Propriétés et intérêts nutritionnels NOVEMBRE 2011 V2 C 0 M 4 0 J N 0 C 33 M 0 J 73 N 0. Ad o b e C a s l on Pro

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3 AVANT PROPOS Fidèle aux valeurs fondamentales de Nutritis : Recherche scientifique, Innovation, Service aux clients, nous avons imaginé ce document comme un outil de travail pour vous accompagner dans la formulation de recettes naturelles, délicieuses et nutritionnellement équilibrées. Les terminologies spécifiques aux sucres naturels extraits de fruits, à leur formulation ainsi que les points clés de leur métabolisme seront abordés de manière synthétique et précise dans cet ouvrage accessible à tous. Le concours d experts scientifiques indépendants a appuyé notre démarche rigoureuse dans la sélection des études les plus pertinentes dans le domaine. Ce document sera amené à vivre conjointement à l évolution de notre société, des connaissances et des résultats des recherches menées sur ce thème. Très bonne lecture, Aurélie DAVID Responsable Qualité et R&D Sucres naturels et extraits de fruits 3

4 Sommaire Avant propos... 3 Sommaire... 4 Table des figures... 5 I Présentation générale des glucides Dénomination Classification Propriétés sensorielles, physiques et technologiques a - Le goût sucré, le pouvoir sucrant b - Coloration des produits alimentaires c - Solubilité, cristallisation et texture d - Conservation et AW e - Congélation f - Conclusion Métabolisme des principaux glucides a - Le saccharose b - Le glucose c - Le fructose d - Le sorbitol...15 II La glycémie Données générales Mécanismes de régulation de la glycémie L index glycémique a - Calcul de l index glycémique b - Eléments faisant varier l index glycémique Effets sur l organisme...20 III Les travaux de l INSERM sur le fructose natif de pommes Test oral de tolérance au glucose (OGTT) en aigu a - Objectif du test b - Protocole c - Résultats d - Conclusions Test oral de tolérance au glucose après 21 semaines de traitement au fructose natif a - Objectif du test b - Protocole c - Résultat d - Conclusions Conclusion sur ces essais...26 IV De la souris à l homme Objectifs Méthodologie Résultats Conclusions et perspectives...29 Glossaire...31 Bibliographie Sucres naturels et extraits de fruits

5 Table des figures Figure 1 : Profil sucrant des principaux sucres...9 Figure 2 : Graphe de pouvoir sucrant de différents sirops en fonction de la température...9 Figure 3 : Solubilité de différents sucres Figure 4 : AW de certains sirops de sucres Figure 5 : Dégradation des aliments en fonction de l AW Figure 6 : Bilan des propriétés physiques, technologiques et sensorielles des glucides sucrants D après le rapport du groupe de travail sur les glucides (PNNS 2007) élaboré par Alliance Figure 7 : Schéma de régulation de la glycémie Figure 8 : Formule de calcul de la charge glycémique Figure 9 : Illustration du calcul d une aire sous la courbe (ASC) de réponse glycémique, D après FAO/WHO Figure 10 : Illustration de la variation des IG, quelques exemples Figure 11 : OGTT Figure 12 : Index glycémique Figure 13 : Evolution du taux d insuline plasmatique pour les invertis Figure 14 : Evolution du taux d insuline plasmatique pour les fructoses Figure 15 : Contrôle de l absence d effets différés de l ingestion des sucres sur l insuline plasmatique Figure 16 : Evolution de la masse maigre Figure 17 : Evolution de la masse grasse Figure 18 : Aire sous la courbe glycémie - comparatif des OGTT en semaines 1 et Figure 19 : Suivi de l insulinémie en semaines 1 et Figure 20 : Plan expérimental appliqué pendant l étude Figure 21 : Cinétiques glycémiques moyennes des 12 sujets Figure 22 : Index glycémique (IG) du FructiLight Figure 23 : Cinétiques insulinémiques moyennes des 12 sujets Figure 24 : Index insulinémique (II) du FructiLight Sucres naturels et extraits de fruits 5

6 6 Sucres naturels et extraits de fruits

7 I Présentation générale des glucides Les glucides alimentaires (aussi appelés hydrates de carbone) sont composés de différentes substances possédant des propriétés chimiques, physiques et physiologiques propres à chacune. En agro-alimentaire, ce sont des ingrédients majeurs utilisés pour leur pouvoir sucrant, mais aussi pour leurs propriétés : rhéologiques 1, texturantes, conservatrices et technologiques. Chez l humain, les glucides représentent plus de 50 % de l apport énergétique spontané : leur principal rôle est physiologique en tant que substrat du métabolisme énergétique basal pour les tissus gluco-dépendants et comme substrat préférentiels pour les autres. Ils impactent également d autres processus physiologiques tels que la satiété, la glycémie, l insulinémie et le métabolisme lipidique. Si on les retrouve dans de nombreux aliments tels que les légumes, les céréales, les légumineuses, les grains, le lait ou les fruits, ce sont la canne à sucre puis la betterave sucrière, plantes d abord sauvages puis cultivées, qui ont été les plus grandes sources d extraction de sucre de table (saccharose). Aujourd hui, l évolution des procédés et la demande croissante de naturalité sur ces marchés ont conduit à l extraction des sucres de fruits. Le terme «oses» ou monosaccharides désigne les monomères des glucides. Ils ne sont pas hydrolysables ; Le terme «osides» désigne des polymères d oses liés par une liaison osidique. Ils sont hydrolysables, et aussi appelés glucides complexes. 2 Classification Comme les autres macronutriments, la classification primaire des glucides alimentaires est réalisée selon leur taille moléculaire, elle-même dépendante du degré de polymérisation du sucre (DP), du type de liaison (α et β) et des propriétés intrinsèques de chaque monomère 3 composant le sucre (Wheeler & Pi-Sunyer 2008). Les glucides sont des polyalcools comportant des fonctions aldéhyde (CHO) ou cétone (CO) et répondent pour la plupart à la formule (CH2O)n avec n>3. Le tableau suivant présente les différentes classes de glucides : 1 Dénomination Plusieurs termes, qu il convient de bien différencier, désignent les sucres : Le terme «glucides» désigne la famille des molécules organiques contenant un groupement carbonyl (aldéhyde ou cétone 2 ) et plusieurs groupements hydroxyle (-OH) : il inclut donc les mono et les disaccharides, les oligosides, les polyosides et les sucres alcools présentés dans le tableau ci-après ; Le terme «sucres» désigne l ensemble des mono et disaccharides ; Le terme «sucre», au singulier, désigne le saccharose seul (sucrose en anglais) ; 1 Rhéologie : science qui étudie la déformation et l écoulement de la matière. 2 Aldéhydes : Cétones : où R sont des chaînes carbonées. 3 Monomère : substance le plus souvent organique utilisée dans la synthèse des polymères au cours d une réaction de polymérisation. Sucres naturels et extraits de fruits 7

