Etude des transferts de masse de contaminants organiques dans les papiers et cartons pour le contact alimentaire

Mass transfer of organic contaminants supporting the safety of paper and board for food contact

• Auteur / Autrice : Lucas Biant
• Direction : Sandra Domenek, Olivier Vitrac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....) - Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Chagnon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tatiana Budtova, Mohamed Naceur Belgacem, Benjamin Teneul, Manon Le Gars
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tatiana Budtova, Mohamed Naceur Belgacem

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux d'emballage

Carton

Contamination

Mots clés libres

Analyse microscopique

Analyse chromatographique

Cellulose

Contamination

Emballages alimentaires

Recyclage

Cellulose

Chromatographic analysis

Contamination

Food packaging

Microscopic analysis

Recycling

Résumé

Les papiers et cartons (P&C) sont perçus comme une alternative souhaitable aux plastiques pour le contact alimentaire, car ils sont biosourcés, recyclables et recyclés. Cependant, la contamination, apportée par l'impression et le couchage des matériaux d'emballage, combinée à une efficacité de décontamination de la matière recyclée mal évaluée, a entrainé plusieurs alertes sanitaires. L'objectif de la thèse est d'analyser l'origine de l'hétérogénéité de la contamination et les mécanismes de transfert afin de proposer une solution qui limite ces transferts vers les aliments. Pour cela, des méthodes de micro-spectroscopie ont été développées pour observer la distribution de molécules modèles à l'échelle des fibres dans des matériaux de référence. Ces méthodes, en complément des techniques chromatographiques classiques, ont permis de caractériser différents niveaux de variabilité de la contamination dans des emballages commerciaux en fibres vierges et recyclées. Les travaux démontrent que la migration des contaminants est essentiellement due à la diffusion en phase gazeuse à travers les pores du matériau. Près de la surface, la faible résistance externe implique un transfert rapide, tandis qu'il est plus lent pour les molécules présentes sur les fibres internes et à l'intérieur des fibres de cellulose. Ces observations ont été quantifiées par une expérience de transfert par contact direct dans un empilement de ce papier de référence, permettant de calculer des coefficients de diffusion apparents qui pourront servir à prédire la migration de substances préoccupantes vers des aliments. Puisque la diffusion des contaminants a lieu principalement dans la phase gazeuse, la porosité du matériau et la taille des pores jouent un rôle primordial dans le transfert. C'est pourquoi un film de microfibrilles de cellulose (MFC), matériau cellulosique très dense et peu poreux, a été proposé comme barrière au transfert. Les films de MFC se sont révélés efficaces pour retarder la migration des substances évaluées au delà de 21 jours de transfert vers un aliment sec. Ces résultats complètent les connaissances actuelles pour mieux comprendre et gérer les risques de contamination liés aux emballages en P&C.

Paper and cardboard (P&C) are perceived as an economically and environmentally viable alternative to plastics for food contact applications due to their bio-based, recyclable, and recycled nature. However, contamination from printing and coating of packaging materials, combined with poorly evaluated decontamination efficiency of recycled fibers, has led to several health crisis. The aim of the thesis is to analyze the origin of contamination heterogeneity and the transfer mechanisms in order to propose a solution limiting these transfers to food. To achieve this, micro-spectroscopy methods were developed to observe the distribution of model molecules at the fibers' scale in reference cellulosic materials. These methods, in combination with conventional chromatographic techniques, allowed the characterization of different levels of contamination variability in commercial packaging made of virgin and recycled fibers. The research demonstrates that migration is primarily driven by gas-phase diffusion through the pores of papers. Near the surface, low external resistance results in fast transfer, while it is slower for molecules present within the inner fibers and inside the cellulose fibers. These observations were quantified by the results of a direct contact transfer experiment in a stack of this reference paper, enabling the calculation of apparent diffusion coefficients that could be used to predict the migration of concerning substances into food. Since contaminant diffusion essentially occurs in the gas phase, the material's porosity and pore size play a crucial role in the transfer. Therefore, a microfibrillated cellulose (MFC) film, a dense cellulosic material with very low porosity, was proposed as a transfer barrier. MFC films proved effective in delaying the migration of the evaluated substances for over 21 days of transfer into dry food. These findings complete existing knowledge to better understand and manage the contamination risks associated with P&C packaging.