Effet anti-glycémique de l’arabinoxylane extractible à l’eau de l’aleurone et du son de blé

Abstract

Les études sur les effets des polysaccharides arabinoxylanes (AX) sur la réponse postprandiale au glucose ont donné des résultats contrastés en raison de la diversité des structures des AX. Quatre extraits d’AX extractibles par l’eau (WEAX) obtenus à partir d’aleurone et de son de blé ont été utilisés pour étudier (a) l’effet de l’AX sur les activités de l’α-amylase et de l’α-glucosidase, (b) l’influence de la composition chimique de l’AX sur leur pouvoir d’inhibition, et (c) la cinétique de l’inhibition enzymatique. L’activité α-amylase n’a pas été significativement affectée par la présence de fractions de WEAX, quel que soit le type ou la concentration. Le WEAX a inhibé l’activité α-glucosidase uniquement lorsque le maltose a été utilisé comme substrat mais pas le saccharose. Les valeurs IC50 du WEAX (- mg/mL) étaient fortement corrélées à la teneur en acide férulique (), au rapport arabinose/xylose () et aux proportions relatives de xylose non substitué (), disubstitué () et monosubstitué (). Le tracé de Lineweaver-Burk suggère un mode d’inhibition enzymatique non compétitif. Ainsi, nos résultats suggèrent que les propriétés antiglycémiques du WEAX peuvent être dérivées de l’inhibition directe de l’activité α-glucosidase.

1. Introduction

La prévalence du diabète de type 2 augmente dans le monde. Le diabète est une maladie chronique caractérisée par un taux élevé de glucose plasmatique circulant. La gestion du glucose postprandial est donc essentielle dans la prévention et le traitement des patients atteints de diabète de type 2. Des études d’intervention chez l’homme ont montré que la consommation d’un régime riche en arabinoxylane (AX-) atténue la glycémie postprandiale chez les sujets sains, les sujets présentant une intolérance au glucose et les sujets diabétiques. En revanche, Mohlig et ses collègues n’ont constaté aucun effet sur la réponse glycémique lorsque des sujets humains en bonne santé ont reçu des petits pains enrichis en AX. Les études animales ont également donné des résultats mitigés sur l’effet de la supplémentation en AX. Les mécanismes sous-jacents ne sont pas clairs, mais il est supposé que les fibres solubles augmentent la viscosité de la lumière, retardant ainsi l’absorption des nutriments. La viscosité apparente des solutions d’AX est affectée par la conformation asymétrique et le poids moléculaire des AX ainsi que par la concentration en polymère. Parmi ces trois facteurs, la concentration d’AX semble influencer le plus la viscosité. Ainsi, l’effet des AX sur la glycémie est dose-dépendant. La viscosité apparente des solutions d’AX dépend également de la contrainte de cisaillement, de sorte qu’un cisaillement plus élevé entraîne un amincissement par cisaillement, comportement caractéristique des fluides non newtoniens. Des études récentes suggèrent que l’effet de viscosité de l’AX peut être compensé par un fort péristaltisme intestinal .

La structure moléculaire de l’AX est complexe et hétérogène. Les AX sont constitués du squelette du xylane composé de résidus β-D-xylopyranosyl (Xylp) liés () avec des résidus α-L-arabinofuranosyl (Araf) liés au squelette du xylane en C(O)-2 et C(O)-3 et/ou en C(O)-2 et C(O)-3 . Les résidus de xylose peuvent également être substitués par des liaisons d’acide glucuronique et/ou d’acide méthylglucuronique. Les résidus d’acide férulique ou coumarique sont liés par des liaisons ester aux résidus d’arabinose en position C(O)-5. Le rapport arabinose/xylose, le schéma de substitution de l’arabinose, le degré de féruloylation et le poids moléculaire varient considérablement d’une céréale à l’autre et au sein d’une même céréale. Les arabinoxylanes (AX) constituent la plus grande proportion de fibres alimentaires dans les grains de céréales (60-70%) et leur contenu varie selon la source ou la fraction du grain. Les AX représentent 1,3 à 2,7 % p/p du blé. L’aleurone et le péricarpe du blé contiennent respectivement 20 et 45 % d’AX. Une grande partie des AX du blé sont insolubles dans l’eau (70-86%) .

