Thèse Biofilms et Usure des Emballages Alimentaires Définition des Limites de Réemploi des Contenants en Plastiques Biodégradables pour la Sécurité Alimentaire H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : IATE - Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
Direction de la thèse : Valérie GUILLARD ORCID 0000000271171988
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

Le secteur agroalimentaire, premier consommateur de plastiques, génère 70% des déchets plastiques environnementaux. La réglementation européenne vise 20% de réduction des emballages à usage unique d'ici 2025, avec 10% d'emballages réemployables d'ici 2027.
Le réemploi concerne la restauration collective, la vente en vrac et l'utilisation de contenants personnels. Si l'inox et le verre présentent des avantages pour le nettoyage, leur poids constitue un inconvénient majeur. Les plastiques offrent une alternative, mais leur exposition aux cycles de lavage/usage altère leurs propriétés fonctionnelles. Cette dégradation, accompagnée de pratiques de nettoyage inadaptées, favorise la prolifération de biofilms bactériens via l'augmentation de la rugosité des surfaces.
Cette thèse vise à comprendre la relation entre l'état de surface des plastiques biodégradables au cours des cycles de réemploi et l'adhérence des biofilms microbiens. L'étude portera sur deux emballages : une barquette en PP (conventionnel) et une barquette en PHBV (biodégradable).
Le projet s'articule autour de quatre tâches :
-Étude des propriétés de surface au cours des cycles de réemploi pour établir une échelle de dégradation, via profil de rugosité, microscopie électronique, AFM et mesures d'angle de contact.
-Challenge-tests avec des biofilms synthétiques de contaminants microbiens modèles pour évaluer leur persistance selon le niveau d'usure.
-Validation en conditions réelles avec un aliment préparé, comparant les modèles développés avec les biofilms naturels.
-Élaboration de recommandations pour les pouvoirs publics concernant les conditions optimales de réemploi.
Les résultats attendus comprennent un indicateur d'usure des surfaces, l'identification des seuils critiques favorisant l'adhérence des biofilms, et un modèle prédictif de réemployabilité permettant d'optimiser les circuits de réemploi.

La production mondiale de plastique a atteint 400 Mt en 2022 [1, 2], avec plus de 40 % destinée au secteur de l'emballage [3]. L'agro-alimentaire est par ailleurs responsable de plus de 70% des plastiques accumulés dans l'environnement, ce qui le place 1er consommateur de matières plastiques et 1er générateur de pollution plastique. En réponse à cette problématique majeure et afin de réduire significativement les emballages à usage unique, la loi française AGEC (Anti- Gaspillage pour une Économie Circulaire) promulguée en 2020 [4] vise à augmenter la part des emballages réemployés par rapport aux emballages à usage unique avec, en particulier, 10% des unités d'emballages mises sur le marché en 2027 qui devront être issues du réemploi. En eet, le réemploi des emballages alimentaires est une réponse aux défis environnementaux liés à la surconsommation de ressources, et à la diminution des déchets plastiques. Le réemploi concerne en premier lieu la restauration collective (cantines, traiteurs, vente à emporter), puis les commerces qui proposent la vente en vrac avec des contenants consignés, et enfin les consommateurs qui utilisent leurs propres contenants à domicile ou en magasin. L'inox et le verre sont les matériaux privilégiés pour ces contenants car ils sont faciles à nettoyer et à désinfecter, mais présentent l'inconvénient d'être lourds, et cassants dans le cas du verre. Les matériaux en plastique, plus légers, semblent être une alternative prometteuse au verre et à l'inox mais posent des questions en termes d'inertie et de maintien de leur propriétés fonctionnelles lors de leur exposition répétée aux cycles de lavage, séchage et usage.
Une première étude menée dans notre laboratoire a montré que jusqu'à 50 cycles de lavage de vaisselle, les propriétés thermomécaniques et structurelles d'un polyester microbien (le PHBV), polymère plastique biosourcé et biodégradable, sont maintenues, avec une migration globale inférieure à la limite de 10 mg.dm 2 (telle qu'établie par la réglementation européenne) [5]. Cependant, une 2e étude sur le même matériau a pu mettre en évidence qu'un lavage avec une solution de NaOH à 1 % en poids avait entraîné l'élimination de la couche superficielle du matériau, sans cependant aller jusqu'à des modifications conséquentes de ses propriétés physico-chimiques globales [6]. Cette altération est causée par l'action des frottements, des variations thermiques et des détergents nécessaires au lavage. Or l'altération progressive de la surface des matériaux peut en jouant sur sa rugosité de surface, créer un terrain favorable à l'adhérence et au développement de biofilm bactérien ce qui peut avoir de graves conséquences sanitaires [7]. S'ajoutent parfois les pratiques de
nettoyage inadaptées des consommateurs qui favorisent la prolifération de bactéries pathogènes (e.g. Listeria monocytogenes, coliformes fécaux), pouvant également avoir de graves conséquences sanitaires [8].
A ce jour, les connaissances sont limitées sur deux aspects cruciaux du réemploi des contenants plastiques. Premièrement, l'adhérence du biofilm sur des contenants alimentaires en plastique au cours des cycles de réemploi en conditions standardisées n'a, à notre connaissance, pas encore été élucidé, notamment au regard du degré d'usure de surface du matériau. Deuxièmement, il n'existe pas de méthode fiable pour déterminer ni le degré d'usure acceptable, ni le nombre maximal de cycles de réemploi que la matière plastique peut subir avant d'être retiré du circuit. Ces lacunes dans l'évaluation de l'usure en lien avec la qualité microbiologique des surfaces limitent l'usage des matières plastiques dans le cadre du réemploi, et l'essor du réemploi de manière générale. Cette problématique est particulièrement importante pour les plastiques biodégradables, dont le traitement post usage par compostage ou méthanisation est essentiel pour garantir une économie circulaire eective et réduire la pollution plastique générée par le secteur agro-alimentaire.

