Emballage inteligent et RFID

 Emballage intelligent et RFID

 1- Le contexte

 1.1 Contexte règlementaire

Depuis l’abrogation des directives 89/109 de la CEE par le règlement cadre CE1935/2004 (et CE450/2009), les matériaux et objets qui entrent au contact des aliments ne sont plus uniquement considérés comme des éléments inertes et leurs interactions avec l’aliment lui-même et/ou son
environnement sont désormais prises en compte dans un cadre règlementaire. En considérant un système multi-compartiments « environnement / emballage / espace de tête / aliment », on peut définir
les interactions comme étant :

• a) Des phénomènes physiques, dits de transport, tels que la perméation, la (dé)sorption et la diffusion de molécules (solutés ou volatiles) vers/dans les différents compartiments,
  et/ou,

• b) Des mécanismes réactionnels, à savoir, des cinétiques chimiques ou biologiques qui ont lieu entre une(les) molécule(s) (solutés ou volatiles) d’un compartiment et celle(s) d’un autre compartiment.

Précisons que les composés qui transfèrent vers/dans les aliments ne doivent pas s’y retrouver en quantité qui pourrait nuire à la santé des consommateurs, ni modifier leur composition de façon inacceptable en terme de perception organoleptique, notamment dans la perspective de tromper les consommateurs. Ainsi, au-delà des fonctions traditionnelles de l’emballage qui sont de garantir la quantité nominale du produit emballé, protéger les denrées des contaminations extérieures, et véhiculer
les informations légales (voire publicitaires), on voit émerger de nouvelles fonctionnalités en matière :

• D’usage avec des emballages mieux adaptés aux modes de vie actuels, par exemple le portionnable ou la cuisson / le réchauffage directement dans l’emballage, pratique pour les consommations nomades et hors-foyer - les emballages entrant dans cette catégorie sont dits de nouveaux services ;

• De stabilisation des denrées avec des technologies mieux adaptées aux besoins des aliments comme les emballages sous atmosphère protectrice (ou modifiée) ou encore les emballages antimicrobiens qui permettent de retarder les phénomènes de dégradation des aliments et ainsi prolonger leur durée de vie - les emballages entrant dans cette catégorie sont dits actifs ;

• De communication sur l’état des denrées par le biais de dispositifs capables de révéler une information (e.g. de manière visuelle par un changement de couleur ou par le biais d’un dispositif de lecture comme un lecteur optique) sur les conditions de conservation du produit emballé (e.g. non-respect de la chaîne du froid) ou l’état de fraîcheur du produit lui-même dans son emballage (e.g. libération d’amines volatiles lors de la dégradation des poissons frais), et donc sur sa consommation - les emballages entrant dans cette catégorie sont dits intelligents ou indicateurs.

 1.2 Enjeu sociétal

Les dates de péremption mentionnées sur les emballages alimentaires permettent de garantir la sécurité du consommateur - cas de la DLC (Date limite de consommation, « A consommer jusqu’au… ») au-delà de laquelle l’aliment ne doit pas être consommé car préjudiciable à la santé du
consommateur - et contribuent à la réduction du gaspillage alimentaire — cas de la DDM (Date de durabilité minimale, « A consommer de préférence avant le/avant fin … ») au-delà de laquelle l’aliment peut perdre ses qualités organoleptiques sans pour autant représenter un risque pour la santé du consommateur.

Cependant ces dates ne sont pas liées à la réalité de l’historique et/ou de l’état du produit emballé, puisque estimées au préalable au cours de tests de vieillissement et selon un scénario plus ou moins arbitraire, légiféré ou non (charge microbienne des matières premières, microbiologie prévisionnelle, marge de sécurité prenant en compte, par exemple, un dépassement de température sur une certaine durée, etc.). Ainsi il est possible qu’un aliment emballé soit jeté sans même avoir été consommé alors qu’il ne présente aucun danger pour le consommateur et que ses qualités organoleptiques sont encore optimales. A l’inverse, il se peut qu’au cours de sa distribution, les conditions de stockage n’aient pas été respectées au point que sa durée de vie réelle devienne inférieure à sa durée de vie estimée (i.e. date de péremption), représentant un risque réel pour la santé du consommateur.

En plus de cette possible dérive « durée de vie réelle / durée de vie estimée », et malgré un changement de nom de la DLUO (Date limite d’utilisation optimale) pour la DDM, la plupart des consommateurs méconnaisse la distinction entre les différentes dates de péremption. L’enquête européenne Flash Eurobarometer 425, publiée en octobre 2015, pointe du doigt ce fait : 40% des européens comprennent ce qu’est la DLC et 47% la DDM. De nombreux produits présentant une DDM sont ainsi non consommés et jetés, ce qui contribue à la masse importante de déchets alimentaires générés par les foyers européens, à savoir 53% soit 47 +/- 4 millions de tonnes (publié en 2016 dans le cadre du projet européen FUSION, FP7 n°311972, intitulé « Food waste quantification manual to monitor food waste amounts and progression »).

