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06 décembre 2021 / Compétences et expertise / Vitagora / Sciences et technologies
Emballer les produits frais : des films plastiques antibactériens sans relargage
La viande emballée recueille l’intérêt des consommateurs, séduits par la praticité de ces produits en termes de préparation culinaire et de conservation. Mais le risque de contamination bactérienne des produits emballés demeure une problématique majeure pour les industriels de l’agroalimentaire.
Comment lever ce risque ? Des emballages alimentaires antibactériens sont-ils possibles ? Quelles stratégies d’inhibition, voire de destruction, des bactéries sont à explorer ?
Pourquoi s’y intéresser ?
- Les toxi-infections alimentaires sont encore nombreuses et entrainent chaque année des hospitalisations, voire des décès, chez les consommateurs.
- La viande est considérée comme un produit particulièrement à risque de toxi-infections, par exemple au staphylocoque ou Escherichia coli.
- Si l’emballage peut être source de contamination, il doit également être vu comme une solution antibactérienne à déployer.
- Avec un emballage antibactérien, les produits carnés pourraient être conservés en toute sécurité plus longtemps, réduisant ainsi le risque de toxi-infection.
- En plus de cet avantage sanitaire, les produits arrivant moins rapidement à péremption, la production de déchets alimentaires pourrait également diminuer.
Le marché de la viande emballée, incluant par exemple les produits de charcuterie comme le jambon ou les lardons et des produits carnés « ingrédients » tels que le bœuf haché, connait un regain d’intérêt auprès des consommateurs, séduits par leur praticité aussi bien du point de vue de la préparation que du stockage (DLC allongée).
Mais le risque de contamination bactérienne à l’intérieur des emballages demeure une problématique majeure pour l’industrie agroalimentaire. Une solution pour lever ce risque est de développer des films plastiques antibactériens pour garantir la sécurité sanitaire des produits frais grâce à une meilleure conservation, une augmentation de la DLC, et par conséquence une diminution des déchets alimentaires (les produits arrivant moins rapidement à péremption).
C’est dans ce cadre qu’a vu le jour BRICAPAC, un projet ANR dont l’objectif est de créer des films plastiques antibactériens en exploitant l’effet pro-adhésif des bactéries sur la surface. Geraldine Carrot, Chercheur Senior CEA au sein de l’UMR NIMBE (Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie) et coordinatrice du projet, nous en explique l’originalité et nous dévoile les premiers résultats de ce projet labellisé par Vitagora.
Le projet BRICAPAC
L'objectif principal de BRICAPAC est de fournir des propriétés antibactériennes aux films plastiques utilisés dans l’emballage alimentaire, en agissant dès la première étape de bio-adhésion, pour permettre une inhibition des flores d’altération et pathogènes tout en conservant, en partie au moins, les souches bactériennes positives responsable de la bonne maturation organoleptique des produits. L'autre intérêt de BRICAPAC est de générer cette propriété antibactérienne sans relargage, en se concentrant sur la mise au point de structures réticulées ou greffées avec des polymères antibactériens fonctionnalisés, plutôt que sur l’utilisation de petites molécules ou de particules inorganiques.
Ce projet ANR, initié en janvier 2017 et finalisé en juillet 2021, a réuni partenaires académiques et industriels au sein d’un consortium complémentaire :
- deux laboratoires académiques de recherche (Université Paris-Saclay) : un spécialisé dans la chimie de surface et des polymères (NIMBE/CEA), et l’autre dans la microbiologie et l’étude des phénomènes bioadhésifs (SayFood/APT-INRA) ;
- deux partenaires industriels : BOLLORE (Division Films Plastiques) spécialisé dans la fabrication de films alimentaires et leader européen des films barrière rétractables, et CHARAL (Pôle Innovation) spécialisé dans l’emballage de viande et détenteur du brevet HebdoPack (film thermoformé sous vide) qui maintient les qualités de la viande pendant plus de 20 jours.
Geraldine CARROT, Chercheur Senior, NIMBE
Geraldine Carrot est chercheuse au Laboratoire NIMBE (Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie), une Unité Mixte de Recherche CEA-CNRS (UMR 3685) spécialisée dans la conception, l’assemblage et l'analyse de la matière de l’échelle du micron à l'échelle nanométrique, ainsi que la compréhension des mécanismes physicochimiques et leurs synergies à ces échelles.
