Développement d´emballages intelligents à base de matériaux sol-gel fluorescents permettant le suivi des composés carbonylés générés par l'oxydation des lipides

Development of intelligent packaging based on sol-gel fluorescent materials to monitor carbonyl compounds released by lipid oxidation

• Auteur / Autrice : Laura Carballido
• Direction : Elias Bou Maroun, Nicolas Sok, Thomas Karbowiak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies agro-alimentaires
• Date : Soutenance le 06/07/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés Alimentaires et Microbiologiques (PAM) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Sandra Domenek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Boos, Christine Goze
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Piersandro Pallavicini, Eric Marchioni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicates

Aniline

Lipides

Aliments -- Emballage

Gaspillage alimentaire

Mots clés libres

Gaspillage alimentaire

Durée de vie

Emballage intelligent

Oxydation des lipides

Matériau sol-Gel

Capteur fluorescent

Food waste

Food shelf-Life

Intelligent packaging

Lipid oxidation

Sol-Gel material

Fluorescent sensor

Résumé

Réduire le gaspillage alimentaire tout en garantissant la sécurité sanitaire des aliments est un défi majeur auquel fait face l'industrie agroalimentaire aujourd'hui. L'oxydation des lipides est le principal processus de dégradation chimique impliqué dans la dégradation des aliments. Outre la perte en qualité nutritionnelle, l'oxydation des lipides génère des composés malodorants qui contribuent au rejet des produits par les consommateurs. Elle entraîne également la production de composés nocifs pour la santé. Avec la seule information fournie par les dates de péremption, une quantité importante d'aliments est gaspillée au niveau du distributeur et du consommateur en raison des précautions excessives prises pour assurer la sécurité sanitaire. L'industrie agroalimentaire manque d'un outil rapide et facile à utiliser pour contrôler la fraîcheur des aliments en temps réel et tout au long de la durée de conservation des produits. Les matériaux intelligents, destinés à contrôler l'évolution des aliments emballés et à fournir des informations à l'utilisateur, offrent une solution de choix pour pallier ce manque. Cette thèse de doctorat porte sur le développement de matériaux fluorescents pour suivre l'oxydation des lipides. Plus précisément, la fluorescence des matériaux synthétisés a été rapidement atténuée (moins de 1 min) lors de l'interaction avec des composés carbonylés, une famille de molécules dont la concentration augmente lors de l'oxydation des lipides. Leur suivi en temps réel est rendu possible par la corrélation entre la perte d’intensité de fluorescence du matériau et la concentration en carbonyles. Plusieurs stratégies de synthèse ont été testées. Des matériaux à base d'acrylates, synthétisés par polymérisation radicalaire, ont été comparés à des matériaux à base de silicates, obtenus par procédé sol-gel. La toxicité des matériaux produits a été systématiquement évaluée. Un matériau sol-gel, à base d'aniline, s’est avéré particulièrement prometteur et a donc été étudié plus en détail. Ses performances ont été validées en contact direct avec des carbonyles, en utilisant différentes phases liquides comme simulants alimentaires, ainsi qu'en contact indirect, en exposant le matériau à une phase gazeuse contenant des vapeurs de carbonyles. Le capteur fluorescent permet de couvrir une très large gamme de concentrations de carbonyles (de 0,5 mmol/L à 0,5 mol/L), ce qui rend possible le contrôle de l’état de fraîcheur d’un aliment tout au long de sa durée de vie. Enfin, ce nouveau capteur a été utilisé avec succès pour suivre l'oxydation accélérée d'une huile de poisson commerciale. Tous ces résultats démontrent la possibilité d'utiliser ce nouveau matériau sol-gel intelligent en remplacement de méthodes classiques pour la détermination rapide, simple et sensible du niveau d'oxydation des produits riches en lipides, avec peu de préparation d’échantillon et sans utiliser de réactifs toxiques. Ce nouveau capteur fluorescent est donc prometteur pour une large gamme d'applications.

Reducing food waste while ensuring food safety is a major challenge facing the agri-food industry today. Lipid oxidation is the main chemical degradation process involved during food spoilage. In addition to a loss of nutritional value, lipid oxidation generates unpleasant off-flavors contributing to the consumer rejection of food products. It also leads to the production of compounds harmful to human health. With the sole information provided by the expiration dates, a significant amount of food is wasted at the distributor and consumer levels because of excessive precautions taken to ensure food safety. The agri-food industry lacks a rapid and easy-to-use tool to control food freshness in real time throughout the entire shelf-life of the product. Intelligent materials, intended to monitor the evolution of packaged food and to provide information to the user, offer a perfect user-friendly solution. This PhD thesis reports on the development of fluorescent materials to track lipid oxidation. More specifically, the fluorescence of the designed materials was rapidly quenched (less than 1 min) upon interaction with carbonyl compounds, a family of molecules which concentration increases during lipid oxidation. Their real-time monitoring was made possible since the fluorescence loss correlates with the concentration of carbonyls. Several synthesis strategies were tested. Acylate-based materials, synthesized by radical polymerization, were compared to silicate-based materials, obtained by the sol-gel process. The toxicity of the so-produced materials was systematically assessed. A sol-gel material, based on aniline, was particularly promising and was thus more deeply investigated. Its performance was validated in direct contact with carbonyls, using different liquid phases as food simulant, as well as in indirect contact, by exposure of the material to a gas phase containing carbonyl vapors. The fluorescent sensor covered a very broad range of carbonyl concentrations (from 0.5 mmol/L to 0.5 mol/L), allowing to track the entire shelf-life of a food product. Finally, this new sensor was successfully applied to monitor the accelerated oxidation of a commercial fish oil. All of these results demonstrated the possibility of using this new intelligent sol-gel material instead of classical methods for the fast, simple, and sensitive determination of the lipid oxidation level of lipid-rich products, with little sample preparation and without use of any toxic reactant. This new fluorescent sensor appears thus promising for a wide range of applications.