Résumé
Les réglementations sur l'étiquetage des aliments mises en œuvre par la Food and Drug Administration américaine mettent l'accent sur la composition en nutriments et le contenu énergétique des aliments. L'énergie alimentaire et la digestibilité des aliments complexes peuvent être affectées par le contenu et le type de fibres alimentaires. La teneur en énergie métabolisable (EM) et la digestibilité apparente des fibres alimentaires dans l'alimentation humaine sont difficiles à évaluer. Les fibres peuvent affecter la digestibilité des graisses et des protéines et, par conséquent, la teneur en EM de l'alimentation. Cette étude a été menée pour mesurer la teneur en EM de neuf régimes alimentaires avec différentes concentrations en graisses et en fibres. Les régimes variaient en termes de taux de graisses (18, 34 ou 47% de l'énergie) et de taux de fibres alimentaires totales (3, 4 ou 7% de la matière sèche du régime) et ont été consommés pendant 2 semaines. Les sujets (n = 17) ont consommé trois régimes (14 jours pour chaque régime) contenant différents niveaux de fibres et un niveau de graisse. La consommation alimentaire a été mesurée et l'urine et les fèces ont été collectées pendant une période de 5 jours. L'énergie combustible, les protéines, les graisses, les fibres alimentaires totales (TDF) et les fibres de détergent neutre (NDF) ont été mesurées dans des échantillons composites de nourriture et de fèces, et l'urine a été analysée pour l'énergie combustible et l'azote. L'énergie métabolisable et les coefficients de digestibilité apparente ont été calculés. Globalement, l'augmentation de l'apport en fibres a diminué la digestibilité des graisses et des protéines. En conséquence de ces interactions, la teneur en EM des régimes alimentaires a diminué lorsque l'apport en fibres a augmenté, et la TDF et la NDF ont eu des effets similaires sur la valeur de l'EM. Une formule empirique publiée a permis de prédire avec précision la teneur en EM des régimes alimentaires utilisant des TDF ou des NDF.
énergie métabolisable, fibres alimentaires, graisse, interactions entre les nutriments, humains
Sujet : fibres alimentairesdietfoodtenofovirnutrients
Section thématique : Nutrition humaine et clinique
La fraction glucidique des fibres alimentaires est un mélange hétérogène et complexe de différentes combinaisons et liaisons de monosaccharides qui peut être considéré comme une entité biologique plutôt que comme un composant chimiquement défini du régime alimentaire (Van Soest 1994). Étant donné la nature amorphe de la fibre et les méthodologies disponibles pour sa quantification, sa définition est fonction des méthodes analytiques particulières utilisées. La reconnaissance du fait que la quantification des fibres brutes ne permet pas de mesurer correctement de nombreux composants importants de la paroi cellulaire des plantes a conduit au développement de nombreuses nouvelles méthodes d'analyse des fibres. Certaines méthodes, telles que les fibres de détergent neutre (NDF)3, mesurent une partie (la fibre insoluble) des fibres alimentaires totales, mais il existe des relations bien définies entre l'apport en NDF et des actions physiologiques telles que la digestibilité, la disponibilité des minéraux et d'autres interactions nutritives. Les fibres alimentaires totales (TDF) (Prosky et al. 1985) sont une méthode analytique récente reconnue comme méthode officielle par l'Association of Official Analytical Chemists (AOAC), et cette méthodologie a pris un rôle important dans l'étiquetage des aliments et la nutrition humaine. De nombreux rapports ont été consacrés aux aspects analytiques de cette méthode, mais il existe peu de données reliant la teneur en TDF des aliments à une action physiologique. L'interaction des fibres avec les protéines et les graisses affecte la digestibilité de ces nutriments et, par conséquent, la teneur en énergie métabolisable (EM) de l'alimentation. Les effets des NDF, ainsi que de certains autres types de fibres (par exemple, les polysaccharides non amylacés) ont été établis. Cependant, la digestibilité in vivo des TDF dans les régimes mixtes n'a pas été rapportée.