Les glucides digestibles alimentaires sont hydrolysés en sucres monomères, glucose ou fructose avant leur absorption dans le tractus gastro-intestinal . L’amidon est principalement digéré en maltose et autres glucides à chaîne courte par l’amylase salivaire et pancréatique. Le résultat (maltose, maltotriose et α-dextrines) et le saccharose sont digérés en glucose ou en fructose par les α-glucosidases de la bordure en brosse de l’intestin grêle (maltase-glucoamylase et sucrase-isomaltase). L’absorption du sucre dans l’intestin grêle implique principalement les transporteurs GLUT2, GLUT5 et SGLT1 . Ainsi, une diminution de l’hyperglycémie postprandiale peut être obtenue en limitant la digestion ou l’absorption intestinale des glucides. Malgré les énormes différences de structure des AX, la plupart des études ne donnent que très peu ou pas de détails sur la composition ou la structure des AX utilisées, ce qui rend difficile la comparaison des résultats sur l’effet des AX sur la glycémie postprandiale. Il existe également très peu de données sur l’effet des AX purifiés et extractibles à l’eau sur les enzymes digestives des glucides. Ainsi, dans cette étude, nous avons cherché à étudier (a) l’effet de l’AX sur les activités de l’α-amylase et de l’α-glucosidase, (b) l’influence de la composition chimique de l’AX sur leur pouvoir d’inhibition, et (c) la cinétique de l’inhibition des enzymes.

2. Matériaux et méthodes

2.1. Produits chimiques et réactifs

Une aleurone de blé commerciale (aleurone de blé Grainwise) a été un don de Cargill Limited et Horizon Milling (Wichita, Kansas, USA). Elle est composée de 4,5, 15,2, 7,4 et 2,5 % de lipides, de protéines, de cendres et d’amidon, respectivement. Le son de blé de force rouge d’hiver a été acheté localement chez Bulk Barn (Winnipeg, Manitoba, Canada). Ses teneurs en humidité, en cendres et en protéines ont été analysées et étaient respectivement de 5,8, 5,3 et 11,1 %. L’amidon de blé non modifié, le maltose, le saccharose, l’acarbose, l’α-amylase du pancréas porcin (EC 3.2.1.1, Type VI-B), l’amyloglucosidase (EC 3.2.1.3) de l’aspergillus, et les poudres d’acétone intestinale du rat ont été achetés chez Sigma-Aldrich (Milwaukee, WI, USA). Le sulfate d’ammonium, tous les acides et les solvants organiques ont été achetés chez Fischer Scientific (Whitby, Ontario, Canada). Le kit de dosage du maltose, du saccharose et du glucose (K-MASUG 08/13) a été acheté auprès de Megazyme International Ireland (Bray, Wicklow, Irlande). Tous les produits chimiques utilisés étaient de qualité analytique ou HPLC.

2.2. Préparation d’arabinoxylane extractible par l’eau

Les enzymes endogènes ont été inactivées en faisant bouillir des échantillons de son de blé et d’aleurone de blé (~200 g) dans 2 L d’éthanol aqueux (80%, v/v) à 85°C sous reflux pendant 2 heures. Le surnageant a été jeté et le résidu a été séché à l’air dans une hotte pendant une nuit à température ambiante. Les fractions extractibles par l’eau ont été isolées à partir du son ou de l’aleurone séché à l’air (150 g) à 45°C selon la méthode décrite par Izydorczyk et Biliaderis . L’extrait aqueux a été désaromatisé à l’aide d’α-amylase (1821 U/L) et déprotéiné par de la célite et de la terre à foulon. Le matériel purifié a été fractionné par précipitation graduelle au sulfate d’ammonium (SA) et des fractions ont été obtenues à 50 et 75 % de saturation en SA. Le matériel recueilli a été lyophilisé après avoir été dialysé (membrane de coupure de 12 kDa) pendant 48 heures. Les fractions extractibles par l’eau recueillies à partir de l’aleurone de blé ont été étiquetées (WA), suivies de la concentration de SA à laquelle elles ont été obtenues (WA-f50 et WA-f75). De même, les matières recueillies à partir du son de blé (WB) ont été désignées par WB-f50 et WB-f75. Les descriptions chimiques et structurelles des fractions WEAX sont présentées dans le tableau 1.

