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Transferts de matières, de quoi s'agit-il ?


La migration des molécules de masses élevées (de 200 à 2000 g/mol) n’est possible qu’après un contact prolongé (typiquement de plusieurs heures à plusieurs jours à température ambiante) entre l’emballage et l’aliment.


Principaux transferts au sein d’un aliment emballé et interactions avec l’ambiance de stockage. (Vitrac et Joly, 2008)

Durant le contact des deux milieux, les principaux transferts sont de types : sorption/désorption, diffusion, convection

Le niveau de contamination dépend de la surface de contact, de la qualité du contact entre l’emballage et l’aliment et du temps de contact. La migration est généralement plus élevée dans le cas d’un aliment liquide et est favorisée par le pouvoir mouillant de l’aliment (ex. liquide gras). Dans les cas d’une forte affinité de l’aliment pour l’emballage, une sorption partielle de ses constituants (ex. matières grasses, pigments, arômes…) peut être identifiée. Elle peut entraîner une modification des propriétés physico-chimiques du polymère et favoriser la désorption des substances par l’emballage. En effet, selon les quantités absorbées, le polymère peut être gonflé et plastifié, et ainsi perdre ses propriétés de barrière.


Quels sont les facteurs physico-chimiques affectant les transferts de matières ?


La contamination des aliments par les substances des emballages met en jeu la diffusion dans le matériau d’emballage caractérisée par un coefficient de diffusion D (m²/s) et le partage des substances entre l’emballage et l'aliment représenté par un coefficient de partage K.

Le graphique ci-dessous illustre le profil de concentration d’un contaminant dans l’aliment au cours du temps. La concentration du migrant augmente selon une certaine vitesse dans la première phase décrite par le coefficient de diffusion D et la deuxième phase est l’équilibre du contaminant entre deux milieux déterminée par le coefficient de partage K.


Le coefficient de diffusion D
Le mécanisme de dispersion moléculaire du fait de la seule agitation brownienne des molécules est appelé diffusion moléculaire. Ce mécanisme est le processus responsable des mouvements de matière d’un compartiment d’un système vers un autre compartiment. La diffusion dépend de la température, de la pression et de la taille des particules. La première loi de Fick postule que la densité de flux de matière, J(x) est proportionnelle au gradient de concentration (équation 1) :

Di,P est le coefficient de diffusion moléculaire. En remarquant que chaque molécule est animée d’un mouvement propre et aléatoire du fait de l’agitation brownienne, le flux net J(x) résulte de la marche au hasard (sans direction privilégiée) des molécules à partir d’une distribution initiale non uniforme. Pour des molécules dispersées dans un réseau de chaînes longues, la transition des molécules requiert des mouvements coopératifs des segments du polymère. Ainsi, seule une fraction des déplacements des atomes du diffusant conduit à une translation du centre de gravité sur les longues échelles de temps.


Le coefficient de partage K
L’équilibre thermodynamique est atteint lorsque le flux de molécules i qui migrent de l’emballage P vers l’aliment F est égal au flux de molécules i qui migrent de F vers P. Le coefficient de partage Ki,F/P est défini à partir des concentrations volumiques à l’équilibre Ceqi,F/P dans F et P (équation 2) :

Par ailleurs, le bilan de matière à l’équilibre s’écrit (équation 3) :

LF/P = VF/VP est le coefficient de diffusion de dilution volumique (VF et VP sont les volumes respectifs de F et P mis en contact), C0i,P est la concentration initiale de i dans P, supposée homogène.
La combinaison des équations 2 et 3 permet d’exprimer Ceqi,F en fonction de C0i,P (équation 4) :

Dans le cadre de l’évaluation de la contamination d’un aliment par un migrant, l’équation 4 est utilisée pour calculer le risque maximum de contamination. Connaissant la quantité de substance initialement présente dans le matériau, elle permet de calculer la quantité maximale de cette même substance pouvant migrer dans l’aliment.
A l’inverse, il est possible de calculer une concentration maximale autorisée dans le polymère, Cmax,0i,P , si l’on veut être sûr de ne pas dépasser un seuil de migration (une LMS par exemple) donné par Cmax,eqi,F  (équation 5) :


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