les conditions de formation dans les corps parents. Dans un second temps, nous utilisons les méthodes périodiques en ondes planes pour étudier les collages d'espèces moléculaires sur les grains carbonés et glacés interstellaires. Nous montrons l'existence d'une physisorption sélective pour certains types d'isomères. Elle entraînerait un biais observationnel sur les abondances relatives de ces isomères, ce qui nous donnerait une possibilité d'explication pour les quelques apparentes exceptions au PEM.