2.3. Essai d’inhibition de l’activité α-amylase

L’amidon de blé (300 mg) a été mis en suspension dans 15 mL de tampon phosphate de sodium (pH 6,9, 0,1 M) contenant 1 mM de chlorure de calcium et cuit à 95°C pendant 15 minutes . Les fractions WEAX (40 mg) ont été dissoutes dans 2 mL de tampon de phosphate de sodium. Les échantillons ont été dilués de façon à ce que la concentration finale dans le mélange réactionnel soit de 0,0, 0,2, 0,3 et 0,5 % (p/v). Des volumes égaux (200 μL) d’amidon et de WEAX (ou de contrôle) ont été mélangés et agités au vortex. L’hydrolyse de l’amidon a été initiée en ajoutant 70 μL d’α-amylase pancréatique porcine (130 U/mL) et 40 μL d’amyloglucosidase fongique (240 U/mL). La réaction a été arrêtée après 30 minutes par un chauffage à 95°C pendant 5 minutes. Le mélange a été immédiatement refroidi sur glace et centrifugé (Thermo Scientific, Sorvall Legend Micro21, Allemagne). Les surnageants ont été recueillis et analysés pour le glucose à l’aide du kit de test de glucose Megazyme. Les études d’intervention humaine ont rapporté l’efficacité d’une concentration de 0,25 à 0,70 % d’AX, d’où notre choix de la gamme de concentration.

2.4. Essai d’inhibition de l’activité α-glucosidase intestinale du rat

La méthode d’inhibition de l’α-glucosidase d’Oki et al a été utilisée avec des modifications. Brièvement, la poudre d’acétone intestinale de rat (500 mg) a été mélangée à 10 mL de tampon phosphate de sodium (pH 6,9, 0,1 M) et soniquée dans un bain de glace pendant 30 secondes (12 fois) avec une pause de 15 secondes pour éviter l’accumulation de chaleur. Le mélange a ensuite été centrifugé à 10000 à 4°C pendant 10 minutes. Le surnageant a été recueilli et marqué α-glucosidase intestinale de rat. Les échantillons de WEAX (40 mg) ont été dissous dans 2 mL de tampon phosphate de sodium (pH 6,9, 0,1 M). Ensuite, 50 μL d’α-glucosidase intestinale de rat ont été mélangés à 100 μL d’échantillon ou de tampon (contrôle) et incubés à 37°C pendant 5 minutes. Cinquante μL de 20 mM de saccharose ou de 4 mM de maltose ont été ajoutés et ont ensuite été incubés pendant 60 minutes (saccharose) ou 30 minutes (maltose). La concentration finale de la fraction WEAX était de 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, et 0.0% (w/v). L’activité enzymatique a été arrêtée par chauffage à 95°C pendant 10 minutes. Après centrifugation à 10000 pendant 10 minutes, les surnageants ont été recueillis pour l’analyse du glucose à l’aide du kit de test de glucose Megazyme GOPOD. Le % d’inhibition de l’alpha-glucosidase (sucrase ou maltase) a été calculé comme suit . La valeur IC50 a été déterminée à partir du tracé du % d’inhibition de l’α-glucosidase en fonction de la concentration de l’échantillon. L’inhibition de l’α-glucosidase intestinale de rat par l’acarbose (un inhibiteur connu de l’α-glucosidase) a également été réalisée à des fins de comparaison. Des concentrations d’acarbose de 1,625, 3,25, 4,9, 6,5, 9,8 et 13 μg/mL ont été utilisées à la place de l’échantillon.

2,5. Analyse statistique

Toutes les analyses ont été effectuées en sextuple (sauf indication contraire) et toutes les statistiques ont été calculées à l’aide d’une analyse de variance (ANOVA) à sens unique sur un logiciel statistique JMP 12 (SAS Institute Inc., Cary, NC). Les moyennes des échantillons ont été comparées en utilisant la méthode Tukey HSD et les différences significatives ont été déterminées à . Les corrélations entre les paramètres ont été calculées en utilisant le test de corrélation de Pearson.

