Nanocellulose : utiliser des nanofibres végétales pour réduire l’ingestion de graisses et la prise de poids

De la cellulose (principal constituant des végétaux) pourrait être utilisée sous forme nanométrique pour réduire l’absorption intestinale des graisses d’après une étude de l’Université d’Harvard sur des modèles cellulaires et des rats. Les rats nourris avec de la crème épaisse avec de la cellulose ont absorbé 36% de moins de triglycérides que ceux nourris avec seulement de la crème fraîche. Ces résultats suggèrent une éventuelle utilisation future sous forme d’additif alimentaire ou en complément alimentaire pour aider à contrôler l’obésité et le poids. Bien sûr il reste encore de nombreuses études sur ces nanomatériaux pour évaluer sa sécurité et mieux comprendre les mécanismes biologiques.

La cellulose et sa forme nanométrique

La cellulose (C6H10O5)n est le principal constituant des végétaux, dans la paroi des cellules végétales. C’est un glucide constitué de chaînes linéaires de molécules de D-glucose liées entre elles pour former des polymères linéaires, qui peuvent développer des liaisons transversales inter- ou supramolécules de type liaison hydrogène. La cellulose est retrouvée dans le papier ou les vêtements en coton. La cellulose est peu couteuse, renouvelable, biodégradable, thermiquement stable, légère (Kafy 2017).

La nanocellulose est une structure nanométrique, 10 000 fois plus petite qu’un cheveu. Elle existe sous trois formes :

  • les nanofibres de celluloses obtenues par traitement mécanique (DeLoid 2018)

  • la nanocellulose cristalline. Par exemple le CNF peut être isolé par homogénéisation, broyage, microfluidisation, hydrolyse acide et oxydation (Kafy A 2017).

  • la nanocellulose bactérienne, synthétisée par des bactéries (Jedrzejczak-Krzepkowska 2016).

La nanocellulose dérivée de sources naturelles est utilisée dans des emballages pour étendre la date limite de consommation ou dans le produit lui-même afin de stabiliser les émulsions ou comme source de fibres ou retenir l’humidité. La nanocellulose cristalline peut également améliorer la résistance et la rigidité des matériaux.

La digestion des triglycérides

triglycéride degradation hydrolyse digestionLes   principaux   lipides (graisses)   de   l’alimentation   humaine   ou   animale   sont   constitués essentiellement de  triacylglycérols  (triglycérides),  de  phospholipides  et  de  stérols.

Les triglycérides sont une forme de stockage de l’énergie mais ils peuvent également être apportés par l’alimentation. Or les triglycérides alimentaires ne sont pas absorbables directement. Seuls les acides gras libres, les monoglycérides et le cholestérol sont absorbables par l’intestin. La digestion des lipides passe par ces étapes :

  1. Emulsification des triglycérides. Une émulsion est un mélange non homogène avec deux substances liquides non miscibles (eau et huile par exemple). L’émulsification consiste à disperser les lipides dans la phase aqueuse sous forme de petites gouttelettes lipidiques. Les sels biliaires sont responsables de cette étape. L’émulsification va rendre les lipides accessibles à la lipase pancréatique.

  2. Hydrolyse des lipides dans la lumière de l’intestin. Ils sont digérés par la triglycéride lipase (une enzyme pancréatique) qui les hydrolyse en 2-monoacyglycérol et 2 acides gras. Ce processus est régulée par les hormones (adrénaline, noradrénaline, glucagon).

  3. Formation des micelles. Les sels biliaires dispersent les produits de l’hydrolyse des lipides qui vont former les micelles.

  4. Absorption des micelles dans les cellules intestinales (entérocytes). Les entérocytes synthétisent des triglycérides à partir des acides gras libre et des monoglycérides. Ces triglycérides nouvellement synthétisés sont emballés sous forme de chylomicron.  Le chylomicron constitue une lipoprotéine qui est responsable du transport des lipides au sein de l’organisme humain et sera exporté par le système lymphatique vers les cellules adipeuses qui stockent la graisse.

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Les nanofibres de cellulose et la réduction de l’absorption intestinale des triglycérides chez les rats

Les chercheurs de l’Université d’Harvard ont testé l’effet de l’insertion de nanocellulose provenant de fibres de bois dans une crème épaisse (33% de gras) et de la mayonnaise (77% de gras). Ces nanofibres avaient un diamètre moyen de 50 nm et 80 nm et 25 nm pour les nanocristaux de cellulose.

Nanofibres cellulose lipides lipase metabolisme digestionDans une première expérience in vitro de digestion artificielle des triglycérides, ils ont testé l’effet des nanomatériaux sur l’hydrolyse des triglycéride par la lipase (étape nécessaire à l’absorption des acides gras):

  • les 3 tailles de nanofibres de cellulose : effet significatif de réduction du % d’acides gras hydrolysés. La fibre CNF-50 de 50 nm a eu l’effet le plus important avec une réduction de 48,4% de l’hydrolyse des acides gras par rapport au contrôle (p<0.0001). Le contrôle était de ne pas ajouter de cellulose.

