Nutritional and Bioactive Properties of Canadian Faba Bean (Vicia faba L.) Proteins

Faba bean (Vicia faba L.) is emerging as a sustainable source of plant proteins.As such, a comprehensive portrait of faba bean protein quality is required to clearly seize the opportunities it has to offer as an alternative proteineous ingredient.In this context, the nutritional and bioactive properties of three processed Canadian faba bean varieties (Fabelle, Malik and Snowbird) were compared to two control legumes (pea and soy) following an in vitro human gastrointestinal digestion model.Firstly, the nutritional value of faba bean proteins was assessed.The in vitro Digestible Indispensable Amino Acid Score (IV-DIAAS) of raw faba bean flours were determined and found in a similar range as pea (13-31) and soy .The IV-DIAAS significantly decreased (p < 0.05) in all boiled legumes, possibly as a result of increased protein aggregation.Since the primary obtained IV-DIAAS were underestimated compared to in vivo data, the digestion protocol was further improved to include a jejunal-ileal digestion phase.This addition led to a significant increase (p < 0.05) of amino acids digestibility (30% on average) and of IV-DIAAS (over 80% on average).Although the IV-DIAAS remained underestimated compared to in vivo data, a strong correlation was observed between in vitro and in vivo data (r = 0.879, p = 0.009), demonstrating the physiological relevance of the improved digestion protocol.Secondly, the health benefits of faba bean flour was investigated through the screening of bioactive peptides resulting from in vitro gastrointestinal digestion.The in vitro antioxidant assays revealed that faba beans, depending on the variety, had either similar or better activities compared to the pea digestate, and similar or lower activities compared to the soy digestate.By using cellular models, however, the faba bean varieties Fabelle and Snowbird showed higher antioxidant activities than both pea and soy.The antihypertensive properties of Fabelle and Malik varieties were significantly higher (p < 0.05) than pea but lower than soy.The antidiabetic activity was higher for soy (p < 0.05), but no significant differences were found at the cellular level (p > 0.05).Eleven faba bean peptides with in silico predicted bioactivities were identified, confirming that the measured bioactive properties can be attributed to peptides.Thirdly, the 11 peptides identified in the faba bean digestate were chemically synthesized to further investigate and ascertain their antioxidant and antihypertensive activities.Their mechanisms of actions were also investigated with a combination of in vitro, cellular and III computational analysis.Seven of the synthesized faba bean peptides showed potent antioxidant activities.These peptides were free radical scavengers through a dual mechanism of hydrogen atom transfer (HAT) and single electron transfer (SET).Four of the antioxidant peptides were also potent angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitors, making them multifunctional peptides.A kinetic study demonstrated that these peptides were noncompetitive ACE inhibitors.Their binding sites were located at the entrance of the active site cavity, as suggested by a molecular docking investigation.Lastly, the in vitro bioavailability of the faba bean peptides released after gastrointestinal digestion was investigated through the assessment of their transport capacity across the intestinal barrier using a co-culture of Caco2 and HT29-MTX cells.Three and five faba bean potent antihypertensive and antioxidants peptides, respectively, were transported intact across the cell monolayer, while maintaining their bioactivities, thereby demonstrating their potential bioavailability.This research demonstrated that Canadian faba beans have very good nutritional and bioactive properties indicating an excellent potential for use as a functional food ingredient in the development of high-quality protein products with health promoting attributes.IVRÉSUMÉ La gourgane (Vicia faba L.) est de plus en plus considérée et utilisée en tant que nouvelle source de protéine viable et durable.Cependant, pour être en mesure d'évaluer son plein potentiel en tant qu'ingrédient protéique alternatif dans l'industrie alimentaire, il est nécessaire d'avoir un portrait global de la qualité de ses protéines.Dans cette optique, les propriétés nutritionnelles et bioactives de trois nouvelles variétés canadiennes de gourganes (Fabelle, Malik et Snowbird) ont été comparées à deux sources de protéines végétales communément utilisées dans l'industrie