Accueil Recherche | Plan Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base
logo CERIG NOTE TECHNIQUE cerig.efpg.inpg.fr 
Vous êtes ici : Accueil > Technique > Transformation, emballage, étiquette > Papiers et emballages intelligents et actifs           Révision : 13 mars 2009
Papiers et emballages intelligents et actifs

Julien Bras
(Mars 2009)
Article paru sous le titre "Un papier intelligent pour des emballages intelligents"
dans Emballages Magazine, 15 septembre 2008, n°895
Note précédenteListe des notesNote suivante

Souvent mélangés ou confondus, papier et emballage intelligents sont différents. Si aucune norme n’existe pour le premier, le deuxième a fait l’objet de différentes réglementations au niveau européen depuis 2004. Il est donc important d’apporter quelques précisions et de discuter des perspectives industrielles envisageables pour ces matériaux.

I - Papiers intelligents et actifs

I-1 - Définitions

Voir aussi :

Dans les années 2006-2008, le terme "intelligent" a fréquemment été utilisé pour décrire les papiers, parfois malheureusement à mauvais escient.

Revenons rapidement sur les définitions existantes.
D’après le Dictionnaire de l’Académie Française, "intelligent" signifie "Qui est pourvu de la faculté de comprendre, de concevoir, de connaître".

Une définition plus technique existe dans le Grand Dictionnaire Terminologique et considère qu’est intelligent tout dispositif ou tout objet "qui possède les ressources électroniques ou informatiques nécessaires pour traiter, de manière autonome, des données recueillies ou reçues, et pour pouvoir utiliser l'information afin de commander des actions".

Au vu de ces éléments, distinguons maintenant les deux types de papier :

    Papier intelligent : il communique de manière autonome, possède les ressources électroniques pour comprendre des données extérieures et lancer une action adéquate.
  Papier actif : il réagit et modifie ses propriétés en fonction de données extérieures, sans apport d’électronique.

I-2 - Papier actif

L'un des plus anciens papiers actifs est le papier pH qui change de couleur en fonction de l’acidité de la solution [Figure 1].

Aujourd’hui, il y a un fort développement des papiers actifs permettant d’améliorer la traçabilité des emballages alimentaires et notamment le suivi du respect de la chaîne du froid. Avec la mondialisation de l’économie et la libéralisation des transports de produits alimentaires, les ruptures de la chaîne du froid sont de plus en plus courantes : en témoignent les nombreuses intoxications ou infections collectives de ces dernières années.

Plusieurs papiers spéciaux ont donc été mis au point dans le secteur agroalimentaire, notamment les Indicateurs Temps-Température (ITT).
Parmi eux, citons les papiers avec les encres thermochromes ou thermochromiques : ces dernières ont la particularité d'avoir une couleur variable de façon réversible ou irréversible en fonction de la température [Figure 2]. Elles ont été développées dans les années 1970 par les Japonais. Depuis une quinzaine d'années, elles sont commercialisées surtout aux États-Unis. En France, les applications sont plus récentes. Parmi les plus connues, il y a l’indicateur de fraîcheur sur les bouteilles de bières.

Papier pH Encre thermochromique indiquant la fraicheur du produit
     
Figure 1 - Papier pH   Figure 2 - Encre thermochromique indiquant la fraicheur du produit
 

Le principe actif de ces encres est soit un cristal liquide, soit un leucodérivé. Les encres basées sur les cristaux liquides sont sensibles à de très petites variations de température mais elles sont coûteuses et difficiles à fabriquer (utilisation en thermométrie). Les encres thermochromiques utilisent généralement des leucodérivés dont le changement complet de couleur requiert une variation de trois degrés ou plus. Les changements d’une couleur à une autre se font généralement sur le même principe que le papier thermique avec les leucocolorants encapsulés par des polymères thermosensibles. Il existe de nombreuses encres thermochromiques qui peuvent changer de couleur dans une plage de température allant de -25°C à 66°C. Des films de protection sont aussi déposés pour filtrer certaines longueurs d’ondes afin de permettre l’utilisation de ces encres sur des emballages exposés à la lumière du jour. Ayant la propriété de s'activer à partir de certaines températures, il est nécessaire de les stocker à très basse température (environ -20°C). L’expédition de ces indicateurs est contraignante car elle doit être effectuée à basse température dans des emballages isolants.

