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Emballages : la tendance est à la fonctionnalisation

Un emballage prolongeant la durée de vie des produits, ou donnant l'alarme en cas d'altération des denrées : ce rêve de fabricant est en passe de devenir réalité avec l'émergence des emballages dits actifs et intelligents. Strictement encadrés par la réglementation, ces produits de haute technologie font l'objet d'innovations permanentes.

Pour assurer la sécurité et la qualité des aliments, les consommateurs sont prêts à payer davantage, comme le prouve le succès des labels garantissant une exigence supérieure à celle imposée par la seule réglementation. Une opportunité pour les industriels. En particulier pour les professionnels du secteur de l'emballage. Grâce à l'évolution des technologies de « smart packaging », ceux-ci sont en effet en mesure de proposer des conditionnements sophistiqués, capables de fournir une information en temps réel sur le niveau de fraîcheur de leur contenu ou encore de participer activement à l'allongement de sa durée de conservation, par exemple via l'absorption de l'oxygène qu'ils contiennent. Un atout pour les acteurs du marché de l'emballage, dont le poids tous secteurs confondus est estimé à 19 milliards d'euros, dont 12,5 milliards d'euros pour l'emballage agroalimentaire.

 

1. RÉGLEMENTATION : La législation impose une évaluation systématique

 

Le développement en Europe des emballages actifs et intelligents est soumis à une stricte réglementation. Il est notamment conditionné par la législation communautaire, plus restrictive que dans d'autres régions du monde. Des produits commerciaux existent toutefois dans le domaine alimentaire. Ils sont soumis au règlement cadre 1935 /2004/CE. Publié en 2004, il résulte des modifications apportées par la Commission européenne à la directive-cadre sur le contact alimentaire des matériaux 89/109/CEE, qui n'incluait pas l'utilisation d'emballages actifs et intelligents. Au titre de la réglementation européenne, sont définis comme actifs des matériaux et objets destinés à prolonger la durée de conservation ou à maintenir ou améliorer l'état de denrées alimentaires emballées. Cette définition comprend des constituants qui, intentionnellement, libèrent ou absorbent des substances dans les denrées alimentaires emballées ou dans leur environnement. Le règlement 450/2009/EC qui est la mesure réglementaire spécifique relative aux emballages actifs et intelligents, notifie l'obligation de solliciter l'évaluation de la substance ou du mélange de substances par l'autorité européenne de sécurité des aliments (Efsa). Aussi, pour l'évaluation des matériaux actifs et intelligents, l'Efsa a publié en 2009 des lignes directrices précisant les modalités à remplir pour accompagner l'industrie dans la constitution de dossier de demande d'autorisation d'emploi (Efsa-Q-2005-041) Concernant les nanomatériaux, l'évaluation et la demande d'autorisation sont obligatoires. Une évaluation des constituants actifs doit également être réalisée par l'Efsa. Les substances autorisées sont recensées sur une liste communautaire.

 

2. CONCEPTION : Les dispositifs indépendants cèdent le pas aux emballages actifs

 

Les premières technologies de protection active du produit mises au point sont des dispositifs indépendants de l'emballage, qui reste pour sa part de conception classique. Il s'agit par exemple de sachets ou d'étiquettes capables de garder aux aliments leur apparence, leur odeur, leur saveur et de retarder l'apparition de toute altération chimique ou microbienne.

Cette solution a pourtant ses défauts. Parmi ceux-ci figure le mauvais usage potentiel par le consommateur de ce dispositif et la présence avec le produit d'un corps étranger. Du côté de la fabrication, enfin, elle implique d'inclure une opération supplémentaire dans les lignes de conditionnement. Autant de limites qui ont orienté la recherche vers le développement de matériaux d'emballage intégrant des agents actifs.

Les polymères se prêtent particulièrement bien au développement de ces structures actives. Les composants actifs peuvent être incorporés dans les parois de l'emballage par des procédés divers comme le revêtement ou la fonctionnalisation de la surface du film. L'agent actif peut être libéré dans l'aliment ou dans l'espace libre.

Une variété d'emballages et de technologies est d'ores et déjà disponible pour améliorer la préservation des aliments, spécifiquement pour le frais ou le cuit, sans ajouter de dispositif supplémentaire à l'intérieur de l'emballage. Des aliments réfrigérés peuvent par exemple être placés dans des contenants perméables à l'oxygène. Ou encore être placés sous atmosphère modifiée (MAP) : l'emballage contient alors, en plus de la denrée elle-même, un mélange d'oxygène et du dioxyde de carbone constituant un environnement gazeux favorisant la stabilisation de la flore microbienne aérobie et anaérobie.

 

3. ABSORBEURS : Des principes actifs pour maîtriser les échanges gazeux

 

En complément de cette mise sous atmosphère modifiée, des absorbeurs d'oxygène (Fig. 1) intégrant un principe actif (acide ascorbique, enzymes, poudre de fer) peuvent être intégrés à l'emballage, afin d'empêcher le développement de la flore microbienne, susceptible d'altérer l'aliment, de modifier sa couleur, de dégrader sa saveur, son odeur ou sa composition nutritionnelle et réduisant ainsi sa durée de conservation.