  • les microfibres de cellulose : augmentation de 38.4% de l’hydrolyse des acides gras

  • l’Orlistat un inhibiteur de la lipase (contrôle positif) : inhibition de l’hydrolyse des triglycérides comme attendu

Cette expérimentation in vitro semble montrer que l’addition de nanocellulose à un produit alimentaire gras pourrait réduire l’absorption du gras à travers une diminution de l’hydrolyse des triglycérides.

Étude animale

triglycéride rat nanocellulose nanomatériauxDes rats males Wistar Han ont reçu de la crème (10 mL/kg) avec ou sans nanocellulose directement dans leur estomac via une aiguille. 24h avant l’expérience, les rats avaient jeuné. Les niveaux en triglycérides ont été mesurés avant et 1,2 et 4h après le gavage.

Au bout de 2h, les rats qui ont reçu de la crème avec de la nanocellulose (CNF+) ont eu l’augmentation du taux de triglycéride sérique était 36% moins importante que ceux qui ont simplement reçu de la crème.

Au bout de 4h, les taux de triglycéride étaient similaires dans les 2 groupes.

Les hypothèses sur les mécanismes biologiques impliqués

Les chercheurs ont analysé par microscopie électronique les digestats et ils ont constaté que les gouttelettes lipidiques semblent s’agglomérer autour des fibres nanométriques et former des ponts en présence de nanocellulose. Les nanocelluloses pourrait promouvoir la coalescence et/ou la floculation des gouttelettes lipidiques, c’est-à-dire une agrégation des gouttelettes (l’inverse de l’émulsification, l’étape nécessaire à l’absorption des triglycérides dans les cellules intestinales). Cela pourrait réduire la surface d’attache à laquelle l’enzyme de digestion des triglycérides (lipase) pourrait se lier (les triglycérides ont besoin d’être sous forme de mini gouttelette en émulsion pour être absorbés).

En outre, les auteurs ont émis l’hypothèse d’un autre mécanisme clé : l’action de la lipase serait réduite à cause de la séquestration des sels biliaires (requis pour la fixation de la lipase pour la digestion) par les nanofibres. Cette séquestration pourrait ralentir la digestion TG en réduisant la solubilisation des graisses qui dépend des sels biliaires et en éliminant les acides gras libres et les monoacylglycérols des surfaces des gouttelettes lipidiques.

Des risques pour la santé ?

La nanocellulose semble sans danger pour l’environnement mais des études récentes ont souligné une toxicité non nulle des nanofibres de cellulose et de la nanocellulose cristalline.

L’étude de Harper (2016) portait sur une exposition de 5 jours de 0,2 à 200 mg/L de nanocellulose cristalline et de 2 à 250 mL/L de nanofibres de cellulose sur des embryons de poisson-zèbre. Les auteurs ont conclu que la toxicité sur le développement et la mortalité des embryons sont très faibles pour ces deux matériaux. Ils estiment également que cette toxicité est modifiable par la nanocellulose cristalline à cause de ses propriétés agglomérantes, ce qui reste à investiguer.

Cette nanocellulose pourrait être incorporée comme futur additif alimentaire afin de contrôle l’absorption des graisses et limiter la prise de poids. Il reste à évaluer son inocuité. Des études additionnelles animales et humaines sont nécessaires pour valider ces résultats et mieux comprendre les mécanismes sous-jacents.

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Sources :

DeLoid GM et al. Reducing Intestinal Digestion and Absorption of Fat Using a Nature-Derived Biopolymer: Interference of Triglyceride Hydrolysis by Nanocellulose. ACS Nano. 2018 Jun 12.

L’étude de Nordli (2016) portait sur la toxicit de nanofibres de cellulose sur des cellules de peau humaine. Après 6 à 24h d’incubation, les fibroblastes et les kératinocytes ont eu une diminution de l’activité métabolique mais aucune mortalité cellulaire n’est apparue.

Nordli et al. Producing Ultrapure Wood Cellulose Nanofibrils and Evaluating the Cytotoxicity Using Human Skin Cells. Carbohydrate Polymers 150 · April 2016

Harper BJ et al (2016). Impacts of chemical modification on the toxicity    of    diverse    nanocellulose    materials    to    developing zebrafish. Cellulose, vol. 23:p1763

Ressources Naturelles Canda – Nanocellulose crystalline. 2016-02-02

Kafy A et al. Cellulose long fibers fabricated from cellulose nanofibers and its strong and tough characteristics. Scientific Reportsvolume 7, Article number: 17683 (2017) https://www.nature.com/articles/s41598-017-17713-3#Sec7

Marzena Jedrzejczak-Krzepkowska et al. Chapter 2 – Bacterial NanoCellulose Synthesis, Recent Findings. Bacterial Nanocellulose From Biotechnology to Bio-Economy 2016, Pages 19-46

 

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