Préparation de matériaux biosourcés à partir de nano-polysaccharides et de particules de lignine pour la fabrication d’emballage alimentaire

Preparation of biobased materials from nano-polysaccharides and lignin particles for food packaging applications

• Auteur / Autrice : Eva Pasquier
• Direction : Julien Bras, Orlando J. Rojas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 01/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble, Isère, France ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Dufresne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Susana De Matos Fernandes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Coma, Aji P. Mathew

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aliments -- Emballages

Chitine

Nanofibres

Mots clés libres

Nanofibres de cellulose

Nanofibres de chitine

Particules de lignine

Colloïdes biosourcés

Emballage alimentaire

Cellulose nanofibers

Chitin nanofibers

Lignin particles

Biobased colloids

Food packaging

Résumé

Le but de ce projet est de mieux comprendre les interactions entre plusieurs colloïdes biosourcés. Les trois polymères les plus abondants qui peuvent être extraits de la nature sont la cellulose, la chitine et la lignine. Or les fibres de cellulose et de chitine peuvent être fibrillées mécaniquement pour former des nanofibres stables en suspension et des particules de lignine peuvent être préparées à partir de solution de lignine. Ces différents colloïdes ont été étudiés séparément mais l’étude de leurs interactions est encore méconnue. Afin de préparer dans l’avenir des matériaux complétement biosourcés, il est important de comprendre le comportement des colloïdes mais également leurs interactions. De plus, ils présentent chacun un intérêt pour la fabrication d’emballages alimentaire. Les nanofibres de cellulose et de chitine forment des films résistants qui ont des propriétés barrières à l’oxygène alors que les particules de lignine ont des propriétés antioxydantes et absorbent les rayons UV. La première partie du projet se concentre sur la fabrication des colloïdes, notamment de nanofibres de chitine provenant de déchets de crevettes ou insectes. Des propriétés mécaniques prometteuses ont été obtenues à partir de films de nanofibres de cellulose et chitine fibrillées ensemble et extraites de déchets de l’élevage de ver de farine. Ensuite, une nouvelle méthode de préparation de particules de lignine en présence de nanofibres de cellulose et de chitine a été étudiée. Grâce à l’attraction électrostatique entre les nanofibres de chitine et les particules de lignine, des films avec une répartition homogène des particules ont été obtenus. Finalement, nous nous sommes servis des différentes interactions entre les colloïdes pour préparer des films multicouches présentant plusieurs propriétés barrières notamment à l’oxygène, la vapeur d’eau, la graisse et les rayons UV. Cette thèse apporte des connaissances sur les interactions de trois colloïdes biosourcés et comment utiliser ces interactions pour fabriquer des films fonctionnels complétement biosourcés pour des applications d’emballage alimentaire.

The goal of this project is to better understand the interactions between three different biobased colloids. The three most abundant polymers that can be extracted from nature are cellulose, chitin, and lignin. Cellulose and chitin fibers can be mechanically fibrillated into colloidally stable nanofibers while lignin particles (LP) can be prepared from dissolved lignin. These colloids have been studied individually however the interactions between each other have been so far overlooked. To create fully biobased materials, it is important to understand the colloids’ behavior but also their interactions. Moreover, these colloids are promising for food packaging applications. Cellulose and chitin nanofibers can act as matrices to make strong films with high oxygen barrier properties while lignin can form active particles that have antioxidant and UV absorbing properties. The first part of the project focuses on the preparation of the colloids, in particular, chitin nanofibers (ChNF) from shrimp, fly, or mealworm sources. Promising mechanical properties were obtained from films made from chitin and cellulose fibrillated together. Then, a new method to prepare LP in the presence of cellulose or chitin nanofibers was studied. Electrostatic attraction between ChNF and LP led to homogeneous repartition of LP into ChNF films. Finally, we took advantage of the different colloids interactions to prepare multilayer films with promising high barrier properties including oxygen, water vapor, UV, and grease barriers. This thesis brings some understandings on biobased colloids interactions and how to use these interactions to create fully biobased functional films towards food packaging applications.