Outres ces encres réactives, le développement depuis les années 1990 de la microencapsulation a fortement favorisé de nouvelles applications pour les papiers :

    Papier bioactif : il détecte ou détruit les agents pathogènes et fait l'objet de recherches dans le projet canadien SENTINEL.
  Papier autoadhésif :il a fait l'objet de recherches au Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2) à Grenoble INP-Pagora (Thèse de Johanne Empereur sur la conception de nouveaux papiers autoadhésifs sans papier siliconé).
  Papier utilisé dans les emballages actifs présentés plus loin.

I-3 - Papier intelligent

Le papier intelligent doit permettre une communication grâce à l’électronique.

Il a vu le jour avec l’apparition de l'étiquette RFID (Radio Frequency IDentification). Cette étiquette est aussi appelée étiquette intelligente, étiquette à puce, tag ou encore transpondeur. Sur un plan conceptuel, la RFID et le codage à barres sont tout à fait semblables.
La principale différence entre ces deux technologies est que le code à barres se lit avec un laser optique tandis que le lecteur RFID balaye ou interroge une étiquette en utilisant des signaux de fréquence radio. Il existe des étiquettes passives ayant un rôle très similaire aux codes barres et des étiquettes actives qui permettent d’enregistrer davantage d’informations. Ainsi, un emballage pourrait nous informer sur sa provenance et son parcours. Via notre téléphone, nous pourrions vérifier sa traçabilité. Des recherches en cours visent même à établir un système similaire permettant de détecter les variations de la chaîne du froid et d'en informer le client.
Il s'agit là véritablement de passer de la distribution de masse à la distribution globale individualisée.

Parmi les exemples les plus avancés aujourd’hui figure un papier spécial finlandais déjà présent sur le marché depuis 2005. Il permet une lecture tridimensionnelle d’un journal ou d’un magazine. En filmant avec un téléphone portable l’étiquette RFID, via le WAP, il est possible d’approfondir le contenu relatif à la page en question. “Il faut mettre son portable en connection WAP, taper un numéro permettant de charger le programme et diriger la caméra du portable sur le code de la page lue. Le téléphone charge alors les pages Internet en rapport avec la page-papier” explique Helena Porko de UPC Print (Vaasa, Finlande), la seule imprimerie commercialisant actuellement ce papier intelligent. Le téléchargement des pages Internet fournit au lecteur un contenu supplémentaire sur l’article : publicités, informations, offres spéciales...
Ainsi nous pouvons imaginer suivre les cours de la Bourse en temps réel grâce à une rubrique boursière intelligente à l'instar de Kauppalehti, le grand quotidien économique d’Helsinki, ou obtenir des photos pour préparer un voyage ou encore se procurer l’itinéraire pour aller dans les magasins décrits dans des publicités. Cette technologie est en plein développement et certaines entreprises papetières, comme UPM Kymmene, veulent être rapidement reconnue comme leaders sur ce marché.

Le domaine des papiers intelligents est en plein essor : chaque mois apparaissent de nouveaux congrès, laboratoires, projets ou entreprises. Il suscite la rencontre entre papetiers, imprimeurs et électroniciens : il est alors source d'idées novatrices comme le papier conducteur. Il s’agit d’un papier intelligent particulier. Le professeur Magnus Berggren, qui enseigne l'électronique organique à l’Université de Linköping (Suède), l'affirme : "À l’heure actuelle, l’électronique est une boîte, un téléphone portable ou un ordinateur. Mais bientôt, l’électronique pourra se fixer sur des surfaces souples comme le papier et le tissu". Ainsi, il est possible d’envisager un écran de télévision en papier, une affiche papier clignotante, une interaction complète entre le papier journal et son lecteur, etc.