Sur le même principe, il existe des absorbeurs de dioxyde de carbone (Fig. 2) à base de carbonate de fer ou d'un mélange d'acide absorbique et de bicarbonate de sodium. Ils sont destinés à prévenir l'acidification et l'exsudation du produit. À l'inverse, pour certains aliments, ce sont des émetteurs de dioxyde de carbone qui sont intégrés pour empêcher le développement de la flore microbienne.

Certains absorbeurs d'humidité (Fig. 3) reposent également sur l'utilisation d'un principe actif. Selon les produits, il peut s'agir d'oxyde de calcium, d'argile de type montmorillonite, ou encore de silicate de silice ou de magnésium. D'autres, souvent placés sous l'aliment, sont constitués d'un simple polymère adsorbant placé entre deux couches microporeuses de type sachet ou buvard.

 

 

4. RÉGULATION MICROBIENNE : Le principe actif est au contact de l'aliment

 

Pour certains produits frais comme les aliments carnés, les techniques de conservation que sont le traitement thermique, l'irradiation, les conservateurs chimiques ou la protection des aliments sous atmosphère modifiée ne sont pas applicables. Les emballages actifs antimicrobiens (Fig. 4) peuvent être alors une solution contre les contaminations microbiennes de surface et compléter ainsi les bonnes pratiques d'hygiène, obligatoires dans l'industrie agroalimentaire. Ces emballages peuvent être classés en deux types. Certains sont efficaces contre la croissance des micro-organismes de surface sans migration, comme les absorbeurs d'oxygène et d'humidité. D'autres contiennent un agent antimicrobien qui migre vers la surface des aliments. Dans les deux cas, le contact avec l'aliment est nécessaire. La micro voire la nanoencapsulation assure le piégeage et la diffusion des composés volatils (éthanol, dioxyde de soufre, dioxyde de carbone, huiles essentielles) mis en oeuvre dans les emballages antimicrobiens avec migration de composés volatils. Pour les composés non volatils, ce rôle peut être assuré par des zéolites, des céramiques ou un support polymère.

 

5. CONTRÔLE : La qualité et la fraîcheur s'affichent

 

En complément des technologies visant à prolonger la durée de vie des produits, les emballages dits intelligents visent à informer sur l'état des denrées ou de leur environnement. Ils peuvent être utiles tout au long de la chaîne logistique et jusqu'au client final, améliorant l'information et la traçabilité. On en distingue principalement trois types : les indicateurs (d'intégrité, de teneur en oxygène, de maturité), les capteurs (de gaz, de substances biologiques) et les étiquettes RFID.

Un indicateur peut être défini comme une substance qui indique la présence ou l'absence d'une autre substance ou le degré de réaction entre plusieurs substances au moyen d'un changement de caractéristique, souvent la couleur. Contrairement aux capteurs, les indicateurs ne comportent pas de récepteur ni de transducteurs et peuvent communiquer l'information par un changement visuel direct. Les indicateurs d'intégrité ou de fuite pour emballages sous atmosphère modifiée mettent en jeu une réaction chimique ou enzymatique liée à une variation de la concentration en oxygène contenu dans l'emballage. Exemple : le changement de couleur lié à l'oxydation du bleu de méthylène. Les indicateurs temps température permettent de vérifier que des produits périssables ont été correctement enregistrés et stockés, grâce à des pigments qui changent de couleur au cours du temps ou sous l'effet d'une fluctuation de la température. La technologie des indicateurs temps température enzymatique repose sur un changement de couleur induit par une chute de pH, suite à l'hydrolyse enzymatique d'un substrat lipidique. Il existe également des marqueurs de rupture de la chaîne du froid, des dispositifs indiquant la température maximale à laquelle le produit a été exposé, ou capables de détecter le niveau de la charge microbienne dans l'emballage.

 

6. NANOTECHNOLOGIES : Une intégration réglementée

 

Le 18 octobre 2011, la Commission européenne a recommandé de définir comme nanomatériaux les produits naturels, formés accidentellement ou manufacturés contenant des particules libres, sous forme d'agrégat ou d'agglomérat dont au moins la moitié, en répartition numérique par taille, présente une ou plusieurs dimensions externes comprises entre 1 et 100 nm. La commission notifie également que ce seuil de répartition numérique peut être abaissé pour cause sanitaire ou environnementale. La révision de cette définition est prévue d'ici décembre 2014.

Les nanotechnologies sont prometteuses pour le secteur de l'emballage, en particulier pour les contenants intégrant des fonctionnalités inédites. Leurs bénéfices peuvent concerner l'écoconception (poids, résistance physique), la sécurité et la conservation des aliments (perméabilité variable aux gaz, ou bactéricides, entre autres) ou bien la détection (par exemple, de micro-organismes pathogènes ou du niveau de fraîcheur). L'incorporation d'additifs à l'échelle nanométrique dans les polymères a d'ores et déjà permis d'augmenter les performances de l'emballage. En particulier en termes de résistance mécanique et chimique, de stabilité thermique, de conductivité électrique, de propriétés optiques, de résistance aux rayons ultraviolets, de propriété barrière au gaz et de transparence.

