Evaluation et gestion de la migration des contaminants en provenance des matériaux cellulosiques – FoodSafeBioPack

Le consortium associe quatre partenaires complémentaires. Deux laboratoires académiques spécialisés dans l’étude des transferts de matière et les matériaux en contact avec les aliments (INRAE Massy, coordination), ainsi que dans la caractérisation et la modélisation de microstructures (Université de Grenoble Alpes). Le laboratoire national de référence français sur les matériaux en contact des aliments (LNE, Trappes) et le centre technique du papier (Grenoble) vont associer leur expérience et leur expertise pour apporter des solutions pratiques aux filières agroalimentaires, du papier et de la grande distribution.

Le projet a permis d’importants progrès dans la compréhension et le contrôle de la migration des contaminants dans les matériaux cellulosiques utilisés pour l’emballage alimentaire.
1. État des contaminations
Un inventaire de 132 emballages alimentaires sur le marché français a permis de détecter 49 substances ciblées dans les matériaux et les aliments. Les matériaux recyclés présentent des niveaux plus élevés de contamination (phtalates, antioxydants) que les matériaux vierges, en particulier dans les zones imprimées ou collées. Des substances comme la benzophénone ont été identifiées comme
migrantes vers l’aliment.
2. Caractérisation de matériaux de référence
Des bicouches ont été produites par lamination humide a base de papiers/cartons et de films de cellulose microfibrillée (MFC). Deux qualités de MFC ont été testées, avec et sans traitement plasma pour améliorer l’adhésion. Les propriétés barrière aux graisses, à l’oxygène et à la vapeur d’eau ont été évaluées, ainsi que les propriétés de surface et d’adhésion.
3. Analyse multi-échelle de la microstructure
Une approche 3D innovante (nano/micro-tomographie synchrotron et FIB-SEM) a permis une visualisation sans précédent des structures internes des films MFC. Les résultats révèlent que les films les plus fins et homogènes, à base de MFC fines, offrent une meilleure barrière grâce à une porosité plus faible et une absence de pores connectés à travers l’épaisseur.
4. Étude de la migration
Des tests ont confirmé que les contaminants volatils migrent rapidement vers des aliments secs comme la semoule, sauf en présence d’une couche barrière en MFC, qui prolonge la protection sur plusieurs mois. Raman et microscopie confocale ont permis de cartographier la contamination à l’échelle des fibres, avec une distribution aléatoire plus marquée dans les matériaux recyclés.
5. Sorption et diffusion
Les propriétés de sorption d’eau et de composés organiques volatils ont été étudiées. La diffusion est bien plus lente dans les films de MFC (jusqu’a 100 fois) que dans les papiers poreux. Le transfert est dominé par la diffusion gazeuse entre les fibres. La désorption d’un phtalate a montré des résistances internes et externes, révélant une complexité du mécanisme de transfert.
6. Modélisation avec FMECAengine
Un outil open source, FMECAengine, a été développé pour simuler les transferts de matière vers les aliments. Il intègre les données expérimentales du projet (diffusion, porosité, sorption, etc.) et propose une évaluation prédictive des risques de contamination. Le modèle devra être encore adapté aux spécificités des matériaux cellulosiques.

Plusieurs perspectives clés se dégagent du projet FoodSafeBioPack. Tout d’abord, le perfectionnement de la modélisation des transferts de masse via l’outil FMECAengine ouvre la voie à une prédiction plus précise de la migration des contaminants dans une grande variété de configurations d’emballages. Cela inclut l’intégration de paramètres avancés tels que la tortuosité, la porosité et la dépendance à l’humidité des matériaux cellulosiques. Ensuite, le projet a démontré l’intérêt de l’imagerie chimique par spectroscopie Raman, qui pourrait être étendue à d’autres techniques spectroscopiques (µFTIR, imagerie hyperspectrale) pour cartographier un éventail plus large de contaminants avec une haute résolution spatiale. Il est également essentiel d’étendre la mesure des propriétés de sorption et de diffusion à ces nouvelles familles de substances, pour affiner les modèles prédictifs et identifier les interactions critiques propres à chaque type de contaminant. Le développement de méthodes multi-résidus à haut débit, combinées à la modélisation et à l’imagerie, permettrait d’aboutir à une approche intégrée, scientifique et robuste pour la conception d’emballages alimentaires plus sûrs, durables et conformes aux exigences réglementaires.