8 Type de glucide Détails Exemples Quelques sources Propriétés principales Projection Oses : monomères des glucides Monosaccharides 3 à 7 carbones Cn(H 2 O)n Fructose (Fru) C 6 H 12 O 6 (cétose) C 4 H 9 O 4 -CO-CH 2 OH Glucose (Glc) C 6 H 12 O 6 (aldose) C 5 H 9 O 5 - CH 2 OH Fruits (surtout pommes, raisins, melons, poires) Miel Issu de l hydrolyse de l amidon de céréales ou du saccharose Non hydrolysables Réducteurs 1 Pouvoir sucrant 2 Solubles dans l eau 4 kcal/g Oligosides : polymères d oses n oses : n = 2 disaccharides à n = 10 Saccharose C 12 H 22 O 11 Glc+Fru Canne à sucre Betterave sucrière Fruits Miel Hydrolysable par voies chimiques et enzymatiques Non réducteur Pouvoir sucrant Soluble dans l eau 4 kcal/g Non cariogène Sucre alcool Du type monosaccharidique Sorbitol C 6 H 14 O 6 Pruneau sorbier kcal/g donc moins hyperglycémiant Pouvoir sucrant, goût frais Stabilisant, très soluble dans l eau, facilite le transit intestinal (laxatif à haute dose) Fruits Fructo-oligosaccharide = fibre alimentaire Glc-(Fru)x 1< x < 10 Dégradation de l inuline des racines de chicorée Synthèse enzymatique Prébiotique 5 Polyosides : polymères d oses n oses avec n > 10 Amidon (C 6 H 10 O 6 )n Amylose + amylopectine Base des sirops de glucose-fructose Céréales (maïs...) Tubercules (pommes de terre) Légumineuses Insoluble dans l eau froide Propriété épaississante, gélifiante Inuline = Fibre alimentaire C 6 nh 10 n+ 2 O 5n +1 Molécules de fructose liées entre elles Racine de chicorée Soluble dans l eau chaude Prébiotique 1 Sucre réducteur : sucre contenant une fonction aldéhyde ou cétonique libre qui peut s oxyder rapidement (perte d électrons et absorption d oxygène). Cette caractéristique leur permet de se combiner à l azote des acides aminés notamment à température élevée conduisant à un brunissement (réaction de Maillard). 2 Pouvoir sucrant : Le pouvoir sucrant représente la capacité d une substance à générer une perception sucrée. 3 Les lettres α et β indiquent l orientation de la fonction hydroxyle par rapport au plan de la molécule (équatoriale ou axiale). 4 Les lettres D pour Dextrogyre et L pour Lévogyre indiquent la stéréo-isomérie des oses. La plupart des oses naturels sont sous la forme D. NB : le Dextrose est la forme D du glucose. 5 Prébiotique : ingrédient alimentaire non digestible qui stimule de manière sélective au niveau du côlon la multiplication ou l activité d un nombre limité de groupes bactériens susceptibles d améliorer la physiologie de l hôte» (Gibson & Roberfroid 1995), (Schrezenmeir & de Vrese 2001). 8 Sucres naturels et extraits de fruits

9 3 Propriétés sensorielles physiques et technologiques Les glucides «sucrants» sont ajoutés dans les aliments transformés pour leur conférer un goût sucré mais également pour optimiser leurs qualités organoleptiques, leur texture (en tant qu agent de charge notamment) ou pour permettre leur conservation (AFSSA 2004). Ces propriétés fonctionnelles sont caractéristiques de chacun de ces glucides «sucrants». La connaissance de chaque ingrédient et de leurs propriétés sensorielles, nutritionnelles et technologiques permet aux formulateurs de mieux cibler l ingrédient idéal pour chaque application visée. 3a Le goût sucré, le pouvoir sucrant Le pouvoir sucrant représente la capacité d une substance à générer une perception sucrée. C est une notion complexe et son usage doit être relativisé. La perception sucrée varie d un sucre à l autre : chaque solution sucrante a son propre profil sensoriel, défini selon plusieurs critères tels que le goût, l intensité, la vitesse d apparition et la rémanence (persistance en bouche). L association de différents sucres permettra d obtenir le profil sensoriel idéal pour chaque préparation. Figure 1 : Profil sucrant des principaux sucres Le sirop de fructose a le pouvoir sucrant le plus élevé (figure 2), ce qui en fait un sucre idéal pour diminuer la part calorique d un produit fini tout en conservant la même intensité sucrée. Figure 2 : Graphe de pouvoir sucrant de différents sirops en fonction de la température Le pouvoir sucrant d une substance n est pas calculé, mais determiné préférentiellement par analyse sensorielle (méthode de référence) : à partir d une gamme étalon de solutions de saccharose à différentes concentrations massiques (solution à 20 g/l de saccharose = pouvoir sucrant de 1), un panel entrainé positionne la substance concernée sur la gamme étalon de saccharose, en fonction de l intensité sucrante perçue. Dans la formulation d une recette, différents facteurs influencent le pouvoir sucrant du produit fini parmi lesquels : le taux de dilution : plus il est faible, plus le pouvoir sucrant est élevé, l acidité du produit fini : le pouvoir sucrant diminue lorsque l acidité du produit augmente, la température de consommation du produit fini : plus elle est basse, plus le pouvoir sucrant du fructose de fruit est élevé, les autres composants de la recette : chaque matrice génère sa propre perception. Attention, «sucre» et «sucré» sont deux notions différentes puisqu il existe des molécules sucrées, comme les édulcorants de synthèse (saccharine, cyclamate, aspartame, acésulfame-potassium ), qui ne sont pas des sucres. A paramètres organoleptiques identiques, l intensité sucrante perçue dépend de chaque individu et de la formulation globale de l aliment. Ouvrages de référence : (Multon 1992), (ADRIANOR), (Alexander 1997) Sucres naturels et extraits de fruits 9