3. Résultats et discussion

Les effets du WEAX sur l’hydrolyse de l’amidon sont présentés dans la figure 1. Nous avons comparé la quantité de glucose libérée sur 30 minutes d’incubation avec l’α-amylase en présence ou en l’absence de fractions WEAX. L’ajout de fractions WEAX a diminué numériquement la quantité de glucose produite par rapport au traitement de contrôle. Cependant, les comparaisons statistiques des groupes de traitement et du contrôle ont montré que la différence moyenne n’était pas significative () pour WA-f50, WA-f75, et WB-f75 indépendamment de la concentration de WEAX. La présence de 0,5 % de WB-f50 a entraîné une diminution significative de l’amylolyse par rapport au contrôle (). Cependant, nos observations concernant l’activité de l’alpha-amylase ont contrasté avec d’autres rapports de la littérature, probablement en raison de la concentration et du type d’AX. L’amylolyse de l’amidon a été réalisée en présence de 1 et 2% d’AX et l’AX utilisée était dépourvue d’acide férulique. Nous avons utilisé des concentrations d’AX (~5-10 g) équivalentes à celles rapportées pour atténuer la glycémie postprandiale dans les études humaines .

Figure 1

Effet de l’arabinoxylane extractible par l’eau sur l’hydrolyse de l’amidon.

Le tableau 2 montre l’effet du WEAX sur l’activité α-glucosidase en présence de saccharose ou de maltose comme substrat. Les données sont présentées en tant que IC50 qui est la concentration de l’inhibiteur résultant en une inhibition de 50% de l’activité α-glucosidase. Les valeurs de la CI50 étaient comprises entre 4,88 et 10,14 mg/mL contre l’activité α-glucosidase avec le maltose comme substrat. Cependant, aucune inhibition n’a été observée lorsque le saccharose a été utilisé comme substrat. Le pouvoir inhibiteur du WEAX contre la maltase intestinale était de 1000 à 2000 fois inférieur à celui de l’acarbose (un contrôle positif). L’hypothèse selon laquelle la viscosité pourrait être la cause de l’effet de l’AX sur le glucose postprandial est largement répandue. Ainsi, Vogel et al. ont nourri des rats avec une AX à base de son de blé modifié pour étudier l’effet de la viscosité. De plus, l’inhibition de l’alpha-glucosidase intestinale par les mono-/oligosaccharides AX était également liée à leur fraction d’acide férulique. Par conséquent, WA-f50 et WB-f75 avaient un pouvoir d’inhibition significativement différent vis-à-vis de l’activité α-glucosidase malgré des proportions relatives similaires de résidus de xylose non substitués (un-Xylp), monosubstitués, (2-Xylp ou 3-Xylp) et disubstitués (2,3-Xylp) et de degré de substitution, mais une teneur en acide férulique différente.

Le rapport arabinose/xylose est une mesure du degré de substitution (DS). Une forte association linéaire négative ( = -0,67) a été observée entre DS et IC50. Ceci pourrait être une conséquence de la solubilité accrue de l’AX due à un DS élevé. Ainsi, le WEAX hautement substitué semble avoir une valeur IC50 plus faible (puissance d’inhibition élevée). La même observation a été soutenue par une association négative entre le pouvoir d’inhibition et la proportion relative de résidus de xylose non substitués. Le rapport apparent entre les résidus di-Xyl et mono-Xyl ne semble pas avoir d’influence, mais l’étendue de la substitution du xylose a montré un effet. Ainsi, il est probable que l’effet sur l’activité α-glucosidase puisse émaner des résidus d’arabinose du WEAX. Il y a eu des rapports sur l’arabinose inhibant l’activité α-glucosidase. Les tentatives d’éliminer les résidus d’arabinose du WEAX en utilisant l’arabinofuranosidase n’ont pas permis de prouver l’hypothèse. Cependant, nous avons noté que le mono-Xyl en C (O)-2 était un déterminant majeur comparé au mono-Xyl en C (O)-3 suggérant que le pouvoir d’inhibition était au-delà de la simple présence du résidu arabinose. Il y avait une forte corrélation entre le mono-Xyl en C (O)-2 et la teneur en acide férulique ( = 0,99). Il est donc possible que l’influence observée du DS ait pu être dérivée de celle de l’acide férulique.