Dans le contexte actuel de réduction des pertes alimentaires (tout en assurant la sécurité du consommateur), les emballages intelligents représentent une innovation adaptée à une meilleure gestion de la distribution et du stockage des denrées alimentaires emballés.

 2. Élaboration des emballages intelligents

Qu’ils indiquent une perte d’intégrité de l’emballage, le stade de maturité d’un fruit emballé, ou encore la présence d’un micro-organisme pathogène, les matériaux et objets intelligents doivent révéler des informations liées à l’évolution de l’aliment emballé, c’est à dire des modifications physico-chimiques ou biologiques induites par l’apparition (ou la disparition) de marqueurs (également appelés analytes ou stimuli).

Schéma montrant les éléments importants à prendre en compte lors de l’élaboration de matériaux ou objets intelligents : de la fonctionnalité recherchée au dispositif de lecture envisagé pour révéler l’information. n correspond au nano-élément qui peuvent se trouver sous forme de feuillets, tubes, ou encore sphères. Ce schéma est adapté d’un chapitre paru en 2017 (Gontard et al.)

La Figure ci dessous synthétise les différents éléments à prendre en compte lors de l’élaboration d’un système intelligent, de façon à répondre au mieux à la fonctionnalité exigée comme par exemple informer sur l’intégrité de l’emballage, la sécurité ou la qualité de l’aliment emballé. Pour cela, il est important d’identifier les marqueurs à suivre tout au long de la durée de vie de l’aliment emballé. Ces derniers peuvent être lié à l’environnement de l’aliment comme par exemple le temps d’exposition à une certaine température (temps/température), ou encore l’atmosphère modifiée (teneurs en gaz dans l’espace de tête) ; mais aussi à l’aliment lui-même au cours de son évolution. Dans ce cadre, l’évolution peut être positive comme la production d’éthylène et d’arômes caractéristiques (molécules volatiles) par les fruits climactériques qui entrent en maturation, ou négative comme la prolifération d’agents pathogènes (contaminants biologiques).

 3. Classification des emballages intelligents

On peut classer les emballages intelligents en deux grandes catégories selon qu’ils réagissent à une évolution du produit emballé lui-même ou à une modification de son environnement : respectivement les indicateurs directs ou indirects de la qualité des aliments.

Classification des emballages intelligents en fonction de l’information à révéler.

 3.1 Indicateurs indirects de la qualité des produits emballés

Mais, sur le marché aujourd’hui, ce sont les indicateurs temps-températures qui prédominent.

Leur efficacité repose sur une cinétique réactionnelle, cohérente avec l’application visée. En d’autres termes, l’effet de la température sur cette cinétique doit être équivalent à l’effet de la température sur la
dégradation du produit emballé, et l’échelle de temps de cette cinétique doit correspondre à l‘échelle de temps de la dégradation de l’aliment emballé. La plupart de ces indicateurs s’appuient sur une modification de couleur, perceptible à l’œil. Les réactions mises en jeu sont très variées et des exemples commerciaux sont illustrés dans la Figure suivante :

Illustrations de divers indicateurs temps-température colorés

CheckPoint® discuté plus haut repose sur une hydrolyse enzymatique, TopCryo de Traceo-Cryolog sur la croissance de micro-organismes (choisis en fonction de l’aliment ciblé) sur un substrat qui modifie le pH du milieu et entraîne un changement de couleur, Fresh-Check® de Temptime Corp. sur la polymérisation de monomères de diacétylène (polymère coloré), ou encore sur la migration d’esters colorés en bleu (butylstéarate, diméthylphtalate, etc.) sur un buvard dont le temps d’écoulement est fonction de la température (par rapport à la température de fusion de l’ester choisi) et du temps avec MonitorMarkTM de 3M.

  3.2 Indicateurs directs de la qualité des produits emballés

Moins présents sur le marché que les indicateurs précédents, mais particulièrement intéressants dans la réduction du gaspillage alimentaires, les indicateurs directs (ou indicateurs de fraîcheur) reflètent l’état du produit emballé lui-même. Les indicateurs microbiologiques sont conçus pour révéler la présence (au-delà d’une valeur seuil, définie par la règlementation) de micro-organismes, notamment ceux qui présentent un risque pour le consommateur (flore pathogène). On peut rapprocher
l’information que véhicule ces derniers de la DLC. L’exemple du Food sentinel system, sus-cité, repose sur une détection très spécifique d’antigènes propres à une espèce ou une variété donnée de microorganisme pathogène, au même titre que le Toxin GuardTM de Toxin Alert (utilisé par l’armée américaine) ; les deux sont des étiquettes à codes barre dont la lecture est rendue impossible en cas de contamination.