10 3b Coloration des produits alimentaires Les composés sucrés, une fois chauffés, donnent lieu à différentes réactions de brunissement : La réaction de Maillard est un brunissement non enzymatique résultant du chauffage de protéines en présence de sucres réducteurs. Elle fait intervenir le groupement carbonyle du sucre qui réagit avec le groupe amine de l acide aminé de la protéine donnant des composés aromatiques et une coloration prisés des consommateurs. Cette réaction est favorisée par des températures élevées (> 95 C), une faible acidité (ph>6) et une faible concentration en eau dans le produit (idéalement 7-15 %, 0.55< AW 1 < 0.75) La réaction de caramélisation est une réaction de polymérisation des sucres entre eux qui a lieu à haute température (> 150 C). Voici un résumé de l implication de différents sucres dans les réactions de brunissement : Nature du composé Ouvrages de référence : (Multon 1992), (ADRIANOR), (Frénot & Vierling 2002) 3c Solubilité, cristallisation et texture Les caractéristiques de solubilité et de cristallisation d un glucide sont liées. Selon leur type et leur concentration, les sucres existent sous la forme soluble ou cristallisée en fonction de la température. La solubilité d un composé est la concentration maximale de ce composé que l on peut dissoudre ou dissocier dans un solvant, à une température donnée. La solution ainsi obtenue est dite saturée. A 20 C voici la solubilité de quelques sucres : Sucres Possibilité de réaction : Maillard En g de sucres dans 100 g d eau Saccharose 200 Glucose non hydraté 200 Fructose Inverti 500 Caramélisation Saccharose Non Oui 160 C Fructose Oui Oui 110 C Sirop de glucose Oui Oui 160 C Polyols Non Non Figure 3 : Matière sèche contenue dans des solutions saturées NB : Lorsque la température augmente, la solubilité de ces glucides augmente également. La figure 3 illustre combien il est difficile de cristalliser une solution de fructose. Quelques exemples d effets recherchés sur la texture de quelques produits : Du fait de ces différences de solubilité, l addition de fructose ou d un mélange glucose-fructose type inverti 2 à une solution de saccharose par exemple va en augmenter le point de saturation. Dans des glaces ou des conserves de fruits, un tel ajout peut donc améliorer la texture en évitant tout risque de cristallisation. Dans certains aliments, le saccharose sera recherché pour donner l aspect craquant lors de la cuisson (biscuits). En confiserie, le contrôle de la vitesse et la durée de cristallisation du saccharose permet de varier les textures des caramels. Dans les confitures, en augmentant l extrait sec, le saccharose permet la gélification de la pectine. Le sorbitol quant à lui empêche la cristallisation du glucose et du saccharose, c est pourquoi il est notamment prisé en confiserie. Le fructose, par sa grande solubilité, peut être ajouté dans les produits pour son effet «anti-cristallisant». Il s utilise également pour son effet «humectant» permettant d obtenir une texture plus onctueuse ou moelleuse (en biscuiterie par exemple). Ouvrages de référence : (Frénot & Vierling 2002), (Mathlouthi & Reiser 1995), (Shallenberger 1993), (Multon 1992), (AFSSA 2004), (McWilliams 2004), (Hanover & White 1993); 1 AW : Activity of Water ou activité de l eau. 2 Inverti : mélange à parts égales de glucose et de fructose obtenu par l hydrolyse du saccharose. 10 Sucres naturels et extraits de fruits

