Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2023 / Le sang d'abattoir est un sous-produit de valeur pour l'industrie de la viande, car de nombreux composés bioactifs peuvent en être dérivés. Sa fraction solide (cruor) se compose principalement d'hémoglobine (Hb), duquel une bonne source de peptides antimicrobiens et antioxydants qui peuvent être libérés par hydrolyse pepsique. Cette approche présente un grand potentiel pour l'industrie de la viande en raison du marché croissant des ingrédients bioactifs naturels et de leur utilisation potentielle pour la biopréservation des aliments. En effet, cette approche a été largement étudiée sur l'hémoglobine bovine (Hb-B), suivant un concept d'économie circulaire dans lequel les peptides bioactifs sont réutilisés pour conserver les produits carnés. Néanmoins, cette alternative de valorisation fait face à quelques défis tels que l'exploration d'autres sources importantes d'hémoglobine comme l'hémoglobine porcine (Hb-P), l'optimisation du processus d'hydrolyse, et la validation de ses propriétés bioactives afin d'obtenir une application à plus fort impact sur la durabilité de l'industrie de la viande. Dans ce contexte, il est nécessaire d'explorer à la fois de nouvelles sources d'hémoglobine et de nouvelles alternatives technologiques pour sa valorisation et son application de manière plus éco-efficiente. Ainsi, l'objectif principal de ce projet de recherche était d'évaluer la faisabilité de l'obtention de peptides antimicrobiens et antioxydants pour la biopréservation alimentaire à partir d'Hb-P par hydrolyse pepsique et traitements par champs électriques pulsés (CÉP), qui a été divisée en trois étapes principales. La première étape visait à établir les meilleures conditions pour l'hydrolyse pepsique de l'Hb-P et établir les similitudes avec la principale source de peptides antimicrobiens identifiés à ce jour (Hb-B). Par conséquent, au cours de cette étape a évalué l'influence du pH (pH 2, 3, 4 et 5) a été évaluée sur l'activité antimicrobienne et la population de peptides des hydrolysats pepsiques dérivés de Hb-P en comparaison avec Hb-B. Des similarités dans la population peptidique entre les hydrolysats d'Hb-B et d'Hb-P ont été observées, principalement lors de l'hydrolyse enzymatique à pH 2 et 3. Les hydrolysats bovins et porcins produits à pH 2 et 3 ont montré une activité antibactérienne contre *Listeria ivanovii* (CMI = 0,62 - 1,25 mg/mL) et une activité anti-levure contre *Rhodotorula mucilaginosa* (CMI = 0,31 - 1,25 mg/mL). À l'inverse, seule une activité antifongique contre *Mucor racemosus* dans l'hydrolysat de porc à pH 3 a été observée (CMI = 1,25 mg/mL). Cette étude a confirmé les similitudes de l'Hb-B et de l'Hb-P en termes de profils peptidiques et d'activité antimicrobienne, ce qui indique que l'Hb-P est également une source appropriée de peptides antimicrobiens ayant des activités antibactériennes, antifongiques et anti-levures. Après avoir étudié les possibilités d'améliorer les conditions de l'hydrolyse pepsique conventionnelle de l'Hb-P, l'utilisation de technologies non conventionnelles pour améliorer le processus enzymatique a aussi été explorée. Une deuxième étude a été menée pour évaluer l'impact des CÉP sur l'inactivation de la pepsine dans les hydrolysats d'Hb-P et d'Hb-B, caractériser les populations de peptides après l'inactivation de la pepsine par les CÉP, et évaluer les effets du traitement CÉP et du pH final (3, 7 et 10) sur les activités antimicrobiennes et antioxydantes des hydrolysats finaux. Dans ce cas, l'Hb-B et l'Hb-P ont été hydrolysées par la pepsine dans les conditions optimales établies précédemment (37 °C à pH 3,0 pendant 3 h) et traitées par CÉP (73 impulsions, 23,8 kV/cm, 90 Hz) pour inactiver l'enzyme. Le degré d'hydrolyse (DH) qui a été évalué, n'a montré aucun changement significatif après l'inactivation de la pepsine par les CÉP, alors que l'analyse de la population peptidique par RP-UPLC-MS/MS a mis en évidence quelques changements dans les hydrolysats traités par les CÉP au fil du temps, suggérant une activité résiduelle de la pepsine. Les traitements par CÉP n'ont pas montré d'impact significatif sur les activités antimicrobiennes (antibactériennes, antifongiques et anti-levures). Cependant, un pH final plus élevé (pH 10) a favorisé une plus forte activité anti-levure (*R. mucilaginosa*), tandis qu'un pH de 7 a favorisé