Les données sur les interactions entre les nutriments énergétiques sont essentielles pour estimer la valeur de l'EM des aliments et des régimes à des fins expérimentales, cliniques et réglementaires. La loi américaine sur l'étiquetage nutritionnel et l'éducation (NLEA) de 1990 exige que l'étiquette des aliments destinés à la consommation humaine porte des informations nutritionnelles, notamment l'énergie (nombre de calories) contenue dans chaque portion ou autre unité de mesure de l'aliment. La méthode la plus appropriée pour déterminer l'énergie contenue dans une portion d'un aliment n'est pas claire. La valeur calorique peut ne pas être simplement une ME additive des graisses, des protéines et des glucides fournie par les équations factorielles, mais peut être une fonction de l'interaction de ces nutriments avec les fibres alimentaires. Les équations factorielles peuvent donc être inadéquates. Cependant, les équations factorielles sont les seules équations dont l'utilisation est approuvée pour l'étiquetage des aliments (Federal Register 1993).
Dans les études publiées, la teneur en EM des régimes alimentaires varie considérablement (Livesey 1990), et cette variation peut être liée aux différentes sources de fibres et aux méthodologies utilisées pour déterminer l'apport en fibres dans ces études. Il existe peu de données concernant la teneur en EM mesurée et prédite de régimes alimentaires variant à la fois en concentration de fibres et de graisses et sur l'effet spécifique du TDF sur la disponibilité énergétique. Les interactions entre les nutriments et l'inexactitude associée à la prédiction de la teneur en EM des régimes alimentaires peuvent contribuer à des inexactitudes dans l'étiquetage des aliments, ce qui peut avoir des conséquences délétères pour les consommateurs.
Historiquement, l'approche factorielle a été utilisée pour calculer la teneur énergétique des régimes (Atwater et Bryant 1900), et la teneur en EM des fibres alimentaires s'est vue attribuer des valeurs énergétiques comprises entre -20,92 et 12,97 kJ/g (revue dans Livesey 1990). Le manque de données sur la digestibilité in vivo des fibres chez l'homme constitue un obstacle à la détermination de la valeur de l'EM des fibres, en particulier pour leur utilisation dans les équations de prédiction factorielle. De plus, la plupart des données sur la digestibilité des fibres sont basées sur la NDF, la méthode Southgate (polysaccharides non amylacés) ou la méthode TDF d'Uppsala, et non la méthode TDF de Prosky. Les données publiées précédemment sur la digestibilité in vivo de la TDF chez l'homme se limitent à quatre régimes alimentaires contenant des sources de fibres chimiquement définies (polysaccharides de soja, fibres d'avoine, carboxyméthylcellulose et gomme arabique) utilisées dans les suppléments nutritifs (Sunvold et al. 1995). Il n'existe pas de données sur la digestibilité du TDF à partir de sources de fibres mélangées dans les régimes alimentaires américains typiques.
En plus des équations factorielles, plusieurs formules empiriques ont été publiées (Levy et al. 1958, Miller et Judd 1984, Miller et Payne 1959, Southgate 1975) et revues (Livesey 1990). Ces formules empiriques présentent un biais allant de -12% à +6%, qui augmente avec l'augmentation de l'apport en fibres alimentaires. Sur la base de ces résultats, Livesey (1991) a développé une nouvelle formule empirique dérivée des données publiées de 43 régimes alimentaires humains contenant 1,9-93,1 g/d de fibres alimentaires provenant de diverses sources et basée sur les valeurs de fibres provenant de plusieurs méthodologies différentes (Southgate, Asp, NDF et Uppsala). Cette formule a été développée et testée en utilisant les mêmes ensembles de données ; elle n'a pas été vérifiée avec un ensemble de données indépendant ou un ensemble de données dans lequel l'apport en TDF a été mesuré exclusivement.
La méthode TDF de Prosky est devenue importante en nutrition humaine et dans l'industrie alimentaire. La présente étude a été menée avec les objectifs suivants : 1) mesurer et comparer la digestibilité de la TDF, de la NDF et des fibres "solubles" (TDF moins NDF) de régimes mixtes occidentaux typiques contenant différentes quantités de graisses et de fibres ; 2) comparer l'effet de la TDF, de la NDF et des fibres "solubles" sur la disponibilité énergétique ; et 3) mesurer simultanément la teneur en EM de régimes complets dont la teneur en graisses et en fibres variait et comparer les valeurs d'EM déterminées et prédites à l'aide de l'équation de Livesey (1991).