11 3d Conservation et AW L activité de l eau (AW) 1, représente l eau disponible ou libre pour la réalisation des réactions métaboliques. Elle est définie comme la pression partielle de vapeur d eau d un produit sur la pression de vapeur saturante de l eau pure à la même température. Ce paramètre traduit les interactions de l eau avec la matrice de l aliment. L AW est impactée par la présence plus ou moins importante de sels ou de sucres dissous dans l eau. La congélation entraine également une baisse de l AW dans la mesure où l eau libre est piégée sous forme de glace. Les valeurs d AW sont comprises entre 0 et 1, une AW de 1 correspondant à l eau pure. Effet sur les micro-organismes : lorsque l AW est proche de 0, les micro-organismes ont du mal à se développer. Les valeurs d AW incompatibles avec la croissance cellulaire (AW de 0.5) entrainent progressivement une destruction des populations microbiennes. Pour des AW de (fruits déshydratés, flocons d avoine), seules des moisissures xérophiles 2 et des levures osmophiles 3 peuvent se développer, entrainant des dégradations dans les produits (fig. 5). Les sucres ont un effet «dépresseur de l activité de Figure 5 : Dégradation des aliments en fonction de l AW (d après LABUZA et Al. 1972) Effets sur les produits finis : si l AW d un produit sucré est supérieure à l humidité relative de l air ambiant, le produit va sécher et durcir. A l inverse, le produit deviendra mou et collant favorisant le développement des micro-organismes. Les sucres sont traditionnellement utilisés pour leurs propriétés humectantes liées à leur hygroscopicité (aptitude à retenir ou absorber l eau). Comparé au saccharose, le fructose est un sucre très hygroscopique. Ouvrages de référence : (ADRIANOR), (Multon 1992), (Branger et al. 2007), (Alexander 1997). Figure 4 : AW de certains sirops de sucres l eau» : ils ont la propriété de lier l eau de l aliment la rendant ainsi moins disponible pour d autres réactions et notamment pour la croissance et la multiplication des flores fongiques et bactériennes : les sucres améliorent donc la conservation du produit fini. 3e Congélation La présence de sucres dans un aliment abaisse sa température de congélation. On obtient ainsi des produits plus onctueux tout en maitrisant le nombre, la taille et la forme des cristaux de glace : ceux-ci seront plus petits et ronds limitant ainsi l éclatement des cellules et améliorant la texture du produit fini. Dans les sorbets par exemple, l ajout de fructose abaisse le point de congélation : il en résultera une texture moins dure, mais également des couleurs plus vives et une meilleure perception des arômes. Ouvrages de référence : (Hanover & White 1993), (Alexander 1997), (ADRIANOR), (Multon 1992). 1 Mesurée par un AW-mètre. 2 Moisissures Xérophiles : moisissures vivant dans des milieux très pauvres en eau. 3 Levures Osmophiles : levures préférant une AW réduite pour se multiplier. Sucres naturels et extraits de fruits 11

12 3f Conclusion Le schéma présenté ci-dessous permet de résumer les différents rôles des glucides dans les produits alimentaires. Figure 6 : Bilan des propriétés physiques, technologiques et sensorielles des glucides sucrants D après le rapport du groupe de travail sur les glucides (PNNS 2007) Elaboré par Alliance 7 Les propriétés sensorielles, physiques et technologiques des glucides «sucrants» ne sont que quelques éléments qui définissent leur qualité. Leurs caractéristiques nutritionnelles, et donc leur métabolisme, déterminent leur qualité nutritionnelle. Or, face aux préoccupations liées à la santé et à la demande des consommateurs, les industriels de l agroalimentaire s intéressent de plus en plus aux qualités nutritionnelles des ingrédients, devenant un point déterminant dans leurs choix d utilisation. 4 Métabolisme des principaux glucides Au cours de la digestion, qui est chez l homme un processus complexe, les aliments vont être triés (en molécules assimilables ou non) et transformés en nutriments tout au long du système digestif : après avoir été mastiqué et avalé, le bol alimentaire parvient dans l estomac, puis la digestion 1 se poursuit dans l intestin grêle sous l action des enzymes digestives. L absorption de ces nutriments se fait à travers la barrière intestinale pour se retrouver dans le flux sanguin. Ils subissent alors une série de transformations moléculaires et énergétiques - le métabolisme 2 - pour aller alimenter l ensemble de l organisme. 1 Digestion : c est l ensemble des processus mécaniques et biochimiques par lesquels les aliments ingérés sont transformés en substances nutritives permettant leur absorption ultérieure. 2 Le métabolisme est l ensemble des transformations moléculaires et énergétiques avec deux étapes distinctes : le catabolisme et l anabolisme. 4a Le saccharose Le saccharose, ou sucrose, est le sucre commercial extrait de la betterave sucrière ou de la canne à sucre. C est le constituant du sucre blanc courant. En termes de métabolisme, lorsque le saccharose arrive dans l estomac il est hydrolysé en glucose et en fructose par l effet d une enzyme, l invertase. Le produit de cette hydrolyse est un mélange équimolaire de glucose et de fructose, appelé sucre inverti. Les deux monosaccharides suivront alors les différentes voies métaboliques décrites ci-dessous. 4b Le glucose Le glucose est le combustible majeur pour la plupart des tissus, et pour certains d entre eux, comme le cerveau et les globules rouges, il est l unique combustible. Voici présentées les 2 phases de son métabolisme, après un repas et en état de jeûne. 12 Sucres naturels et extraits de fruits

