Présentation

Comment la science des agro- et bio-polymères peut-elle faciliter le développement de bio-matériaux et de nouvelles solutions d'emballage alimentaire dans un contexte de compétitivité, de sécurité alimentaire, et de durabilité ?

Notre stratégie de recherche s’appuie sur deux piliers :

1- Conception d’emballages alimentaires durables : approches intégratives, modélisation multicritères et prise de décision

L’objectif appliqué de ce pilier est d’améliorer la conservation/transformation de l’aliment dans l’emballage afin de réduire les pertes alimentaires en maîtrisant l’évolution de leur qualité via l’emballage, plus précisément via la composition de l’atmosphère générée par ce dernier. L’accent a été mis sur les matériaux issus de d’agro-ressources renouvelables et le développement de solutions innovantes de type emballages actifs et intelligents, sur le concept d’emballage « juste nécessaire » (tailormade), sûr pour la santé du consommateur (maîtrise des migrations) et respectueux de l’environnement (emballage biodégradable).

Cette approche s’appuie d’abord sur la poursuite du perfectionnement de nos outils de modélisation des transferts de matières dans le système aliment/emballage pris dans son ensemble : intégration des modèles développés dans la priorité 1, introduction d’éléments actifs de type absorbeurs ou émetteurs de gas/vapeurs, amélioration de nos bases de données emballages et aliments (avec les UMRs SQPOV et SPO), démarche de rétro-ingénierie et interfaces conviviales.

Le couplage de nos modèles de transferts avec des modèles réactionnels développés dans d’autres champs disciplinaires comme les sciences de l’aliment (microbiologie prédictive, prédiction de la durée de vie) ou environnementales (consommation énergétique des MAP versus réfrigération) a été poursuivi en nous focalisant sur deux verrous : la compatibilisation des approches mathématiques et la simplification des modèles sans pénaliser leur représentativité.

2 - Modélisation multi-échelles des relations structure-transfert dans les matériaux composites

Nous avons fait évoluer notre démarche d’étude et de modélisation macroscopique des transferts de matière dans les réseaux polymériques, vers une démarche de type « top down » (i.e. partant du macroscopique pour aller vers le mésoscopique) d’étude et de modélisation multi-échelles des relations structure/transfert, intégrant l’échelle mésoscopique au sens large.

Dans la démarche que nous avons développée, notre matériau est considéré comme un assemblage de sous éléments constitutifs de l’ensemble (matrice, particules, interface). Une reconstitution 3D du matériau et de ses propriétés est réalisée sur la base des propriétés de transfert de chaque sous-élément. Nous nous sommes efforcés de comprendre puis représenter dans nos modèles, les paramètres structuraux pertinents mais encore difficilement accessibles, qui influencent les propriétés de transfert de matériaux nano et micro-composites, en nous focalisant sur l’amélioration de nos connaissances concernant :

(i) la structure tridimensionnelle des matériaux composites (taille, facteur de forme et distribution des particules dans la matrice, percolation).

(ii) les propriétés d’interactions et de transfert des petites molécules dans les zones d’interfaces matrice/particule (propriétés de surface et de transfert des particules, identification et caractérisation des zones de structuration localisée de la matrice au contact de la particule.

Ce qui a impliqué le développement de stratégies analytiques de compréhension (e.g. modifications ciblées de la surface des particules) mais aussi d’acquisition (évaluation des transferts d’un éventail de migrants allant du gaz au soluté, propriétés de transfert in situ, cartographies des concentrations, caractérisation de structure 2/3D) et de traitement des données adaptées (e.g. algorithmes de reconstruction 3D) ainsi qu’une amélioration de nos modèles (représentation 3D de systèmes multi-constituants sous Comsol Multiphysics, méthode des éléments finis).

Les approches de modélisation sont construites pour représenter certains phénomènes particuliers liés à la nature de nos matériaux : hétérogénéité (cartographie multi-échelles), instabilité (dynamique d’évolution des structures et des propriétés, liée aux transferts, notamment au cours du contact avec l’aliment) et variabilité (démarche statistique). Afin de limiter les facteurs variabilité et sensibilité, cette approche a été d’abord développée sur des matrices et des particules « modèles » de type bio-polyesters et nanoparticules minérales, pour ensuite être en mesure de mieux aborder les comportements plus complexes des agro-matériaux composites.

Un effort particulier a été fourni sur l’échelle nanométrique, particulièrement pertinente au regard des développements actuels dans le domaine des emballages actifs et intelligents et des inquiétudes relatives à la santé, soulevées par ces nanomatériaux.

Membres permanents

• Hélène ANGELLIER-COUSSY, MCF UM
• Chahinez AOUF, CR INRAE
• Babeur HUGUES, TR UM
• Lucile CHATELLARD, MCF UM
• Fanny COFFIGNIEZ, MCF UM
• Sebastien GAUCEL, IR INRAE
• Nathalie GONTARD, DR INRAE
• Valérie GUILLARD, MCF UM
• Stéphane PEYRON, PR UM

Sélection de références

• Guillard V., Gaucel S., Fornacieri C., Angellier H., Buche P., Gontard N. 2018. The Next Generation of Sustainable Food Packaging to Preserve Our Environment in a Circular Economy Context. Frontiers in Nutrition. Vol 5, Art 121
• Berthet M.A., Angellier-Coussy H., Staebler A., Vicente A., Hilliou L., Gontard N. “Exploring the potentialities of using lignocellulosic fibres derived from three food by-products as constituents of biocomposites for food packaging”, Industrial Crops and Products, 2015, 69, 110-122.
• Gontard N., Sonesson U., Birkved M., Majone M., Bolzonella D., Celli A., Angellier-Coussy H., Jang G., Verniquet A., Broeze J., Schaer B., Batista A.P., Sebok A. « A research challenge vision regarding management of agricultural waste in a circular bio-based economy », Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2018, https://doi.org/10.1080/10643389.2018.1471957.
• Guillard, V. Buche, P., Destercke, S., Tamani, N., Croitoru, M., Menut, L., Guillaume, C. & Gontard, N. 2015. A Decision Support System to design modified atmosphere packaging for fresh produce based on a bipolar flexible querying approach. Computers and Electronics in Agriculture 111 (2015) 131–139.
• Bibi F., Guillaume C., Sorli B., Gontard N. 2016. Plant polymer as sensing material: Exploring environmental sensitivity of dielectric properties using interdigital capacitors at ultra-high frequency Sensor and Actuators B: Chemical B230, 212-222.
• Nasiri A., Peyron S., Gastaldi E., Gontard N. Effect of nanoclay on the transfer properties of immanent additives in food packages. Journal of Materials Science, 2016, 51, 21, 9732-9748