 

7. SÉCURITÉ : Un projet pour évaluer les risques liés à la migration des nano

 

Pour évaluer la sécurité des emballages contenant des nanomatériaux, pour les opérateurs comme pour le consommateur, le CTCPA travaille en partenariat avec le CEA (plate-forme nanosécurité) depuis novembre 2012 dans le cadre du projet Marina (Maîtrise des risques nanomatériaux). Une démarche qui s'inscrit dans la logique de l'engagement pris par les pouvoirs publics, dans la foulée du Grenelle de l'environnement, de mieux apprécier les enjeux et prévenir les risques liés aux nanomatériaux et aux nanotechnologies. Le projet vise une approche de type hygiène industrielle par la mise en oeuvre de lignes directrices en direction des industries de transformation et de conditionnement des produits alimentaires.

 

8. NANOCOMPOSITES : Nano-argiles et nano-oxydes métalliques se font une place dans les emballages

 

Les emballages barrières contenant de la nano-argile sont des thermoplastiques renforcés par des nanoparticules d'argile. Ces composites polymères se distinguent par leur résistance améliorée et leur poids réduit.

D'autres nanocomposites intègrent des nanoparticules d'oxyde métallique. Ils sont utilisés pour diverses applications. Citons entre autres le renforcement mécanique lié à l'intégration de nitrure de titane, notamment dans les bouteilles d'eau, l'action antimicrobienne du nano-argent et du nanozinc et la capacité du dioxyde de titane à absorber les UV, donc à prévenir la dégradation de certains plastiques.

 

9. CAPTEURS : Nano et biotechnologies facilitent le contrôle qualité

 

Intégrés aux étiquettes ou aux revêtements, des nanocapteurs peuvent ajouter une fonction intelligente aux emballages alimentaires. C'est le cas des indicateurs de fraîcheur, grâce auxquels les emballages donnent une information sur la fraîcheur du produit par l'utilisation de nanoparticules qui changent de couleur par oxydation. Il existe par exemple des encres détectant l'oxygène et contenant des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2), sensibles à la lumière.

Quant aux biocapteurs, ce sont des dispositifs compacts, qui permettent de détecter, enregistrer et transmettre des informations. Ces dispositifs combinent un biorécepteur, spécifique à la substance que l'on souhaite surveiller et un transducteur, qui convertit le signal biologique en réponse électrique quantifiable. Les biorécepteurs sont des matériaux organiques tels que des enzymes, des antigènes, des micro-organismes, des hormones ou des acides nucléiques. Les transducteurs peuvent être électrochimiques, optiques ou calorimétriques.

 

10. RFID : L'information sur étiquette

 

La RFID (identification par radiofréquences sur étiquettes) permet de transmettre d'une manière précise et en temps réel des informations à un utilisateur. La technologie s'avère notamment utile pour la traçabilité, la gestion des stocks, l'économie des coûts de main-d'oeuvre, et la sécurité.

L'intérieur de l'étiquette RFID est composé d'une puce électronique compacte reliée à une minuscule antenne. Une étiquette RFID peut également être intégrée à un indicateur temps température ou à un biocapteur, afin d'effectuer l'historique temps-température et celui des données microbiologiques. Le passage à l'échelle nanométrique pour les composants de ces étiquettes permet de diminuer la taille du dispositif, qui peut alors être rendu flexible et imprimé sur une simple étiquette.

 

11. ÉLECTRONIQUE IMPRIMÉE : Les promesses des nano-encres

 

Le développement de l'électronique imprimée permet d'imaginer l'intégration d'un module contenant les informations relatives au produit sur l'emballage dès sa fabrication. Les nanotechnologies sont porteuses de promesses dans ce domaine. Si les particules conductrices contenues dans les encres utilisées dans ce procédé sont de taille nanométrique (par exemple du nano-argent ou du nanocuivre), leur température de fusion est abaissée (Fig 5). Conséquence : l'étape de frittage qui suit le dépôt de l'encre pour transformer les particules conductrices en un ruban conducteur solide peut être réalisée à basse température, en quelques centaines de microsecondes, sans détérioration du substrat. Elle peut donc être mise en oeuvre dans le cadre d'une impression en continu dite en « roll to roll ». Et ce frittage peut être réalisé par impulsion lumineuse, à haute densité d'énergie (ILHDE) les particules nanométriques ayant alors des caractéristiques d'absorption modifiées. D'ores et déjà disponible, cette technologie pourrait être appelée à un bel avenir notamment dans le secteur de l'emballage.

CE QU'IL FAUT RETENIR

- Les emballages intelligents délivrent une information sur l'état des denrées qu'ils contiennent. - Au-delà de leur rôle barrière, les emballages actifs contiennent des principes actifs qui modifient l'aliment pour améliorer sa conservation. - Les nanotechnologies peuvent améliorer les capacités d'un emballage, notamment via l'encapsulation de substances actives.

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