Depuis quelques années, l’industrie des semi-conducteurs s’intéresse aux polymères organiques conducteurs. De nombreuses perspectives d’application font de l’électronique organique un champ de recherche important. Ses avantages majeurs sont le coût et la facilité de fabrication. En effet, à côté de la technique classique d’évaporation sous vide, il existe aujourd’hui des polymères solubles, ce qui permet d'utiliser certains procédés d’impression pour le dépôt de la couche de polymères. Des techniques issues du procédé d'impression jet d’encre, de la lithographie offset ou du stamping, technique proche du procédé flexographique, sont d’ailleurs à l’étude.
De nombreux articles scientifiques soulignent le potentiel des procédés d’impression pour diminuer les coûts de production des écrans et circuits électroniques. La principale contrainte réside dans l’obtention du dépôt le plus précis et le plus uniforme possible. Il est en effet primordial pour le bon fonctionnement des composants d’avoir une haute homogénéité de la conductivité du matériau. Les procédés d'impression présentent un intérêt essentiel : leur potentiel de production élevé. Les temps de production des presses d'impression pour absorber la production annuelle de l'usine de plaquettes de Silicium se situent entre 35 minutes et environ 12 heures.

L’introduction de ces nouveaux matériaux émissifs très lumineux, flexibles et légers offre l’opportunité de développer de nouveaux produits : écran souple, papier luminescent. Les couches actives et leur support flexible sont si légers que le poids d’un écran d’ordinateur pourrait, en théorie, être réduit à une centaine de grammes. Pour le moment, l’écran le plus grand mesure 12,5 cm de diagonale. Notons cependant que la dégradation de ces dispositifs organiques est particulièrement problématique. Des études sont menées pour résoudre ces problèmes de stabilité, ce qui donne un délai supplémentaire aux secteurs de l'imprimerie et de la papeterie pour trouver des moyens techniques et des supports adaptés à la fabrication de ces écrans souples, transistors et systèmes RFID.

Même si le chemin qui reste à parcourir est plus long que certains le pensent, ces données et l’effervescence existant autour de ces projets scientifiques nous permettent de croire que nous sommes face aux papiers intelligents du XXIe siècle.

II - Emballages actifs et intelligents

Le rôle initial de l'emballage est de contenir, transporter, stocker et protéger le produit. Toutefois, aujourd'hui, le consommateur demande de plus en plus de fonctionnalités : durée de vie plus longue du produit emballé, traçabilité, caractère anti-microbien ou encore auto-réparant, communication,… C’est pourquoi les emballages intelligents et actifs suscitent beaucoup d’attention ces dernières années [Vermeiren et al 1999].

II-1 - Définitions

Contrairement au papier intelligent, ce domaine est déjà normé [DeJong, 2005; DeKruijf, 2002] grâce aux travaux du projet européen Actipak (Fair project CT98-4170). Ce dernier a abouti en octobre 2004 à la publication de la réglementation européenne n°1935/2004/EC sur les matériaux à contact alimentaire, valable immédiatement dans tous les états membres de l’Europe. Elle définit les emballages actifs et intelligents :

    Emballage actif : il change les conditions du produit emballé afin d'améliorer sa durée de vie et sa sûreté tout en maintenant la qualité. Ex : absorbeur (O2, humidité,…), système antimicrobien.
  Emballage intelligent : il contrôle les conditions de conservation pour donner des informations sur la qualité de l’aliment emballé durant le transport et le stockage. Ex : indicateur temps-température (ITT), indicateur de fuites, indicateur de fraîcheur.

Le papier intelligent peut être utilisé dans l’emballage intelligent. Toutefois, l’emballage intelligent ou actif peut être constitué de différents matériaux.
Tous les emballages actifs et intelligents sont soumis aux réglementations préexistantes et doivent être évalués par l’Autorité européenne de sécurité des aliments (European Food Safety Authority (EFSA)).