Le tracé de Lineweaver-Burk (figure 2) a été utilisé pour calculer la vitesse maximale apparente () et la constante de Michaelis-Menten () pour l’activité α-glucosidase sur le maltose en présence et en absence de WEAX. L’effet de la fraction WEAX sur et a été analysé pour déterminer le type d’inhibition. et de l’α-glucosidase pour le maltose en absence de fractions WEAX étaient respectivement de 17,5 μg de glucose par minute et de 5,99 mM. Le tableau 4 montre que l’ajout des fractions WEAX a diminué les deux et les valeurs suggérant que le WEAX a inhibé l’activité α-glucosidase par un mode non compétitif. Une caractéristique typique de l’inhibition non compétitive est que les deux et diminuent en présence de l’inhibiteur. Il est donc plausible que les fractions de WEAX se lient au complexe enzyme-substrat, diminuant ainsi les deux et . On a également constaté que l’arabinose inhibe l’activité α-glucosidase par un mode non compétitif .

Figure 2

Tracé de Lineweaver-Burk de l’inhibition de l’α-glucosidase intestinale du rat par l’arabinoxylane extractible par l’eau ().

Nos résultats peuvent fournir une explication sur l’incohérence observée dans la littérature sur l’effet de l’AX sur le niveau de glucose postprandial. L’alimentation de rats diabétiques Zuker avec du pain supplémenté en AX (Ara/Xyl = 0,9) a entraîné une diminution significative de la glycémie postprandiale. En revanche, l’apport d’AX native (Ara/Xyl = 0,5) n’a eu aucun effet sur la réponse glycémique. De même, la supplémentation des régimes alimentaires avec 6 et 12 g d’AX (Ara/Xyl = 0,66 ou 0,8) a réduit la glycémie chez les sujets sains et diabétiques. Cependant, l’AX (Ara/Xyl = 0,8) n’a pas atténué la réponse glycémique postprandiale chez les adultes sains. Les porcs nourris avec du pain blanc complété par des AX ont présenté un flux net de glucose réduit par rapport aux porcs nourris avec du pain blanc. L’absence de composition chimique et de structures détaillées rend difficile la comparaison des résultats sur l’efficacité des AX. Ainsi, même si les concentrations d’AX utilisées peuvent être les mêmes, leur efficacité dépendrait de la nature des AX utilisés. Nous avons démontré que l’AX obtenue à 50% de saturation en sulfate d’ammonium présentait un pouvoir d’inhibition plus élevé par rapport à l’AX obtenue à 75%.

4. Conclusion

Les résultats de cette étude ont indiqué que l’effet antiglycémique des arabinoxylanes peut provenir de l’inhibition de l’activité α-glucosidase intestinale mais pas de l’activité amylase. La puissance de l’AX extractible par l’eau sur l’activité α-glucosidase a été influencée par la teneur en acide férulique, le rapport arabinose/xylose et le schéma de substitution du xylose. Les résultats suggèrent également que l’inhibition de l’activité α-glucosidase se produit par un mécanisme non compétitif. Ainsi, la consommation d’une alimentation riche en AX extractibles par l’eau peut atténuer la glycémie postprandiale.

Divulgation

Une partie des résultats a été présentée sous forme d’affiche orale lors du symposium Functional Foods and Natural Health Products Graduate Research (FFNHP)/Therapeutic Applications of Functional Foods and Bioactives (TAFFB) qui s’est tenu au Centre de recherche Albrechtsen de l’Hôpital Saint-Boniface du 20 au 22 avril 2016.

Conflits d’intérêts

Tous les fonds ou le soutien matériel reçus n’ont pas entraîné de conflits d’intérêts dans la publication de ce manuscrit.

Remerciements

Cette recherche a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) par le biais du Programme de subventions à la découverte. Les auteurs remercient également Cargill Limited pour la fourniture d’échantillons d’aleurone de blé et Ce Zhou, Alison Ser et Pat Kenyon du département des sciences alimentaires de l’Université du Manitoba pour leur soutien technique.