Molecular and structural characterization of pig skin gelatin : impact on its dissolution quality

par Anne Duconseille

Thèse de doctorat en Science des Aliments

Sous la direction de Thierry Astruc et de Véronique Santé-Lhoutellier.

Le président du jury était Philippe Michaud.

Le jury était composé de Thierry Astruc, Véronique Santé-Lhoutellier, Bjorn Vergauwen.

Les rapporteurs étaient Guillaume Delaplace, Céline Pochat-Bohatier.

  • Titre traduit

    Caractérisation moléculaire et structurale de la gélatine de peau de porc : impact sur sa qualité de dissolution


  • Résumé

    Malgré un large éventail d'applications de la gélatine et en dépit de son utilisation très ancienne, sa composition et sa structure ne sont pas encore entièrement connues et comprises. La gélatine est obtenue à partir de tissus animaux (peaux ou os) et est le résultat de l'hydrolyse partielle du collagène. La production de gélatine la plus abondante est celle de peau de porc qui représentait 46% de la production totale en 2007. Parmi les nombreuses applications, la gélatine de peau de porc est utilisée comme ingrédient principal des gélules dures pour l'industrie pharmaceutique. Une propriété importante de ces gélules est qu'elles fondent dans l'eau à une température au-dessus de 30° C et libèrent facilement les médicaments qu’elles contiennent dans le tube digestif. Les gélules dures doivent répondre à des spécifications de dissolution strictes tout au long de leur durée de conservation d'environ cinq ans. Ainsi, un test de dissolution dans l'eau est appliqué à la gélatine artificiellement vieillie dans des conditions de température et d'humidité élevées. Bien qu'avant le vieillissement le taux de dissolution de la gélatine corresponde toujours aux besoins de l'industrie pharmaceutique, une grande variabilité du taux de dissolution est observée après vieillissement. De plus, cette variabilité de dissolution dépend de l'origine de production de la gélatine. Dans ce contexte, un premier objectif était de comprendre les mécanismes sous-jacents impliqués dans la variabilité de la qualité de dissolution de la gélatine de peau de porc. Un deuxième objectif était d'identifier d'éventuels "marqueurs" de la dissolution de la gélatine afin de prédire son comportement au cours du vieillissement. Trois différents sites de production ont été choisis: deux en Europe et un aux USA. Au cours du vieillissement, la formation de cross-links a été mise en évidence et parmi ces cross-links, la dityrosine a été identifiée comme marqueur du vieillissement. En outre, les taux d'amines et d'aldéhydes ont diminué. Etant donné que ces deux fonctions sont connues pour réagir ensemble; ce résultat suggère qu'elles pourraient former d'autres cross-links au cours du vieillissement. Le processus d'oxydation dans la gélatine a été clairement démontré. De plus, la quantité de triple-hélices et leur stabilité au chauffage ont diminué alors que la quantité de conformation aléatoire et, probablement, de boucles-β augmente. Les résultats ont mis en évidence que l'origine de production affecte la composition chimique de la gélatine. Par exemple, la quantité de cross-links formés, comme la dityrosine, dans les gélatines fraîches et vieillies, différait selon l'origine de production. Nous avons également pu souligner que l'environnement physico-chimique de l'arginine permettait de distinguer l'origine de production de la gélatine. En ce qui concerne la dissolution de la gélatine, celles présentant des taux de dissolution non conformes avaient plus de phase amorphe après vieillissement que les gélatines conformes. L'implication des lipides dans la diminution de la dissolution de la gélatine a également été mise en évidence. La haute teneur en fer était également liée à la diminution de la dissolution mais seulement dans un site de production, ce qui suggère que la variabilité de dissolution a probablement des causes multifactorielles et dépendantes de l'origine de production.Avec le dichroïsme circulaire, nous avons pu discriminer les gélatines conformes des non-conformes avant même le vieillissement de ces gélatines. Cependant, l'interprétation des résultats reste très difficile en raison du manque d'information dans la littérature. Un tel résultat est important pour prédire le comportement de la gélatine avant le vieillissement. De manière générale, nos résultats ont mis en évidence qu’il serait pertinent de contrôler et de réduire le niveau d'oxydation et la teneur en lipides de la gélatine pour diminuer sa variabilité de dissolution. (...)


  • Résumé

    Despite a wide range of applications of gelatin and despite its very former use, gelatin composition and structure remains not fully known and understood. It is derived from animal tissue (skins or bones) and is the result of partial hydrolysis of collagen. The most abundant gelatin production, which is the focus of the present work, is pig skin gelatin which represented 46% of total production in 2007. Among numerous applications, gelatin is used as the main ingredient of the hard capsules for the pharmaceutical industry. An important property of hard capsules is that they melt in water at a temperature above 30°C and easily release drugs in the human digestive tract. Hard capsules have to meet strict dissolution specifications all along a shelf life of about five years. Thus, a dissolution test in water is applied to the gelatin constituting the hard capsules, after being artificially aged under high temperature and humidity conditions. While before aging the dissolution rate of gelatin always fit with requirement of pharmaceutical industry, a high variability in dissolution rate is observed after aging. Moreover, this dissolution variability was shown depending on the gelatin origin of production. In this context, a first objective of this work was to understand the underlying mechanisms involved in the variability of the dissolution quality of pig skin gelatin. A second objective was to identify possible “markers” of gelatin dissolution in order to predict the behaviour of gelatin through aging. Three different sites of production were chosen: two in Europe and one in USA. Cross-links formation was evidenced during aging, and among them, dityrosine was expressly identified as a marker of aging. In addition the levels of amines and aldehydes were decreased. Given that these two functions could react together; this result suggests that they could form other cross-links. Oxidation process in gelatin was clearly demonstrated. Furthermore, the quantity of triple-helices and their stability to heating decreased while the quantity of random coil and, probably, β-turns conformations increased. The results highlighted that origin of production impacts the chemical composition of gelatin. For instance, the extent of cross-link formation, such as dityrosine, in both fresh and aged gelatins, differed according to the origin of production. It was also pointed out that the physico-chemical environment of arginine allowed the distinction of production origin of gelatin. Regarding the gelatin dissolution, those showing non-compliant dissolution rates exhibited higher content of amorphous phase after aging than compliant ones. The implication of lipids in the decrease of gelatin dissolution rate was also evidenced. The decrease in dissolution was linked to the iron content only in one production site supporting the fact that dissolution variability has probably multifactorial causes, depending on the origin of production. The compliant and non-compliant dissolution rates were discriminate even before aging of gelatins by circular dichroism. However, the results interpretation remains quite difficult due to lack of literature information.Such a result is of importance in a view of predicting the behavior of gelatin before aging. To display a general overview, our results highlighted that, in order to reduce variability in the dissolution of gelatin, controlling and reducing the oxidation level and the lipid content will be relevant levers. To study the structural conformation thoroughgoing small angles neutrons would be an interesting tool. To complete the characterization of gelatin composition, quantifying and profiling lipids and sugars would be useful to better understand the gelatin oxidative instability.

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