Mais il existe des systèmes moins spécifiques reposants sur la détection de métabolites, volatiles en particuliers, pouvant être produits par les microorganismes tels que la putrescine dans les viandes, l’éthanol dans les jus de fruits, la triméthylamine (TMA) caractéristique de l’odeur de dégradation des poissons tous produits par les flores d’altération (Jay et al., 2005), comme ce qui est proposé par Food quality sensor international Inc. avec le SensorQ adapté aux produits carnés. Ce dernier réagit aux
amines volatiles produites par les microorganismes qui modifient le pH de l’étiquette sur laquelle se trouvent des anthocyanes (dont la couleur est affectée par le pH du milieu). Pour ces derniers systèmes, on retombe dans de nombreux cas, comme pour les indicateurs temps-température, sur des codes couleur dont les changements sont visibles à l’oeil. Toujours dans le cadre de la sécurité des consommateurs, il est tout à fait possible de développer des technologies similaires pour la détection d’allergènes.

La deuxième catégorie d’indicateurs directs se rapproche de la DDM et informe le consommateur sur la qualité organoleptique du produit emballé. Le dispositif qui illustre le mieux les indicateurs organoleptiques et le plus largement cité est le RipesenseTM de Jenkins Group. Cet indicateur détecte la production d’arômes spécifiques d’un fruit donné en cours de maturation, et transmet l’information à travers une pastille dont la couleur indique le stade de maturité de l’aliment. Un dispositif similaire fait
l’objet d’un dépôt de brevet (Brevet US20060127543A1 publié en 2006 « Non-invasive colorimetric ripeness indicator »). Il repose quant à lui sur la détection de l’éthylène, une hormone de croissance dont la concentration est directement liée au degré de maturité des fruits dits climactériques, avec un seuil de détection relativement bas (< 0.1 ppm). La filière fruits et légumes présente un intérêt particulier pour le développement de ce type d’indicateur.

En effet, ce sont des produits hautement périssables qui, lorsqu’ils sont touchés par les consommateurs, peuvent être contaminés ou abîmés tout simplement par action mécanique. La protection que représente l’emballage permet d’éviter ces altérations et l’indicateur permet aux
consommateurs de choisir le produit au stade de maturité souhaité. Bien entendu, il est tout à fait possible de développer ce type d’indicateur dans d’autres filières, même si peu de produits commerciaux existent aujourd’hui.

 4. Les étiquettes RFID intelligentes

Les étiquettes RFID, pour Radio Frequency IDentification (Identification radio fréquence), transportent des informations pouvant être lues par des ondes électromagnétiques et sont des éléments qui entrent dans la traçabilité. Plus la fréquence de lecture est élevée et plus la distance de lecture peut être importante, de 20cm en basses fréquences et jusqu’à 15m les étiquettes servent à l’identification animale (basses fréquences, LF, entre 125 et 134 kHz), aux cartes d’accès (hautes fréquences, HF, à
13.56 MHz), ou encore à la gestion des stocks (ultra hautes fréquences UHF, entre 860 et 960 MHz).

Ces étiquettes sont constituées d’une antenne pour l’émission et la réception des ondes, d’une puce qui contient les données, et qui existe en mode lecture ou en mode lecture/écriture, et d’un code produit électronique (EPC), enregistré dans la puce, qui, à l’instar du code barre, permet l’identification du produit selon le protocole EPC développé par EPC Global et Auto-ID Laboratories (Xiao et al., 2007). Bien entendu, pour pouvoir lire les données de l’étiquette, il est nécessaire d’avoir un
lecteur pour émettre et recevoir les ondes électromagnétiques, et un ordinateur hôte qui intègre les données. Au-delà de ces standards, il existe trois catégories d’étiquettes RFID : passive, sans batterie
et télé-alimentée par un lecteur, semi-passive, avec batterie et activée par un lecteur (la batterie permet sauvegarder des informations et de les restituer au moment de la lecture), ou active, avec batterie et
capable d’émettre elle-même vers un lecteur à distance (la batterie permet d’enregistrer des informations et possède une énergie suffisante pour l’émission).