II-2 - Emballage actif

Depuis les années 1990, le développement de la microencapsulation a favorisé l’essor des emballages actifs. Il est maintenant possible d’encapsuler des absorbeurs d’oxygène (acide ascorbique) ou de dioxyde de carbone, des absorbeurs d’humidité (CaO2), des arômes (papier répulsif), des bactéricides (emballage antibactérien avec le triclosan), etc.
Les dernières recherches montrent l’apparition de nouveaux systèmes avec relargage contrôlé. Ainsi, le système BioSwitch de TNO (the Netherlands Organisation for Applied Scientific Research) a un rôle antibactérien uniquement s’il y a des bactéries : ces dernières mangent le matériau constituant la capsule, cela libère le produit antimicrobien qui provoque leur élimination comme le montre la figure 3 ci-dessous.

Schéma d'un emballage 
   actif antimicrobien selon Thijssen [et a], 2004
Figure 3 - Schéma d'un emballage actif antimicrobien selon Thijssen [et a], 2004

Les systèmes industriels des emballages actifs restent principalement les absorbeurs en sachet (sel, poudre), notamment les absorbeurs d’oxygène. En effet, l'oxygène provoque de nombreuses détériorations alimentaires liées aux oxydations – produit rance, changement de couleur de la viande, odeur du poisson, etc. – et son élimination permet d’augmenter la durée de vie des aliments.

Des absorbeurs d’humidité (à base de sel ou de gel) pour les aliments secs ou des absorbeurs d’éthylène (comme le KMnO4) sont aussi utilisés ou en cours de développement.

Dans tous les cas, il faut maîtriser les propriétés barrières des matériaux d’emballages. Cette problématique est particulièrement d’actualité chez les papetiers. Le conditionnement sous atmosphère modifiée ou (MAP (Modified-Atmosphere Packaging)) fait partie de ces emballages actifs : il consiste à maintenir une atmosphère particulière en O2 et CO2 à l’intérieur de l’emballage ce qui limite la détérioration de l’aliment. Encore un bon exemple de l’utilité de nouveaux matériaux avec des propriétés barrières contrôlées.

II-3 - Emballage intelligent

Considérant la définition établie par la norme – "emballage qui contrôle, mesure les conditions interne et externe d’un produit durant son cycle de vie" –, il faut distinguer deux types d’emballage intelligent : l’un mesure directement la qualité de l’aliment (intérieur de l’emballage : aliment ou espace de tête) et l’autre vérifie les spécificités du conditionnement (extérieur de l’emballage : chaîne du froid).

Parmi les principaux emballages intelligents, il y a les emballages qui utilisent les Indicateurs Temps-Température (ITT) permettant de détecter si la chaîne du froid a bien été respectée.
Il existe aussi des systèmes de détection de la maturité ou de la fraîcheur du produit emballé. Ils utilisent des papiers imprimés avec des encres qui réagissent avec des molécules chimiques de l’environnement comme les arômes, l’éthylène ou l’oxygène. En Nouvelle-Zélande, le groupe Jenkins et l'institut HortResearch ont mis au point ripeSense®, une étiquette qui indique le degré de maturité du fruit au consommateur. Les molécules libérées par le fruit lors de sa maturité font changer l’étiquette de couleur, même lors d’un stockage au réfrigérateur. Elle vire du rouge, à l'orange et au jaune selon qu'un fruit est croquant, ferme ou juteux.
Presque tous ces systèmes de détection de maturation en sont à l’étape de développement dans les universités ou dans les entreprises innovantes. Un autre exemple de ce type d’indicateur est celui élaboré pour l’emballage du poisson et basé sur la détection de la triméthyl amine formée par les bactéries.

Étiquette intelligente indiquant le degré de maturité des fruits
Figure 4 - Étiquette intelligente
indiquant le degré
de maturité des fruits
Source : ripeSense® de Jenkins

De la même façon, un chercheur britannique vient de mettre au point une encre sensible aux variations de l’oxygène qui permet de détecter des fuites. La couleur de l’indicateur passe du transparent au bleu si l’oxygène a pénétré à l’intérieur de l’emballage. D’autres indicateurs de fuites de gaz de type CO2 ou O2 existent, tous étant liés à une réaction chimique ou enzymatique. Ils doivent être en contact avec l’environnement gazeux interne voire avec l’aliment.
Le TNO (the Netherlands Organisation for Applied Scientific Research) a récemment développé une technique de détection basé sur la technologie de fluorescence et mise sur le marché par OxySense. Ces détecteurs d’oxygène (pour emballage intelligent) servent aussi à vérifier l’efficacité des absorbeurs d’oxygène (des emballages actifs).

