Éléments de base sur les transferts de matière
Dimensionnement des perméabilités des emballages alimentaires - Méthodes et outils

Considéré à tort comme un coût économique et environnemental supplémentaire plutôt que comme une valeur ajoutée pour la réduction des pertes et gaspillages alimentaires, l’emballage est pourtant un acteur clé pour améliorer la conservation, la qualité et la sûreté des aliments, et réduire ainsi les pertes alimentaires. Pour remplir cette fonction primordiale de sécurité et de sûreté alimentaires, le principal rôle attendu des matériaux d’emballage est le contrôle des transferts de matières entre l’aliment, l’espace intra-emballage et l’atmosphère extérieure. Ce rôle de contrôle et régulation des transferts de matière (par exemple des gaz tels que l’oxygène, des vapeurs telles que la vapeur d’eau) est le fondement de la mise en place de technologies de conditionnement tel que l’emballage sous atmosphère modifiée.

L’emballage sous atmosphère modifiée repose sur une modification de la composition gazeuse du volume entourant un produit alimentaire ; l’air est remplacé par un mélange de gaz favorable à la qualité du produit et à la prolongation de sa durée de conservation. L’emballage sous atmosphère modifiée peut être actif lorsqu’un mélange de gaz bien défini est directement injecté dans l’espace libre intra-emballage ou créé par l’utilisation d’absorbeurs (par exemple d’oxygène) ou d’émetteurs (par exemple de dioxyde de carbone ou d’éthanol) ou d’autres solutions d’emballage actifs. Il peut aussi être passif (ou d’équilibre) lorsque le produit crée lui-même l’atmosphère modifiée en raison de son métabolisme aérobie (par exemple cas des fruits et légumes frais qui respirent). Dans le premier cas, l’emballage aura pour rôle de limiter au maximum les transferts de gaz avec l’environnement pour conserver au mieux l’atmosphère protectrice autour du produit. Dans le deuxième cas, au contraire, des transferts régulés devront être mis en place via l’emballage et s’ajuster au mieux aux propriétés de respiration du produit pour obtenir l’atmosphère d’équilibre optimale pour celui-ci.

Hormis pour le verre ou le métal, les autres matériaux utilisés en emballage alimentaire (par exemple plastique, papier, carton) ne présentent pas une étanchéité totale aux gaz et vapeurs ; ils présentent certaines propriétés de transfert de matière aux gaz et vapeurs ou encore des perméabilités. On parle également de propriétés barrière ou performance barrière car dans beaucoup d’applications c’est un matériau barrière (donc avec une perméabilité faible) qui sera recherché. Par exemple, dans le cas des produits sensibles à l’oxydation conditionnés sous atmosphère inerte (en général, on remplace l’atmosphère terrestre initiale, contenant 21 % d’oxygène, par de l’azote), une très bonne propriété barrière à l’oxygène sera alors recherchée pour éviter au maximum la rentrée d’oxygène dans l’emballage en provenance de l’atmosphère environnante.

S’il est primordial de connaître les propriétés de transferts des matériaux d’emballage que l’on met en œuvre, il est tout aussi important de connaître les besoins de l’aliment en termes de protection contre les gaz et vapeurs environnantes pour permettre de choisir au mieux le matériau d’emballage adéquat. Par exemple, un produit céréalier croustillant devra être protégé de l’humidité environnante. Le choix du matériau d’emballage qui permettra de protéger ce produit croustillant tout au long de sa durée de vie et en toutes circonstances (par exemple en tenant compte des variations d’humidité ambiante pouvant exister) n’est pas trivial. Une première approche consiste à tester plusieurs matériaux d’emballage lors de tests de conservations. On perçoit très bien toutes les limites de cette approche lorsque la durée de vie du produit excède plusieurs mois avec le risque élevé de partir sur un panel de matériau pour ces tests qui ne correspondent pas du tout au besoin du produit. Une autre approche consiste à raisonner à partir du besoin de l’aliment ; par exemple le produit sec considéré pourra absorber une certaine quantité d’eau, mais jusqu’à une certaine limite au-delà de laquelle il perdra son croustillant. La connaissance de cette quantité d’eau maximale que peut absorber le produit est une donnée importante pour identifier la propriété barrière à la vapeur d’eau que devra avoir le matériau d’emballage à utiliser pour ce produit. Elle peut être obtenue par un calcul simple basé sur l’exploitation de la première loi de Fick. Un simple calcul aura, dans ce cas-là, permis de remonter à une perméabilité test qui pourra être validée expérimentalement.

L’objectif de ce chapitre est de recenser les outils possibles de calculs des perméabilités cibles pour un produit donné dans une optique de dimensionnement de l’emballage (dimensionnement s’entend au sens du choix d’une propriété fonctionnelle, ici la perméabilité). Les outils mathématiques seront abordés du plus simple au plus compliqué avec à chaque fois, des exemples illustrés de mise en œuvre et renvoi vers des simulateurs dans le cas de systèmes complexes.