Les étiquettes RFID permettent aujourd’hui une gestion aisée (lecture de plusieurs lots à la fois, pas de positionnement particulier de l’étiquette par rapport au lecteur radiofréquence, sans fil) et affinée (plus d’informations enregistrées par rapport au code-barres, avec différents niveau de sécurité) des lots sur toute la chaîne de production et distribution, démontrée dans différents secteurs d’activité. Cependant, en agroalimentaire, l’utilisation de ces étiquettes est restreinte à l’identification de palette ou caisse, et se rencontre sur des produits emballés que s’ils présentent une forte valeur ajoutée (eg. Pata negra de
Campofrio). Le frein principal à l’extension de ces étiquettes RFID aux produits emballés reste son prix (environ 0.08$ pour 1 million d’étiquettes passives). Mais, étant donné l’ampleur du secteur agroalimentaire et les volumes concernés (mais aussi la faible valeur ajoutée de la plupart des
produits), les efforts se portent aujourd’hui sur la réduction des coûts de ces étiquettes (notamment via la réduction des matières premières et la miniaturisation des systèmes). Tout comme l’entreprise SIRA
Technologies a intégré la partie capteur à une étiquette code-barre, il est possible d’intégrer cette même partie aux étiquettes RFID, on parle alors de capteur-RFID. A l’image des indicateurs plus conventionnels, sur 15 étiquettes RFID intelligentes commerciales recensées par Ruhanen et al. (2008), nous avons comptabilisé 14 étiquettes entrant dans la catégorie des indicateurs temps/température dont seulement 5 indiquent aussi d’autres choses comme les variations d’humidité. Dans une revue
récente (Bibi et al., 2017a), nous avons dénombré 20 publications traitant de recherches sur les étiquettes intelligentes comme indicateurs de fuites ou organoleptiques dont 15 reposent sur l’utilisation de molécules pétrochimiques et/ou d’oxydes de métaux, 4 ne détaillent pas la partie capteur, et 1 seule mentionnent l’usage de bio-molécules (hydrogel) pour détecter la présence d’ammoniac et d’acide lactique par modification du pH et donc du potentiel électrique (Bhadra et al., 2015).

Dans la perspective de développer ces étiquettes RFID « intelligentes », notre parti pris est de privilégier les étiquettes passives UHF pour leur faible coût, leur taille (les étiquettes actives sont particulièrement imposantes pour être associées à des unités de vente et coûteuses), et l’usage de ressources finies limité par rapport aux deux autres types d’étiquettes qui nécessitent des batteries.
Pour la partie capteur, à proprement parler, nous avons choisis des biopolymères (issus de ressources naturelles et renouvelables). Dans le cadre du projet NextGenPack (2012-2015), un projet inter Carnot -
Fraunhofer (PICF) financé conjointement par l’ANR (Agence Nationale de la Recherche) pour l’institut Carnot 3BCAR (Bioénergies, biomolécules et matériaux biosourcés du carbone renouvelable), et le BMBF (Bundesministerium für Bildung & Forschung : ministère fédéral de l’éducation et de la recherche) pour le Fraunhofer IVV (Institut für Verfahrenstechnik und verpackung : institut pour le conditionnement et l’emballage), nous avons démontré que les propriétés électriques de ces polymères sont sensibles aux gaz et vapeurs présents dans leur environnement direct, par exemple l’effet du CO2 (Bibi et al., 2017b) et de la vapeur d’eau (Bibi et al., 2016) sur les propriétés électriques du gluten de blé. Par conséquent le polymère accompagné de son électronique forment un système de détection de ces gaz et vapeurs. Nous avons également démontré la même chose avec la température et la gélatine
(Texeira Silva et al., 2016). Actuellement, nous travaillons sur la mise en relation de l’évolution des fraises, l’apparition de marqueurs de cette évolution, et les propriétés électriques du biopolymère.
L’objectif étant de montrer la faisabilité de ce système en tant qu’indicateur de la qualité organoleptique et de paramétrer les mesures des propriétés électriques en fonction de l’état de l’aliment. Il s’agira
ensuite de développer une solution logicielle qui permettra de décrypter ce paramétrage.
Le couplage RFID/indicateur direct de la qualité des denrées devrait permettre de mieux identifier les défauts sur la chaîne logistique (i.e. responsabilité des différents acteurs de la filière) et proposer des
actions correctives adaptées mais également de prioriser l’écoulement des lots lors de leur distribution afin de réduire les pertes alimentaires. Dans ces dispositifs dédiés à l’agroalimentaire, les biopolymères (molécules que l’on retrouve dans les aliments) sont de bons candidats car facile à mettre en œuvre à grande échelle. Ils peuvent être utilisés dans les procédés de mise en forme et d’impression conventionnels. Il est donc aisé de produire à l’échelle industrielle des circuits électroniques contenant ce type de matériau sur des lignes de production déjà existantes. Par ailleurs, le mode de lecture des étiquettes RFID avec ou sans capteur étant le même, les usagers peuvent utiliser les lecteurs déjà en leur possession avec toutefois, une adaptation logicielle pour permettre d’afficher l’état de fraîcheur du produit (par exemple, le degré de maturité d’un fruit).