SUJETS ET MÉTHODES
Le protocole de cette étude a été revu et approuvé par le comité des études humaines du ministère américain de l'agriculture et par le conseil d'examen institutionnel de l'université de Georgetown (Washington, DC). Les participants ont donné leur consentement éclairé par écrit pour participer à l'étude après que toutes les procédures leur aient été expliquées, et ils ont été rémunérés pour leur participation.
Les caractéristiques physiques des 15 sujets en bonne santé et vivant en liberté sont présentées dans le tableau 1. Avant d'être accepté dans l'étude, un examen médical, comprenant des profils sanguins et urinaires, a été effectué sur chaque sujet. Les variables physiologiques se situaient dans la plage normale pour tous les sujets. Cinq ou six sujets ont été assignés au hasard à un ensemble de trois régimes alimentaires formulés pour contenir l'un des trois niveaux de graisses alimentaires (faible : 15 % de l'énergie provenant des graisses ; moyenne : 30 % de l'énergie provenant des graisses ; ou élevée : 45 % de l'énergie provenant des graisses). Chaque ensemble de trois régimes, à l'intérieur de chaque niveau de graisse, contenait différents niveaux de fibres alimentaires (faible, moyen ou élevé en fibres), de sorte que chaque sujet consommait trois régimes avec différents niveaux de fibres alimentaires et un niveau de graisse alimentaire. Les termes "élevé", "moyen" et "faible" font uniquement référence aux quantités relatives de graisses et de fibres dans les neuf régimes. Deux sujets (#9 et #11) ont accepté de répéter le protocole d'étude. Après avoir terminé un protocole de collecte, ces deux sujets ont été affectés à un niveau différent de graisse, et les observations de ces deux sujets à chaque niveau de graisse ont été considérées indépendamment. Ainsi, il y a eu un total de 53 observations (cinq ou six sujets par niveau de graisse, trois niveaux de graisse et trois niveaux de fibres par niveau de graisse).Les sujets ont pris trois repas par jour et tous les repas ont été préparés dans les locaux du Human Nutrition Research Center de Beltsville (MD). Les régimes étaient composés d'aliments typiquement présents dans un régime occidental. Les menus de six des neuf régimes sont présentés dans le tableau 2. La composition nutritionnelle des régimes a été calculée à partir des valeurs du manuel n° 8 de l'USDA (USDA 1976-1989 ; Watt et Merrill 1963). La quantité spécifique de nourriture consommée était basée sur le besoin énergétique d'entretien estimé par l'une des deux méthodes suivantes. Pour certains sujets, le besoin énergétique d'entretien était basé sur des mesures antérieures de la dépense énergétique sur 24 heures dans un calorimètre de chambre plus 15 % (Seale et al. 1991). Pour d'autres sujets, le besoin énergétique d'entretien a été calculé en fonction de l'âge, du poids, de la taille et du sexe (Harris et Benedict 1919). Sur la base du besoin énergétique d'entretien mesuré (ou estimé), on a calculé la quantité de nourriture à ingérer quotidiennement. Les sujets ont été nourris avec les mêmes aliments, et les mêmes proportions (basées sur les besoins énergétiques d'entretien individuels) de chaque aliment, chaque jour pendant 14 jours pour chaque combinaison de graisses et de fibres alimentaires. Par conséquent, le ratio de tous les nutriments était constant pour tous les sujets pour un régime donné. Les sujets ont été pesés tous les jours pour vérifier le maintien de leur poids tout au long de l'étude, ce qui a été réalisé pour tous les sujets pendant les périodes de 14 jours. L'apport énergétique moyen était similaire pour chaque niveau de graisse. Après une période d'adaptation de 9 jours au régime, les sujets ont reçu du bleu brillant (Warner and Kenkinson, St. Louis, MO, ∼20 mg) dans une capsule de gélatine à consommer avec leur repas du soir, et ils ont reçu pour instruction de collecter toutes les selles et les urines évacuées au cours des 5 jours suivants. À la fin de la période de collecte de 5 jours, une autre dose de bleu brillant a été administrée. Une période d'élimination de 2 semaines était prévue avant que les sujets ne commencent à s'adapter au niveau suivant de fibres alimentaires. L'apport et la composition de l'alimentation n'ont pas été surveillés pendant la période d'élimination.