l'activité antifongique (*M. racemosus*). Malgré certains changements observés dans la population de peptides, aucun effet positif ou négatif des CÉP n'a été constaté sur les activités antimicrobiennes et antioxydantes. Après l'évaluation des alternatives pour améliorer l'hydrolyse enzymatique de l'Hb-P, une troisième étape a été réalisée pour explorer les possibilités d'application des hydrolysats d'Hb-P dans le contrôle des microorganismes alimentaires indésirables tels que les organismes pathogènes d'origine alimentaire. Cette étape consistait à évaluer et à comparer la faisabilité d'utiliser des hydrolysats peptidiques dérivés de Hb-P et de cruor porcin (P-Cru) comme stratégie de biocontrôle de *Listeria monocytogenes* dans les produits carnés. À cette fin, des hydrolysats peptidiques ont été préparés à partir de Hb-P et de P-Cru à différentes conditions de température d'hydrolyse et de rapport enzyme/substrat (E/S). Ensuite, l'activité antimicrobienne (*in vitro* et *in situ*) des hydrolysats a été évaluée sur trois sérotypes différents de *L. monocytogenes*. Il a été établi que la réduction de la température et du rapport E/S de l'hydrolyse du P-Cru a affecté le rendement enzymatique, entraînant deux unités de pourcentage de moins de DH par rapport à l'hydrolysat d'Hb-P, ainsi que quelques différences dans la population de peptides. Cependant, l'activité antimicrobienne (*in situ*) n'a pas été affectée de manière significative, diminuant le nombre viable de *L. monocytogenes* de ~1-log et retardant sa croissance pendant 21 jours à 4 °C. Cette étude a prouvé, pour la première fois, la faisabilité de la production d'un agent de biopréservation pour le contrôle de *L. monocytogenes* dans un produit carné prêts-à-manger (PAM) à partir de cruor de porc comme une alternative pour la valorisation du sang d'abattoir dans une approche d'économie circulaire. En résumé, ce projet de recherche a confirmé que, comme l'Hb-B, l'Hb-P est une source appropriée pour la production de peptides antimicrobiens et antioxydants par hydrolyse pepsique. De plus, la faisabilité technologique de l'utilisation des traitements de CÉP pour arrêter l'hydrolyse enzymatique pendant la production de peptides bioactifs dérivés de l'hémoglobine a été validée. Enfin, l'utilisation potentielle des hydrolysats de Hb-P pure et de P-Cru pour la biopréservation des produits carnés PAM contre *L. monocytogenes* a été démontrée. / Slaughterhouse blood is a valuable by-product of the meat industry since multiple bioactive compounds can be derived from it. Its solid fraction (cruor) consists mainly of hemoglobin (Hb), a good source of antimicrobial and antioxidant peptides that can be released by peptic hydrolysis. This approach has great potential for the meat industry due to the growing market for natural bioactive ingredients and their potential use in food biopreservation. Indeed, this approach has been extensively studied on bovine hemoglobin (Hb-B), following a circular economy concept in which bioactive peptides are reused to preserve meat products. Nevertheless, this valorization alternative faces some challenges such as the exploration of other important sources of hemoglobin such as porcine hemoglobin (Hb-P), optimization of the hydrolysis process, and validation of its bioactive properties in order to achieve a higher impact application for the sustainability of the meat industry. In this context, it is necessary to explore both new sources of hemoglobin and new technological alternatives for its valorization and application in a more eco-efficient way. Thus, the main objective of this research project was to evaluate the feasibility of obtaining antimicrobial and antioxidant peptides for food biopreservation from Hb-P through peptic hydrolysis and pulsed electric fields (PEF) treatments, which was divided into three main stages. The first stage aimed at establishing the best conditions for peptic hydrolysis of Hb-P and establish the similarities with the main source of antimicrobial peptides identified to date (Hb-B). Therefore, this stage evaluated the influence of pH (pH 2, 3, 4, and 5) on the antimicrobial activity and the peptide population of peptic hydrolysates derived from Hb-P and compared in parallel with Hb-B. Similarities in the peptide population between Hb-B and Hb-P hydrolysates were observed, mainly in the enzymatic hydrolysis at pH 2 and 3. Both