Les domaines d’expertise de Geraldine Carrot sont la synthèse et les études de matériaux hybrides à base de polymères : polymérisation radicalaire contrôlée, polymérisation par étapes, chimie click, nanoparticules inorganiques, chimie matériaux/surface, mesures de diffusion, physico-chimie bio-liée, surfaces antibactériennes et nanoparticules greffées pour des applications médicales.
Le contact bioactif : une stratégie originale et innovante
Incorporer des propriétés antibactériennes aux emballages plastiques : les limites des solutions actuelles
Incorporer des propriétés antibactériennes dans les films plastiques alimentaires : l’ambition n’est pas nouvelle, et plusieurs méthodes ont déjà été explorées. Mais les limites de ces stratégies se sont rapidement fait ressentir :
- L’adsorption de petites molécules (c’est-à-dire, le phénomène de surface par lequel des atomes, des ions ou des molécules se fixent sur une surface solide), tels que le triclosan, la nisine ou les huiles essentielles. La limite de cette stratégie réside dans le relargage de ces molécules par l'emballage – et donc, dans leur diffusion dans la nourriture, ce qui peut conduire à une modification du goût voire une altération de la qualité des aliments.
- L'introduction de nanoparticules minérales dans la matrice de PE (Polyéthylène, constituant principal des films plastiques) peut mener à des revêtements antibactériens efficaces… mais à l’origine d’une libération d'ions argent, ce qui pose un véritable problème sur le long terme compte-tenu de la toxicité des ions argent.
« Devant ces solutions, le défi réside dans le développement de nouvelles méthodologies pour l'ancrage des polyionènes (polymères antibactériens) sur des surfaces, tout en évitant la libération des agents actifs dans l'environnement (relargage) », résume Geraldine Carrot.
Une approche innovante : l’effet pro-adhésif
Dans un tel contexte, les partenaires du projet BRICAPAC ont choisi d’explorer une autre stratégie : celle de l’effet pro-adhésif des polyionènes (polymères antibactériens) permettant d’attirer les bactéries afin de les inhiber, voire de les tuer : effet « piège ». « Les polyionènes (PI) contiennent des charges positives séparées par des segments hydrophobes de taille variable. Les propriétés antibactériennes de ces polymères se sont avérées à la fois efficaces et modulables (effet bactériostatique ou biocide) », précise Geraldine Carrot.
« Nous avions donc comme objectif de former un film polymère bactériostatique (contact bioactif) sur lequel la plupart des bactéries indésirables seront piégées ou retenues afin de limiter leur croissance et d’empêcher leur multiplication sur le produit ».
Un défi de taille : conserver les bonnes bactéries
« Nous souhaitions vérifier si nous pouvions privilégier l’inhibition des bactéries pathogènes tout en épargnant les bonnes souches », ajoute Geraldine Carrot en soulignant l’importance de conserver les bactéries lactiques pour la maturation de la viande par exemple. « Avec le projet BRICAPAC, on a également étudié l’effet souche-dépendant. Nous avons donc étudié 3 classes de bactéries : les lactiques (positives et à conserver), les bactéries d’altération (qui ne sont pas toxiques mais non-souhaitables pour autant), et les pathogènes (risque sanitaire). »
Sur cet aspect, elle reconnait la chance dont le consortium du projet a bénéficié : « nous nous sommes rendu compte que les bactéries d’altération et les bactéries pathogènes présentent une sensibilité accrue aux polyionènes… contrairement aux bactéries lactiques ». Elle précise également : « que ce soit en surface, ou en solution ».
Geraldine Carrot et le consortium du projet BRICAPAC a également remarqué un effet « pionnier » chez les bactéries pathogènes et d’altération : « elles se fixent en premier aux surfaces modifiées par les polyionènes, contrairement aux bactéries lactiques ».
Trois voies de mise en œuvre
Plusieurs voies ont été explorées pour exploiter cet effet antibactérien par contact bioactif. « Afin d’éviter tout phénomène de relargage, nous avons voulu nous focaliser sur trois stratégies robustes en terme d’ancrage et éventuellement industrialisables », précise Geraldine Carrot.