Pendant la période de collecte, l'urine totale a été recueillie, pesée chaque jour, échantillonnée (10 % de la production quotidienne), et les sous-échantillons quotidiens ont été regroupés. La production fécale totale a été collectée, et les fèces ont été congelées, regroupées, pesées et homogénéisées avec de l'eau et de la glace dans un mixeur avant d'être lyophilisées. Les régimes alimentaires ont été préparés pour l'analyse chimique en homogénéisant la nourriture dans un mixeur avec de la glace et de l'eau avant d'être lyophilisés. Les aliments, les fèces et l'urine ont été analysés pour l'énergie combustible par calorimétrie adiabatique (Parr Instrument, Moline, IL) et pour l'azote par combustion (Leco, St. Joseph, MI). Les régimes et les fèces ont également été analysés pour la graisse (extraction au chlorure de méthylène, CEM, Matthew, NC), les cendres (fourneau à moufle), le TDF (Prosky 1985) et le NDF (Robertson et Van Soest 1981). Avant d'être analysés pour les NDF, les régimes et les fèces ont été incubés avec de l'α-amylase thermostable pendant 1 h (85°C) et ensuite avec de la protéase pendant 1 h (85°C). Les glucides totaux (sur la base de la matière sèche) ont été calculés comme suit
Glucides totaux (%)=100-(% de matières grasses+% de protéines+% de cendres).
Les fibres solubles dans l'alimentation et les fèces ont été calculées comme suit
Fibres solubles (g)=fibres alimentaires totales (g)-fibres de détergent neutre (g).
La valeur de l'EM de chaque régime a été calculée comme la différence entre l'énergie ingérée (énergie combustible totale du régime) et la somme de l'énergie combustible excrétée dans les fèces et l'urine. La ME prédite a été calculée en utilisant la formule de Livesey (1991) :
ME(kJ)=0,96E (kJ)-9U (g)-30 N (g)
où E est l'apport en énergie combustible, U est l'apport en glucides complexes non disponibles, et N est l'apport en azote. La digestibilité totale des fibres alimentaires, des NDF, des fibres solubles, des protéines et des graisses a été calculée comme la différence entre l'apport en nutriments et la perte fécale, exprimée en pourcentage de l'apport en nutriments. Par conséquent, dans ce document, toutes les références à la digestibilité font référence à la digestibilité apparente.
Les données ont été analysées comme une étude de type croisé en utilisant l'analyse de covariance (ANCOVA ; SAS version 6.08, SAS Institute, Cary, NC). Le modèle statistique comprenait des termes pour la matière grasse, le sujet dans le niveau de matière grasse, les fibres et l'interaction matière grasse × fibres. Le terme " sujet au sein du niveau de graisse " a été utilisé pour déterminer les moyennes des moindres carrés pour l'effet de la graisse. L'erreur résiduelle a été utilisée pour déterminer les moyennes des moindres carrés pour les fibres et l'interaction graisse × fibres. Avant l'ANCOVA, les variables ont été testées pour l'homogénéité de la variance (en traçant les résidus et les valeurs prédites et par le degré du coefficient de corrélation de Spearman entre les résidus et les valeurs prédites) et pour la normalité. Les estimations de la pente et de l'ordonnée à l'origine ont été déterminées à partir de l'énoncé du modèle ANCOVA. Des modèles linéaires généralisés ont été utilisés pour calculer les paramètres de régression entre la consommation de ME et de TDF.