Des détecteurs de toxines ont aussi fait l'objet de recherches. Cependant, le problème principal est que ces micro-organismes pathogènes existent généralement dans ou sur l’aliment à très faible concentration et ne sont pas distribués de façon homogène. Ceci est toutefois suffisant pour être dangereux dans certains cas. C'est pourquoi le détecteur doit être très sensible et complètement en contact avec l’aliment. La disponibilité de ces systèmes de détection paraît donc peu probable dans un futur proche contrairement aux autres indicateurs en général déjà fabriqués industriellement.

III - Conclusion

Il est urgent de se familiariser et de comprendre ce nouveau vocabulaire afin d’en faire bon usage. L’utilisation de l'adjectif "intelligent" (smart) pour toute application innovante peut rapidement conduire au même problème que celui rencontré dans les bio-emballages où les notions "biodégradable", "biocompostable" et "biofragmentable" se sont mélangées et ont créé le doute chez les industriels et les consommateurs.

C’est pourquoi, le domaine de l’emballage a pris les devants. Si tout le monde suit la réglementation européenne, un avenir prometteur est prédit pour ces emballages actifs et intelligents. En effet, ils correspondent parfaitement aux stratégies de sécurité alimentaire et de transparence adoptées aujourd'hui vis-à-vis des consommateurs. Néanmoins, pour leur expansion, plusieurs facteurs doivent être considérés : adapter et mettre en adéquation les législations européennes et américaines, développer la confiance des consommateurs, résoudre les problèmes techniques (notamment le contact des détecteurs avec l’aliment) et bien sûr, diminuer les coûts de ces solutions.

Le développement de cette nouvelle génération de papiers et d'emballages semble assuré grâce à la mise au point de nouveaux procédés (microencapsulation, greffage chimique, dépôt couche par couche, couchage en cascade) ou à la demande continue des consommateurs qui souhaitent plus de fonctionnalités.
Les emballages ont déjà un peu d’avance en termes de normalisation et d'industrialisation. Ils ont toutefois besoin de nouveaux matériaux. Parmi les pistes les plus prometteuses, les papiers intelligents et actifs, incontournables, mobilisent l’essentiel des recherches sur les papiers spécifiques et suscitent beaucoup d’espoir.

Le papier, loin de disparaître, devient de plus en plus technique…

IV - Bibliographie

[1] CHAUSSY Didier. Polymères organiques conducteurs : applications des procédés papetiers et d’impression. Grenoble : Cerig, 2007.

[2] DE JONG A.R., BOUMANS H., SLAGHEK T., VAN VEEN J., RIJK R., VAN ZANDVOORT M. Active and intelligent packaging for food: is it the future? Food Additives and Contaminants, 2005, n°22, p.975-979.

[3] DE KRUIJF N., VAN BEEST M., RIJK R., SIPILAÏNEN T, PASEIRO P., DE MEULENAER B. Active and intelligent packaging : applications and regulatory aspects. Food Additives and Contaminants, 2002, n°19, p.144-162.

[4] THIJSSEN H.M.W.M., MONTIJN R.C., TIMMERMANS J.W. Inducible release vehicles. Brevet n°WO2004105485, 2004.

[5] VERMEIREN L., DEVLIEGHERE F., VAN BEEST M., DE KRUIJF N., DEBEVERE J. Developments in the active packaging of food. Trends in food science & technology, 1999, n°10 , p.77-86.

[6]NGUYEN Vy, SERRE Nicolas. Emballage intelligent : traçabilité et état d'un produit alimentaire. Grenoble : Cerig, 2005.

 
Note précédente Note suivante
Note précédente Liste des notes Page technique  Note suivante
 
Accueil | Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base
 
Copyright © Cerig/Pagora 1996-2009
Mise en page : A. Pandolfi