Les publications sont à venir.

Nos sociétés se trouvent à un carrefour entre plusieurs alternatives. La fin des emballages uniques en plastique est programmée en France (~2030) et en Europe (~2040). Les matériaux cellulosiques de type papiers et cartons sont aujourd’hui la seule alternative viable biosourcée, biodégradable et déjà recyclée à 70%, qui peut atteindre un marché de masse. La contamination des fibres cellulosiques recyclées par une fraction de de substances cancérigènes issues des encres et des solvants d’impression est devenue toutefois une préoccupation majeure pour la santé des consommateurs. Les autorités allemandes (2017, 2019) et françaises (2019) ont activé le principe de précaution pour tenter de réduire notre exposition à ces substances. La situation peut être qualifiée de critique car le transfert aux aliments peut se produire sans contact, au travers des couches plastiques et concernent aussi bien l’emballage primaire et secondaire (caisse américaine) que l’emballage de transport sont des sources de contaminants. Le niveau de contamination des produits alimentaires sur le marché peut difficilement être évalué par les techniques d'analyse actuelles, en raison de leur manque de sensibilité et de la présence des constituants des aliments gênant leur détection.

Le projet FOODSAFEBIOPACK offre TROIS contributions majeures. (1) Les conditions de transfert seront qualifiées de manière exhaustive par produit et par modalité pour des aliments emballés prélevés sur le marché et en utilisant un nouveau type de cellules de migration permettant de contrôler l’humidité, la congélation et le réchauffage au four. (2) Les relations entre la structure des assemblages fibreux, la structure et composition des aliments et les mécanismes de transferts de mélanges complexes de substances issues des encres d’impression seront étudiées à l’échelle nanométrique (20 nm) à l’échelle macroscopique à l’aide de nouvelles techniques nano/micro-tomographiques, d’imageries multispectrales et de simulations numériques multiéchelles. (3) Une approche préventive et universelle du risque de contamination sera proposée sur la base d’un dépôt à l’eau d’une couche de microfibres de cellulose (MFC). Cette solution technique préserve non-seulement la recyclabilité et la biodégradabilité initiale des matériaux, mais également améliore grandement les propriétés barrières des matériaux fibreux aux liquides et gaz pour concurrencer directement les matériaux plastiques. Les règles de dimensionnement de la couche MFC et d’évaluation des risques seront intégrées dans des outils prédictifs compatibles avec les approches déjà utilisées pour démontrer la conformité des emballages plastiques (10/2011/EC) ou concevoir des emballages alimentaires.

Les résultats et livrables (28) appuieront l'harmonisation des réglementations des papiers et des cartons pour le contact alimentaire en Europe, ainsi que des futures normes de tests. Le développement de nouveaux types d’emballage écoconçus et sûrs est à portée de main, d’autant plus que la technologie de dépôt humide des MFC est déjà brevetée par un des partenaires et que le coût est 2 à 4 fois inférieur à une solution avec une couche plastique. Les relations structure-propriété et l’évaluation assistée par ordinateur permettront d’optimiser au mieux les MFC pour un usage sur un emballage, un suremballage, un aliment sec ou gras.

Le consortium associe quatre partenaires complémentaires. Deux laboratoires académiques spécialisés dans l’étude des transferts de matière et les matériaux en contact avec les aliments (INRAe Massy, coordination), ainsi que dans la caractérisation et la modélisation de microstructures (Université de Grenoble Alpes). Le laboratoire national de référence français sur les matériaux en contact des aliments (LNE, Trappes) et le centre technique du papier (Grenoble) vont associer leur expérience et leur expertise pour apporter des solutions pratiques aux filières agroalimentaires, du papier et de la grande distribution.