13 Après un repas, l absorption des glucides simples (glucose, fructose et galactose) se déroule essentiellement dans le jéjunum. Cette partie de l intestin grêle est une barrière plus ou moins sélective qui va permettre au glucose alimentaire de rejoindre la circulation sanguine (Drozdowski & Thomson 2006). A ce niveau, le glucose pénètre dans l entérocyte 1 par une protéine (Sigman-Grant & Morita 2003). Ce transport est impératif et nécessite de l énergie (Drozdowski & Thomson 2006). Une fois dans l entérocyte le glucose sera dirigé vers la circulation sanguine, grâce à un transporteur ne nécessitant pas d énergie (Sigman-Grant & Morita 2003), lui permettant de rejoindre les cellules des différents tissus cibles. A l intérieur de la cellule et selon des processus variables selon les tissus, le glucose va subir différentes transformations : il est devenu un nutriment et entre en phase anabolique : c est alors que commence son utilisation par les différents organes et système de production d énergie de l organisme. Il arrive tout d abord au foie où il sera métabolisé avant de repartir vers la circulation sanguine. Le foie a une fonction de stockage (glycogénèse ou lipogénèse de novo) et de redistribution du glucose (glycolyse, voie des pentoses phosphates). En fonction de la demande énergétique des tissus, l organisme active l une de ces quatre voies : Les voies de distribution : La glycolyse (voie d Embden-Meyerhof) est la voie du catabolisme oxydatif anaérobie 2 du glucose : le glucose est à la fois source d énergie et précurseur de molécules d intérêt biologique. Elle a pour but d utiliser le glucose circulant pour produire de l énergie directement sous forme d ATP 3 répondant ainsi au besoin des cellules.elle est dépendante de la disponibilité cellulaire en glucose qui varie en fonction de la glycémie et du transport de glucose à travers la membrane plasmique. En cas de faible demande énergétique, on observe un «shunt 4» de la voie de la glycolyse vers celle des pentoses phosphates et vice-versa, activée essentiellement dans le foie et le tissu adipeux. Elle est régulée 1 Entérocyte : Cellule caractérisée par son importante fonction d absorption de nombreux nutriments : eau, électrolytes, glucides, lipides, protéines et vitamines liposolubles. Les nutriments absorbés rejoignent ensuite le système veineux porte par les vaisseaux lymphatiques. 2 Catabolisme oxydatif anaérobie : réaction de dégradation moléculaire par oxydation en milieu privé d oxygène. 3 ATP : Abréviation d adénosine-triphosphate. Molécule riche en énergie constituant la forme sous laquelle les cellules stockent l énergie produite par la combustion des sucres et des graisses. Cette production d énergie est utilisée dans les réactions métaboliques. 4 Shunt : dérivation d une voie à une autre. par l action de l insuline et permet, par l utilisation du glucose, la production de différentes molécules du type acides gras ou cholestérol. Les voies de stockage : La glycogénogénèse est la voie qui permet le stockage du glucose sous forme de glycogène dans les cellules animales. Son accumulation dans le foie et les muscles est une réponse physiologique à l augmentation de l apport de glucose faisant suite à un repas (période postprandiale 5 ). Le glycogène est en faible concentration dans le muscle (comparée au foie) mais compte tenu de la proportion des muscles dans l organisme, le glycogène musculaire représente deux tiers du glycogène total. La capacité de stockage énergétique sous forme de glycogène étant limitée, les glucides qui se trouvent en excès sont stockés sous forme lipidique dans le tissu adipeux et le foie, c est la lipogénèse de novo. La lipogénèse de novo est la synthèse de triglycérides à partir d un excès de glucides alimentaires et en particulier du glucose : cette synthèse est donc fonction de la disponibilité en substrats d origine glucidique. Deux organes sont capables de moduler leur capacité lipogénique en fonction des conditions nutritionnelles : le foie et le tissu adipeux.comme pour la glycogénogénèse, l insuline constitue un régulateur majeur de la lipogénèse. Lors du jeûne, un ensemble de trois voies métaboliques différentes permet le maintient du taux de glycémie. Dans un premier temps, pour obtenir de l énergie, les tissus non glucodépendants (foie et muscles) mobilisent les graisses du tissu adipeux : la voie de la lipolyse. Les acides gras libres ainsi obtenus sont des substrats alternatifs pour ces tissus. Dans un deuxième temps, le foie et les muscles mobilisent le glucose stocké sous forme de glycogène, via la glycogénolyse. Le glucose ainsi libéré est dirigé vers les tissus glucodépendants (cerveau notamment), et contribue au maintien de la glycémie. Dans un troisième et dernier temps, la gluconéogenèse permet au foie de synthétiser le glucose de novo à partir de substrats non glucidiques originaires des tissus musculaires et adipeux (glycérol issu de l hydrolyse des réserves lipidiques ou acides aminés issus de l hydrolyse des protéines musculaires notamment). La gluconéogenèse et la glycolyse ne sont pas uti- 5 Post-prandial : qui succède au repas. Sucres naturels et extraits de fruits 13

14 lisées simultanément par l organisme, l une prenant le relais de l autre lors des phases de jeûne. 4c Le fructose Si le fructose a une structure et des propriétés différentes du glucose, il se différencie également en termes de voie d absorption ou de métabolisme. L absorption intestinale du fructose suit, à la différence du glucose, un processus de diffusion facilité ne nécessitant pas d énergie sauf au niveau de la barrière entérocytaire où le transport du fructose est assuré par une protéine spécifique (Sigman-Grant & Morita 2003). De plus, son entrée dans les cellules n étant pas insulinodépendante, le fructose ne déclenche pas, ou très peu (voir chapitre III), de sécrétion d insuline. Son métabolisme est également différent : après ingestion, il est inutilisable directement par certains tissus (comme les muscles) et devra donc être transformé au préalable dans le foie (en glycogène notamment) pour ensuite être utilisé par ces tissus (après une glycogénolyse déclenchée en fonction des besoins énergétiques des tissus). Différentes enzymes, dont certaines spécifiques au fructose, permettent sa conversion en produits intermédiaires de la glycolyse et de la gluconéogenèse (glucose, glycogène, lactate ou lipide) (Tappy & Lê 2010). Notons également que la rapidité de la métabolisation enzymatique du fructose dans le foie est très supérieure à celle du glucose. Malgré les différences notables avec le glucose, le catabolisme 1 du fructose produira le même nombre de molécules d ATP. Le fructose dans l alimentation : Les sources naturelles de fructose sont les fruits et le miel. Jusqu en cependant, cet ingrédient était issu de l hydrolyse du saccharose, de l inuline ou de l hydrolyse de l amidon de céréales. Si l on peut regretter l amalgame, souvent infondé,fait entre fructose et sirop de glucose-fructose (autrement appelé HFCS 3 ou isoglucose), l utilisation importante de ce dernier depuis quelques années a permis d initier de nombreux travaux de recherche quant à l intérêt nutritionnel du fructose et ses effets sur l organisme. Mais selon les doses et les espèces 1 Catabolisme : ensemble des réactions de dégradations moléculaires de l organisme considéré. 2 FructiLight de Nutritis est un sirop naturel de fructose directement extrait des fruits. 3 HFCS : High Fructose Corn Syrup : sirops de maïs soumis à des processus enzymatiques en vue d augmenter leur teneur en fructose et ensuite mélangés à du sirop de maïs pur (100 % de glucose) pour obtenir leur composition finale variable, de 42% de fructose (HFCS 42) à 55 % de fructose (HFCS 55) pour les plus courants. L HFCS a été créé en 1957 et a été rapidement utilisé en agroalimentaire notamment dans l industrie des boissons. étudiées, des résultats contradictoires ont été obtenus (Barbosa et al. 2007), (Elliott et al. 2002). Un risque d activation de la lipogénèse de novo... Selon certaines études, il semblerait que l absorption de fructose chez l homme ou l animal à des doses massives et chroniques (entre 5 et 10 fois la quantité quotidienne normalement absorbée) soit délétère d un point de vue métabolique, pouvant induire une intolérance au glucose et une insulino-résistance 4. Au cours de ces études, un lien a été fait entre assimilation de fructose et une accumulation ectopique 5 de triglycérides intramusculaires. Ceci peut être expliqué par l arrivée massive de ce substrat énergétique dans les cellules qui, ne pouvant pas utiliser la totalité de ce fructose privilégient la lipogenèse de novo. Ce transfert vers une autre voie de stockage s active lorsque les réserves en glycogène du foie sont pleines, l organisme oriente alors le stockage vers le tissu adipeux. Cependant, pour une population normale, à moins d avoir une alimentation très riche en sucres et d être sédentaire, il est peu probable que les réserves de glycogènes hépatiques soient pleines....mais une amélioration de la tolérance au glucose et de la sensibilité à l insuline. Des résultats contradictoires ont pu être obtenus lors de l administration de fructose à des doses dites «physiologiques» (1 à 2 fois la quantité quotidienne normalement absorbée) (Gaby 2005). En 1998, Lee et ses collaborateurs ont mis en évidence que l administration de fructose chez l homme pouvait améliorer la tolérance au glucose et la sensibilité à l insuline (Lee & T M Wolever 1998). D autres équipes ont par la suite pu confirmer cet effet chez l animal (McGuinness & Cherrington 2003). Avec un constat intéressant : le métabolisme hépatique du fructose «aide» à l utilisation du glucose par le foie 6. De plus, le fructose n étant pas reconnu par le pancréas, il n entraine pas ou quasiment pas (cf chapitre III) d induction de la production d insuline au cours de l absorption du monosaccharide, ce qui peut présenter un intérêt majeur dans le cadre de pathologies telles que le diabète (de Kalbermatten et al. 1980). Si ces effets restent à confirmer et à valider sur différents modèles et chez l homme, il faut noter que toutes les études faites concernant les effets du fructose ont 4 (McGuinness & Cherrington 2003), (Gaby 2005), (Faeh et al. 2005), (Havel 2005), (Lê & Tappy 2006), (Francini et al. 2009). 5 Ectopique : anormalement situé. 6 (McGuinness & Cherrington 2003), (Watford 2002), (Heacock et al. 2002), (Wolf et al. 2002). 14 Sucres naturels et extraits de fruits