bovine and porcine hydrolysates produced at pH 2 and 3 showed antibacterial activity against *Listeria ivanovii* (MIC = 0.62 - 1.25 mg/mL) and anti-yeast activity against *Rhodotorula mucilaginosa* (MIC = 0.31 - 1.25 mg/mL). Conversely, only antifungal activity against *Mucor racemosus* in the porcine hydrolysate at pH 3 was observed (MIC = 1.25 mg/mL). This study confirmed the similarities of Hb-B and Hb-P in terms of peptide profiles and antimicrobial activity, which indicates Hb-P is also a suitable source of antimicrobial peptides with antibacterial, antifungal, and anti-yeast activities. Having studied the opportunities to improve the conditions of conventional peptic hydrolysis of Hb-P, the use of non-conventional technologies to improve the enzymatic process was also explored. A second study was conducted to evaluate the impact of PEF on pepsin inactivation in hydrolysates of Hb-P and Hb-B, characterize the peptide populations after pepsin inactivation by PEF treatment, and assess the effects of PEF treatment and final pH (3, 7, and 10) on the antimicrobial activities of the final hydrolysates. In this case, Hb-B and Hb-P were hydrolyzed with pepsin under the optimal conditions previously established (37 °C at pH 3.0 for 3 h) and treated with PEF (73 pulses, 23.8 kV/cm, 90 Hz) to inactivate the enzyme. The degree of hydrolysis (DH) was also evaluated, which did not show significant changes after PEF-inactivation of pepsin, whereas the peptide population analysis by RP-UPLC-MS/MS showed some changes in PEF-treated hydrolysates over time, suggesting a residual pepsin activity. PEF treatments did not show any significant impact on antimicrobial (antibacterial, antifungal, and anti-yeast activities). However, higher final pH (pH 10) fostered stronger anti-yeast activity (*R. mucilaginosa*), whereas pH 7 fostered antifungal activity (*M. racemosus*). Even though some changes were observed in the peptide population, no positive or negative effects of PEF were found for the antimicrobial and antioxidant activities. Upon evaluation of the alternatives for improving the enzymatic hydrolysis of Hb-P, a third stage was carried out to explore the opportunities for the application of Hb-P hydrolysates in the control of undesirable food microorganisms such as food-borne pathogens. This stage consisted of evaluating and comparing the feasibility of using peptic hydrolysates derived from Hb-P and porcine Cruor (P-Cru) as a strategy for biocontrol of *Listeria monocytogenes* in meat products. For this purpose, peptic hydrolysates were prepared from Hb-P and P-Cru at different conditions of hydrolysis temperature and enzyme/substrate (E/S) ratio. Then, the antimicrobial activity (*in vitro* and *in situ*) of hydrolysates was compared against three different serotypes of *L. monocytogenes*. As a result, it was established that the reduction of temperature and E/S ratio of P-Cru hydrolysis affected the enzymatic performance, resulting in two percentage units less DH compared to Hb-P hydrolysate, as well as some differences in peptide population. However, the antimicrobial activity (*in situ*) was not significantly affected, decreasing the viable count of *L. monocytogenes* by ~1-log and retarding its growth for 21 days at 4 °C. This study proved, for the first time, the feasibility of producing a biopreservative for the control of *L. monocytogenes* in a ready-to-eat (RTE) meat product from porcine cruor as an alternative for the valorization of slaughterhouse blood under a circular economy approach. To summarize, this research project has confirmed that, similar to Hb-B, Hb-P is a suitable source to produce antimicrobial and antioxidant peptides through peptic hydrolysis. Also, the technological feasibility of using PEF treatments to stop enzymatic hydrolysis during the production of hemoglobin-derived bioactive peptides has been validated. Furthermore, the potential use of both pure Hb-P and P-Cru hydrolysates as biopreservation of RTE meat products against L. monocytogenes has been demonstrated.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/148064 |
| Date | 16 August 2024 |
| Creators | Sanchez Reinoso, Zain |
| Contributors | Mikhaylin, Sergey, Bazinet, Laurent |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxi, 209 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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