RÉSULTATS
La matière sèche, les matières grasses, les protéines, les glucides, l'énergie combustible et le pourcentage d'énergie apportée par les protéines, les matières grasses et les glucides des régimes alimentaires sont présentés dans le tableau 3. La teneur en graisse des régimes était d'environ 7, 18 et 27 g/100 g de matière sèche pour les régimes à faible, moyenne et forte teneur en graisse, respectivement. Les teneurs en protéines et en cendres des régimes étaient similaires, et la teneur totale en glucides était inversement proportionnelle à la quantité de graisses. Le pourcentage d'énergie provenant des graisses, des protéines et des glucides a été calculé en utilisant les constantes d'Atwater de 37,66, 16,74 et 16,74 kJ/g, respectivement. Les régimes contenaient ∼47, 33 et 16% d'énergie provenant des graisses et ∼37, 50 et 65% d'énergie provenant des glucides pour les régimes riches, moyens et faibles en graisses, respectivement. La quantité d'énergie provenant des protéines variait de 15 à 20 % pour les neuf régimes.
Pendant la période de collecte, l'urine totale a été recueillie, pesée chaque jour, échantillonnée (10 % de la production quotidienne), et les sous-échantillons quotidiens ont été regroupés. La production fécale totale a été collectée, et les fèces ont été congelées, regroupées, pesées et homogénéisées avec de l'eau et de la glace dans un mixeur avant d'être lyophilisées. Les régimes alimentaires ont été préparés pour l'analyse chimique en homogénéisant la nourriture dans un mixeur avec de la glace et de l'eau avant d'être lyophilisés. Les aliments, les fèces et l'urine ont été analysés pour l'énergie combustible par calorimétrie adiabatique (Parr Instrument, Moline, IL) et pour l'azote par combustion (Leco, St. Joseph, MI). Les régimes et les fèces ont également été analysés pour la graisse (extraction au chlorure de méthylène, CEM, Matthew, NC), les cendres (fourneau à moufle), le TDF (Prosky 1985) et le NDF (Robertson et Van Soest 1981). Avant d'être analysés pour les NDF, les régimes et les fèces ont été incubés avec de l'α-amylase thermostable pendant 1 h (85°C) et ensuite avec de la protéase pendant 1 h (85°C). Les glucides totaux (sur la base de la matière sèche) ont été calculés comme suit
Glucides totaux (%)=100-(% de matières grasses+% de protéines+% de cendres).
Les fibres solubles dans l'alimentation et les fèces ont été calculées comme suit
Fibres solubles (g)=fibres alimentaires totales (g)-fibres de détergent neutre (g).
La valeur de l'EM de chaque régime a été calculée comme la différence entre l'énergie ingérée (énergie combustible totale du régime) et la somme de l'énergie combustible excrétée dans les fèces et l'urine. La ME prédite a été calculée en utilisant la formule de Livesey (1991) :
ME(kJ)=0,96E (kJ)-9U (g)-30 N (g)
où E est l'apport en énergie combustible, U est l'apport en glucides complexes non disponibles, et N est l'apport en azote. La digestibilité totale des fibres alimentaires, des NDF, des fibres solubles, des protéines et des graisses a été calculée comme la différence entre l'apport en nutriments et la perte fécale, exprimée en pourcentage de l'apport en nutriments. Par conséquent, dans ce document, toutes les références à la digestibilité font référence à la digestibilité apparente.
Les données ont été analysées comme une étude de type croisé en utilisant l'analyse de covariance (ANCOVA ; SAS version 6.08, SAS Institute, Cary, NC). Le modèle statistique comprenait des termes pour la matière grasse, le sujet dans le niveau de matière grasse, les fibres et l'interaction matière grasse × fibres. Le terme " sujet au sein du niveau de graisse " a été utilisé pour déterminer les moyennes des moindres carrés pour l'effet de la graisse. L'erreur résiduelle a été utilisée pour déterminer les moyennes des moindres carrés pour les fibres et l'interaction graisse × fibres. Avant l'ANCOVA, les variables ont été testées pour l'homogénéité de la variance (en traçant les résidus et les valeurs prédites et par le degré du coefficient de corrélation de Spearman entre les résidus et les valeurs prédites) et pour la normalité. Les estimations de la pente et de l'ordonnée à l'origine ont été déterminées à partir de l'énoncé du modèle ANCOVA. Des modèles linéaires généralisés ont été utilisés pour calculer les paramètres de régression entre la consommation de ME et de TDF.