15 utilisé du fructose issu de céréales ou de betteraves et non du fructose extraits de fruit. Les travaux de l INSERM 1 (résultats au chapitre III) démontrent que FructiLight, sucre extrait de fruits, contenant 95% de fructose natif se comporte différemment : il possède un index glycémique inférieur de plus de 50 % à celui du fructose évoqué dans les études précédentes et il améliore même la tolérance au glucose chez la souris lorsqu il est administré de façon chronique (Dray et al. 2009a). Un récent avis de l European Food Safety Authority 2 (ID 558 de juin 2011) corrobore les effets bénéfiques du fructose déjà identifiés dans les études citées cidessus et préconise la substitution de sucres tels que glucose et saccharose par le fructose dans les produits alimentaires sucrés. Cet avis, rendu sur la base d une méta-analyse des données sur le sujet et qui fait suite à une demande de la Commission Européenne, permet d établir une justification scientifique des allégations santé relatives au fructose, en lien avec le métabolisme des carbohydrates et la sensibilité à l insuline, chez les patients atteints de diabète de type 2 comme dans la population saine. 4d Le sorbitol Au-delà de ses propriétés technologiques de conservation notamment et d agent anti cristallisant, le sorbitol est utilisé pour son impact sur la régulation du métabolisme glucidique. Ce «sucre-alcool» ne modifie pas la glycémie (une consommation excessive peut cependant entrainer des effets laxatifs). Le sorbitol exogène, provenant de l alimentation est donc également intéressant pour le diabétique comme sucre de remplacement (Horn et al. 2005). Les glucides font partie intégrante des éléments essentiels de la nutrition des êtres vivants : ils sont les principaux intermédiaires biologiques de stockage et de consommation d énergie. En proposant de substituer le fructose aux traditionnels glucose et saccharose, l EFSA ouvre la voie pour valoriser et développer l utilisation d un sucre encore peu connu aux propriétés nutritionnelles intéressantes. Ouvrage de référence : (Mathews et al. 2000) 1 INSERM : Institut National de la Santé et la Recherche Médicale. 2 EFSA : Autorité européenne de sécurité des aliments. Sucres naturels et extraits de fruits 15