alimentaire, soit les pois (Pisum sativum) et le soya (Glycine max) en utilisant un modèle in vitro de digestion gastrointestinal humaine.En premier lieu, ce sont les propriétés nutritionnelles de la gourgane qui ont été investiguées.Les DIAAS (pour Digestible Indispensable Amino Acid Score) des farines de gourganes variaient de 13 à 16 (lorsque calculés en considérant la digestibilité des acides aminés libres) jusqu'à 32 à 38 (lorsque calculé selon la digestibilité des acides aminés totaux).Les DIAAS des farines de gourganes étaient dans un intervalle comparable à ceux du pois (13-31) et du soya (11-40).La variété de gourganes Malik avait au global une qualité nutritionnelle légèrement supérieure à celle de la variété Snowbird.Suite à la cuisson, les DIAAS des farines de l'ensemble des légumineuses étudiées a significativement diminué (p <0.05), probablement en raison de l'augmentation de l'agrégation des protéines.Puisque les premières valeurs de DIAAS obtenues in vitro ont révélé être inférieures aux valeurs habituellement rapportées dans les modèles in vivo, le protocole de digestion a été modifié pour inclure une phase de digestion jéjunale et iléale.L'ajout de cette dernière phase de digestion a causé une importante augmentation de la digestibilité des acides aminés (de 30% en moyenne) et des valeurs de DIAAS (de 80% en moyenne).Bien que les valeurs de DIAAS demeuraient tout de même sous-estimées par rapport au modèle in vivo, une forte corrélation a été observée entre les valeurs in vitro et in vivo (r=0.879et p=0.009)ce qui démontrait la pertinence de ce modèle de digestion amélioré.En deuxième lieu, les effets bénéfiques pour la santé des farines de gourganes ont été comparés à ceux du pois et du soya par le criblage des peptides bioactifs libérés lors de la digestion in vitro.Les divers tests antioxydants in vitro soit le DPPH (2.2-diphényl 1-pycrilhydrazyle), l'ABTS (acide 2,2'-azino-bis-(3-éthylbenzothiazoline-6-sulfonique), l'ORAC (Capacité d'absorption des radicaux dérivés de l'oxygène) et la chélation du fer ont révélé que les farines de gourgane, dépendamment des variétés, avaient un pouvoir antioxydant similaire ou supérieur à V celui du pois et similaire ou inférieur à celui du soya.Par contre, deux variétés de gourganes (Fabelle et Snowbird) avaient un pouvoir antioxydant supérieur à celui du pois et du soya au niveau cellulaire.L'effet hypotenseur des variétés de gourganes Fabelle et Malik était significativement supérieur à celui du pois, mais inférieur à celui du soya (p < 0.05).L'effet antidiabétique in vitro du soya était supérieur à celui des farines de gourgane (p < 0.05), mais il n'y avait pas de différence significative au niveau cellulaire (p > 0.05).Onze peptides provenant de la digestion in vitro de la gourgane ont été identifiés et une analyse in silico a confirmé que ceux-ci avaient un excellent potentiel bioactif.En troisième lieu, les peptides identifiés dans les digestats de gourgane ont été synthétisés pour évaluer leurs activités antioxydantes et hypotensives.Leurs mécanismes d'actions ont aussi été étudiés avec une combinaison d'essais in vitro, in silico et cellulaires.Sept peptides avec une forte activité antioxydante ont été identifiés.Il a été démontré que ces peptides piégeaient les radicaux libres de deux manières différentes, soit par HAT (pour hydrogen atom transfer) et par SET (pour single electron transfer).Quatre de ces peptides avaient aussi un pouvoir inhibiteur contre l'enzyme de conversion de l'angiotensine (ECA), faisant d'eux des peptides multifonctionnels.Une étude cinétique et une étude d'amarrage moléculaire ont révélé que ces peptides étaient des inhibiteurs non compétitifs de l'ECA avec un site de liaison près de l'entrée de la cavité du site actif de l'enzyme.En dernier lieu, la biodisponibilité in vitro des peptides provenant de la digestion gastrointestinal des farines de gourgane a été étudiée.Pour ce faire, une co-culture de cellules Caco2 et HT29-MTX cultivées en monocouche sur un support perméable a été utilisé pour simuler la barrière intestinale.Trois et cinq peptides avec des propriétés hypotensives et antioxydantes, respectivement, ont été transportés, démontrant leur potentiel d'être biodisponible in vivo.Cette recherche a démontré que les protéines des nouvelles variétés de gourganes canadiennes ont d'excellentes valeurs nutritionnelles et bioactives, indiquant un excellent potentiel d'être utilisées en tant qu'ingrédients fonctionnels pour la formulation de produits alimentaires avec des propriétés bénéfiques pour la santé.

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