Rétro-ingénierie pour l’éco-conception d’emballages alimentaires en vue de réduire les pertes et gaspillages : application à la fraise et aux matériaux cellulosiques multicouches

Reverse engineering for eco-designing food packaging to decrease food loss and waste : strawberries and multilayer cellulosic materials case studies

• Auteur / Autrice : Emma Pigneres
• Direction : Valérie Guillard, Hélène Angellier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : APAB-Sciences des Procédés des Matériaux, Bioproduits et Aliments
• Date : Soutenance le 24/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Claire Bourlieu-Lacanal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara Limbo, Evelyne Mauret, Lars Jarnstrom
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Gouanvé, Peter Ragaert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellulose

Aliments -- Emballages

Rétro-ingénierie (informatique)

Gaspillage alimentaire

Fraises

Mots clés libres

Retro-Ingénierie

Outil d'aide à la décision

Propriétés de transferts des emballages

Javascript:supprZone('contenuS-1-4');Gaspillage alimentaire

Fraises

Cartons enduits

Food requirement driven approach

Decision support system

Mass transfer properties of packaging

Food waste

Strawberries

Coated cardboards

Résumé

La société est confrontée à deux problèmes environnementaux majeurs dans lesquels les emballages alimentaires ont un rôle clé à jouer : la persistance du plastique dans l'environnement et le gaspillage alimentaire. En effet, les emballages représentent 44% de la consommation mondiale de plastique, et ils peuvent contribuer positivement à la réduction du gaspillage alimentaire en assurant une bonne protection des aliments. Face à ce double enjeu, l'objectif de cette thèse est de développer des approches d'éco-conception pour les emballages alimentaires permettant de développer des emballages ''sur-mesure'', minimisant l'impact de leur production et de leur fin de vie sur l'environnement, tout en maximisant la protection des aliments et limitant ainsi le gaspillage alimentaire. Dans le cadre du projet EcoFreshChain (projet ANR-20-CE21-007-01), la fraise a été considérée en tant que modèle d'étude avec un objectif initial de développer un contenant à base de cellulose pour ce produit et permettant de réaliser une atmosphère modifiée d'équilibre. Le format de l'emballage s'est donc tourné vers une barquette scellée. Le matériau envisagé pour la barquette était un carton enduit, afin d'en moduler les propriétés de transfert, d'alcool polyvinylique (PVOH) greffé avec des acides gras. Tout d'abord, un outil d'aide à la décision a été développé, en utilisant une approche partant des besoins de l’aliment pour définir des spécifications d'emballage optimales et les emballages correspondant. Cet outil repose sur une base de données alimentée par des connaissances d’experts sur les aliments et les matériaux, et sur des requêtes entre les différentes tables de cette base, ce qui constitue son unicité dans ce domaine de recherche. Pour le cas spécifique de la fraise, un modèle combinant la respiration de la fraise et les transferts de gaz à travers l’emballage, a permis de déterminer des perméabilités cibles aux gaz et à la vapeur d’eau. À partir de ces cibles, le deuxième objectif de cette thèse était d'aller vers des recommandations de structures de matériaux cellulosiques multicouches. Des recommandations ont été formulées pour caractériser sans biais de mesure les taux de transmission à l'oxygène et à la vapeur d'eau (respectivement OTR et WVTR) de ces structures, qui sont des propriétés essentielles pour les emballages alimentaires. Ensuite, de multiples structures de cartons enduits de PVOH greffés ont été caractérisées dans des conditions standard (23°C et 50% RH) afin d’étudier les rôles respectifs du poids de PVOH et du nombre de couches sur les propriétés barrière obtenues, ainsi que l'impact de l'échelle du procédé d’enduction (laboratoire vs. pilote), apportant de nouvelles connaissances sur la relation structure/propriétés de ces matériaux. Les conditions de stockage (température et humidité relative) peuvent varier tout au long de la vie d’un aliment emballé, et des étapes de transformation (pliage par exemple) sont souvent nécessaires pour produire des emballages finis. Leur impact sur l'OTR et le WVTR des matériaux a été évalué et a montré une erreur potentielle dans la prédiction de la qualité si l’on utilise les valeurs mesurées en conditions standard et sur des matériaux non transformés, et qu’elles diffèrent des valeurs obtenues en conditions réelles. Enfin, un nouveau modèle a été développé pour évaluer le gaspillage alimentaire des fraises chez le consommateur. La nouveauté de ce modèle réside dans l’intégration de résultats d’enquêtes consommateurs sur leur comportement (achat, stockage, consommation), dans un modèle mathématique de détérioration des fraises. Cette thèse pluridisciplinaire propose de nouveaux outils et de nouvelles connaissances pour une éco-conception d’emballages alimentaires aussi complète que possible, allant de recommandations sur la structure des matériaux pour répondre aux besoins des aliments, jusqu’à l'évaluation des pertes et gaspillages.

The society is facing two major environmental issues in which food packaging has a key role to play: plastic persistence in the environment and food losses and waste. Indeed, packaging accounts for 44% of the world’s plastic consumption, and packaging can positively contribute to reduce food losses and waste by ensuring a good protection of the food product. Facing this double challenge, the purpose of this thesis is to develop eco-design approaches for food packaging allowing to develop the “just-necessary” packaging, i.e. (i) minimizing the impact of its production and end-of-life’s treatment on the environment, while (ii) maximizing food protection and avoiding food losses and waste. In the framework of EcoFreshChain project (EcoFreshChain project, ANR-20-CE21-007-01), the strawberry was considered as a case study, with the initial aim of developing a cellulose-based tray for this product, enabling a modified equilibrium atmosphere to be achieved. The packaging format was therefore a sealed tray packaging. To modulate transfer properties, the tray material was a cardboard coated with polyvinyl alcohol (PVOH) and grafted with fatty acids. First, a decision support system was developed, using a food-requirement driven approach, allowing to define optimal packaging specifications and materials based on food sensitivities and food requirements. This tool relies on a database filled in with expert knowledge on both foods and packaging materials, and on queries between the various tables in the database, which is unique in this research field. For the specific case of strawberries, a model combining strawberry respiration and gas transfer through the packaging was used to determine target permeabilities for gases and water vapor. Based on these targets, the second objective of this thesis was to develop recommendations for the structure of multilayer cellulose materials. Recommendations were made to accurately characterize oxygen and water vapor transmission rates (respectively OTR and WVTR) of such structures, which are key properties for food packaging. Then, multiple grafted PVOH coated cardboard structures were characterized under standard conditions (23°C and 50% RH) to decipher the respective roles of coating weight and number of layers on the barrier properties obtained, as well as the impact of the coating process scale (laboratory vs. pilot), providing new insights on the structure/property relationship of these materials. Storage conditions (temperature and relative humidity) can vary throughout the packed food product supply chain, and processing steps (e.g. folding) are often needed to produce finished packaging. Their impact on both OTR and WVTR of materials and has shown a potential error in strawberry quality prediction when using barrier properties measured under standard conditions and on flat materials, if different from real conditions. Finally, a new model has been developed to assess food waste at the consumer level, for strawberries. The novelty of this model relies on the combination of a quality deterioration model with a diversity of consumer behaviors in terms of purchase, home storage management and consumption habits. The present multidisciplinary thesis proposes new tools and new knowledge for the most comprehensive eco-design of food packaging possible, going from material structure recommendations to meet food requirements, to the assessment of food losses and waste.