16 16 Sucres naturels et extraits de fruits

17 II La glycémie 1 Données générales La glycémie correspond à la concentration de glucose dans le sang. A jeun, la valeur de la glycémie est comprise entre 0.7 et 1.1 g de glucose par litre de sang, et après un repas, elle peut s élever environ jusqu à 1.4 g/l. Elle est régulée selon un mécanisme interne d homéostasie glucidique 1 sous l action de deux hormones : l insuline 2 et le glucagon 3. La glycémie varie aussi en fonction de la composition qualitative et quantitative d un aliment ou d un repas. Après la prise alimentaire, les aliments ingérés ont une capacité plus ou moins importante à faire varier le taux de glucose sanguin, et donc à induire une réponse insulinémique : on parle alors du pouvoir glycémiant des aliments mesuré par l index glycémique (IG). 2 Mécanismes de régulation de la glycémie La régulation de la glycémie est un mécanisme lié à la sécrétion pancréatique de deux hormones antagonistes : l insuline (hormone hypoglycémiante) et le glucagon (hormone hyperglycémiante). En situation d hypoglycémie, la sécrétion du glucagon permet de remonter le niveau de glucose plasmatique vers sa valeur normale en diminuant l utilisation de glucose par l organisme et en augmentant la production endogène si nécessaire (production hépatique de glucose au cours du jeûne prolongé). A l opposé, l insuline est l hormone capable de rabaisser le taux de glucose plasmatique après un repas en augmentant l utilisation et en inhibant la production hépatique de glucose. Il en résulte une augmentation de la sécrétion du glucagon à jeun et une diminution durant les phases de digestion et d absorption, alors que la production d insuline évolue de façon inverse. Ces effets combinés sont essentiels pour le maintien de l homéostasie glucidique et le bon fonctionnement du métabolisme énergétique. Figure 7 : Schéma de régulation de la glycémie 1 Homéostasie glucidique : mécanisme qui permet de réguler le taux de glucose sanguin. 2 Insuline : Hormone polypeptidique intervenant dans le cycle du glucose. Son rôle est de maintenir constante la concentration du sang en glucose, c est une hormone hypoglycémiante. Elle est sécrétée par les cellules des îlots de Langerhans du pancréas. Elle permet l absorption du glucose par les cellules musculaires et les adipocytes. Lorsque sa sécrétion est insuffisante, il y a apparition du diabète. 3 Glucagon est une hormone hyperglycémiante secrétée par le pancréas. Elle possède des propriétés antagonistes de l insuline. Son rôle est de stimuler la décomposition du glycogène en glucose. Sucres naturels et extraits de fruits 17

18 3 L index glycémique Avec la notion d index glycémique (IG), ce n est plus la composition de l aliment en tant que telle qui est considérée mais l aspect qualitatif de la réponse biologique consécutive à son ingestion. (D J Jenkins et al. 1981). Défini par Jenkins à partir des travaux réalisés en 1976 par Crapo (Crapo et al. 1977), l IG est mesuré par rapport à un standard de référence arbitrairement donné au glucose (en Europe) ou au pain blanc (en Amérique du Nord), dont la valeur est égale à 100. Les études menées par Jenkins ont permis d attribuer un index glycémique à chaque aliment (D J Jenkins et al. 1981). Si la notion de l index glycémique reste la plus répandue pour mesurer les variations d impact d un aliment sur la glycémie, la charge glycémique est également une notion importante car elle renseigne sur la quantité de glucides ingérée. La charge glycémique d un aliment correspond en effet au produit de l index glycémique par la teneur en glucides de cet aliment. Cette notion, plus complète que l IG seul, englobe à la fois les aspects qualitatif et quantitatif en glucides d un aliment mais n informe cependant pas quant à la complexité des interactions entre nutriments dans le bol alimentaire (cf 3b). avec CG = charge glycémique IG = Index glycémique m = masse Figure 8 : Formule de calcul de la charge glycémique 3a Calcul de l index glycémique L index glycémique est calculé à partir de la mesure de l aire sous la courbe (aire au-dessus de la ligne de base représentée par la glycémie à jeun) de la réponse glycémique liée à la consommation d une portion d aliment apportant 50g de glucides glycémiants, exprimée en pour cent de l aire sous la courbe de la réponse glycémique liée à la consommation d une portion d un aliment de référence (le glucose ou pain blanc) apportant la même quantité de glucides glycémiants, pris par un même sujet. Le calcul de l index glycémique selon la méthode préconisée par la FAO/WHO (1998) est décrit ci-dessous : Figure 9 : Illustration du calcul d une aire sous la courbe (ASC) de réponse glycémique, (d après FAO/WHO 1998) Une valeur d IG doit être associée à une mention sur la nature du repas de référence (glucose ou pain blanc) car elle a un impact fort sur le résultat. De même, le repas de la veille (notamment sa richesse en fibre) comme l apport glucidique des jours précédents auront une influence sur l IG de l aliment testé : ceci explique les variations entre les différentes études et donc les résultats multiples pour un même aliment. 1 3b Eléments faisant varier l index glycémique Outre l influence de la composition intrinsèque des aliments sur la variation de l index glycémique (teneur en fibres et en protéines notamment), plusieurs facteurs extrinsèques jouent un rôle important : La composition d un aliment agit sur la réponse glycémique à travers la notion de charge glycémique. Pour un même index glycémique, plus un aliment est riche en macronutriments autres que les glucides, plus petite sera la charge glycémique et moins il y aura d influence sur la glycémie. La présence de fibres ou de protéines, en diminuant la vitesse de digestion, rend les glucides moins rapidement disponibles et donc permet de baisser l IG. Le traitement thermique appliqué à un aliment a la capacité d augmenter son index glycémique. Plus le traitement est important, plus l index glycémique sera augmenté. 1 Trois tables de valeurs d index glycémiques ont successivement été publiées par Foster-Powell (K Foster-Powell & Miller 1995), (Kaye Foster-Powell et al. 2002), (Atkinson et al. 2008) : près de 1300 aliments et ingrédients y sont répertoriés. 18 Sucres naturels et extraits de fruits