Le greffage chimique
« Le greffage chimique est une technique que l’on connait bien au NIMBE, et qui donne de bons résultats au niveau des propriétés. »
Geraldine Carrot précise : « La destruction ou l’inhibition des pathogènes vient de la structure modulable de nos polyionènes, qui permet de modifier le nombre de CH2 (méthylène) dans l’unité répétitive du polymère. En augmentant ce nombre, on augmente l’effet antibactérien, jusqu’à aller sur un effet biocide. »
En revanche, le greffage chimique est une technique difficilement transposable au niveau industriel : d’où le besoin d’explorer des voies complémentaires.
Par jet d’encre
« Une seconde idée était de passer par la formulation d’une encre formulée de plusieurs composés et d’un solvant. »
Pour ce faire, l’équipe a réalisé plusieurs études : sur la concentration et la nature des composés, sur la rhéologie (car la viscosité est importante pour l’impression), etc.
« Comme pour les 2 autres voies, les résultats de physico-chimie et de microbiologie obtenus sont très satisfaisants. L’impression par jet d’encre ouvre également d’autres possibilités plus industrialisables et sur d’autres types de support (cartons, etc..).
Un mélange-maitre « polyéthylène » + « polyionènes »
Enfin, une troisième voie, mise au point en collaboration avec les industriels, consistait à utiliser directement le process industriel (ligne pilote pour formation de film par extruction), en préparant préalablement un mélange-maître (ou masterbatch) polyéthylène /polyionènes via un mélange par extrusion.
« L’idée était d’incorporer ce mélange-maître dans la première couche de ces films multicouches », précise Geraldine Carrot.
« Les films avec mélange-maître ont donné des résultats au niveau antibactérien particulièrement performants. Grâce à des clichés par fluorescence, nous avons pu mettre en évidence que les bactéries pathogènes adhèrent au film en grande quantité (contrairement à un film simple, sur lequel les bactéries n’adhèrent pas) et sont souvent tuées. »
« En revanche , nuance Geraldine Carrot, la dispersion des polyionènes, c’est-à-dire leur homogénéité de répartition, était moins bonne que pour les autres voies d’incorporation (greffage et jet d’encre). Cela signifie que l’effet antibactérien risque de ne pas être le même sur toute la surface. Actuellement, nous cherchons à améliorer ce résultat. »
De nombreux résultats pour des applications à venir
Les résultats du projet BRICAPAC sont nombreux : 3 brevets ont été déposés, et plusieurs publications académiques ont été obtenues, dont l’une dans une revue internationale. Plusieurs articles de vulgarisation, des communications nationales et internationales, ont également eu lieu. Enfin, une thèse a été menée avec succès et a été soutenue fin 2020.
« Nos résultats sont très intéressants, tant pour des applications dans le domaine agroalimentaire que dans d’autres secteurs industriels, comme le domaine médico-hospitalier. »
« Aujourd’hui, il s’agit d’améliorer la solution du mélange-maître et de rendre possible sa mise au point au niveau industriel, tout en vérifiant sa compatibilité avec différents polymères grâce à l’ajout d’additifs », conclue Geraldine Carrot.
Pour aller plus loin
Pour en savoir plus sur les travaux de recherche menés dans le cadre du projet BRICAPAC, ou pour être mis en relation avec Geraldine Carrot au CEA, contactez Elodie Da Silva : elodie.dasilva@vitagora.com.
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Mots clés
Films plastiques, antibactérien, sécurité sanitaire des aliments, emballages alimentaires, surfaces, viande, conservation, DLC, greffage, impression, extrusion
Pour en savoir plus
Pour en savoir plus, contactez Elodie da Silva, référente du pôle Innovation : elodie.dasilva@vitagora.com.
Elodie est ingénieure agroalimentaire, originaire de Toulouse. Elle est référente du pôle Innovation qui accompagne les adhérents de Vitagora dans le montage et le suivi des leurs projets d'innovation : recherche de partenaires, fléchage de financements et relation avec les financeurs, gestion du projet, etc.