19 L état physique d un aliment a une influence directe sur la rapidité du processus physiologique de la digestion et l absorption, et donc sur l index glycémique. Ainsi, un aliment sous forme liquide, plus rapidement digéré et absorbé, possède un plus haut index glycémique que le même aliment solide (exemple sur une même table d IG, raisin (fruits frais) : IG = 45 et jus de raisin (non sucré) : IG = 55). Le contexte alimentaire agit sur la réponse glycémique, celle-ci n étant pas identique selon que l aliment est consommé seul ou au cours d un repas. En fait, l intensité de la réponse glycémique (IG) est influencée par la présence concomitante d autres nutriments, en modulant la vidange gastrique et/ou l insulinosécretion : les fibres, les lipides et dans une moindre mesure les protéines ont la capacité de ralentir la vidange gastrique (S Normand et al. 2001), (D J Jenkins & A L Jenkins 1985). De ce fait, au sein d un repas, fibres, lipides et protéines permettront de limiter le pic d hyperglycémie postprandial. La maturité des fruits et légumes entraîne généralement une augmentation de l index glycémique. La maturation d un fruit ou d un légume s accompagne en effet d une conversion de l amidon en glucides simples (saccharose, glucose et fructose), dont les teneurs augmentent à des degrés divers selon le fruit ou le légume. Ces glucides simples ont une influence spécifique sur l index glycémique. La taille des particules ingérées a un impact sur la réponse glycémique : il existe une corrélation positive entre la taille des aliments avalés et la diminution de l index glycémique. Ainsi, un grain de blé consommé entier aura un index glycémique plus faible que le même blé consommé sous forme de semoule. La réduction en purée, marmelade ou jus, augmente l index glycémique. Exemple : La purée est bien plus hyperglycémiante que la pomme de terre vapeur. Voici présentés sur ce schéma quelques IG de produits alimentaires : Figure 10 : Illustration de la variation des IG, quelques exemples (sur humains) L index glycémique d un aliment est donc la résultante de nombreux paramètres dont il convient impérativement de tenir compte dans les choix nutritionnels. Sucres naturels et extraits de fruits 19

20 4 Effets sur l organisme A l heure de la montée de l obésité et de l incidence accrue des pathologies métaboliques et cardiovasculaires, les recommandations alimentaires actuelles privilégient la sélection d aliments à faible IG. Appliquées à tous, tant pour les personnes atteintes d obésité, de diabète ou d autres pathologies d origine métabolique que pour la population en général, dans différentes situations du quotidien, ces recommandations s intègrent dans un plan de prévention et de santé publique. 4a Index glycémique et sport L alimentation du sportif joue un rôle très important sur sa performance à l effort : l index glycémique des aliments et le moment de leur consommation sont des points clés de cette performance. La réponse métabolique au cours de l activité physique est en effet différente en fonction de l index glycémique des aliments consommés (J. F. Horowitz & Coyle 1993). L ensemble des études traitant des effets de l IG sur l exercice physique sont unanimes. Les glucides à IG bas devraient être consommés très en amont de l exercice physique (D. E. Thomas et al. 1994) (DeMarco et al. 1999), permettant ainsi de mieux gérer l effort dans le temps. La consommation de glucides à IG élevé est préconisée juste avant, pendant et après l activité physique (Peres 1994) (Walton & Rhodes 1997) (Burke et al. 1998), afin de reconstituer les stocks de glycogène musculaire, qui est le principal carburant des muscles (Stevenson et al. 2005). En prévision d un effort prolongé, une ingestion de produits à index glycémique faible réalisée 45 minutes à 1 heure avant l exercice aiderait au maintien des stocks de glycogène et améliorerait ainsi la performance grâce à une libération progressive de l énergie au cours de cet exercice. Cet apport d énergie n entraine pas de risque d hypoglycémie réactionnelle (qui provoque usuellement le «coup de fatigue») et permet aussi de limiter les risques d hypoglycémie lors de la phase d effort. De plus, certains travaux ont également montré que les conséquences d une absorption de sucre à faible IG avant un effort pouvait avoir un impact positif notable sur la production de métabolites issus de l exercice physique comme le lactate (responsable des crampes) ainsi que sur le ratio oxygène consommé / gaz carbonique rejeté, reflet de la capacité oxydative de l organisme (Stannard et al. 2000) (Sparks et al. 1998) (Febbraio & Stewart 1996). La notion d index glycémique apparaît donc essentielle et primordiale dans le cadre de la préparation et de la gestion de l activité et de l effort physique. Autres articles de référence : (Moore et al. 2009), (Little et al. 2009), (Bergström et al. 1967), (Guezennec et al. 1989). 4b Index glycémique et satiété La satiété est désignée comme l état de satisfaction de l appétit suite à une prise alimentaire. Plusieurs études portant sur les effets des glucides purs ont mis en évidence que l ensemble des sucres de faible ou fort IG provoquait une diminution de la prise alimentaire 1. Cependant, une nette différence a pu être mise en évidence dans la cinétique de la suppression de la faim. Les sucres possédant un IG élevé provoquent une suppression de la sensation de faim rapide et courte (pendant une heure après l ingestion) alors que les sucres à faible IG agissent sur la faim entre 2 et 6 heures après l ingestion 2. Ceci confirme que la consommation de sucres à IG faible déclenche une augmentation de la sensation de satiété et donc une diminution de l énergie absorbée mesurée durant les 3 heures après la prise alimentaire (nourriture en libre accès) 3. Cela est corrélé et s explique par les différentes voies de métabolisme que suivent les sucres selon leur nature. Ainsi, un régime à faible IG permettrait une libération plus lente et progressive du glucose dans le sang et par conséquent le maintien constant de la glycémie pendant un temps prolongé. Ces mécanismes de régulation déclencheraient une prolongation de la sensation de satiété postprandiale, et par conséquent la réduction de la consommation d énergie dans les repas qui suivent. De plus, deux théories complémentaires semblent expliquer le fait que les sucres de faible IG induisent une meilleure inhibition de la prise alimentaire. 1 (Anderson et al. 2002) (Guss et al. 1994) (Kong et al. 1999) (Rodin et al. 1988) (Saris et al. 2000) (Spitzer & Rodin 1987) 2 (Anderson 1995) (Rogers & Blundell 1989) (Rogers et al. 1988) (D M Woodend & Anderson 2001) 3 (van Amelsvoort & Weststrate 1992) (Rigaud et al. 1998) (Raben et al. 1997) (Pasman et al. 2003) (Liljeberg et al. 1992) (Lavin & Read 1995) (Jiménez-Cruz et al. 2005a) (Holm & Björck 1992) (Gustafsson et al. 1995) (Granfeldt et al. 1991) (Benini et al. 1995). 20 Sucres naturels et extraits de fruits

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