Ce projet de thèse vise à comprendre et prédire le lien entre l'état de surface des matériaux plastiques biodégradables au cours des cycles de réemploi et la dynamique d'adhérence et de développement d'un biofilm microbien persistent qui peut compromettre la sécurité alimentaire. Pour cela, la thèse mettra en place une méthodologie d'évaluation de l'usure de surface des matériaux en fonction des cycles d'usage/lavage et des risques associés d'adhésion et persistance du biofilm. Les résultats permettront d'établir des recommandations sur les critères d'usure permettant de déterminer quand un emballage doit être retiré du circuit de réemploi.

Le travail de thèse sera réalisé sur 2 emballages primaires modèles ; une barquette injectée en PP (témoin plastique conventionnel) et une barquette injectée en PHBV (matériau biodégradable) produites chez un partenaire industriel (e.g., centre technique IPC, partenaire du projet ANR SCIRDE) (Fig. 1). Les barquettes d'environ 500 ml seront remplies avec des simulants alimentaires ou produits réels puis scellées pour subir les successions d'étapes du réemploi (réchauage/réfrigération/lavage). Ces matériaux serviront de bases pour les quatre tâches du projet de recherche :

1. évaluation de l'état de surface des matériaux au cours des cycles de réemploi. Cette tâche a pour objectif l'établissement d'une échelle d'évaluation du niveau de dégradation des surfaces plastiques liée au réemploi : des cycles d'usage en contact alimentaire (utilisation de simulants alimentaires) puis lavage (lave-vaisselle, conditions contrôlées selon norme NF 17735 [9]) seront réalisés de manière à mimer les circuits de type liaison chaude (maintien en permanence de la température d'un plat au-dessus de 63°C jusqu'à sa livraison et son service) ou liaison froide (stockage et livraison réfrigérés puis remise en température sur le site de consommation) de restauration collective (Fig. 2). Ces tests ont été mis en place dans l'équipe au sein d'un projet financé par #Digitag et serviront de point de départ à cette thèse. Sur la base de cette première expérience, des séries de 15 à 20 cycles lavage/usage pourront être envisagés. Des tests d'abrasion contrôlée, mimant l'usage d'un ustensile alimentaire (fourchette, spatule) seront réalisés en collaboration avec le centre technique IPC. L'état de surface du matériau sera évalué par diérentes techniques d'imagerie (microscopie électronique et traitement d'image, Atomic force microscopy - AFM), profil de rugosité de surface (en collaboration avec Actalia, centre technique agro-alimentaire) ou physico-chimiques (angle de contact). Une corrélation entre le nombre de cycles de lavage/usage, le niveau d'usure, et la valeur d'un ou deux marqueurs pertinents de l'état de surface sera étudiée.
>> Une collaboration avec les centres techniques IPC et Actalia est envisagée pour la modélisation de l'usure de surface et l'évaluation des rugosités de surface. Une collaboration avec les physiciens du L2C concernant l'exploitation des résultats AFM est également envisagée.

2. Challenge-tests sur milieu modèle et biofilms synthétiques. Des challenge tests dédiés permettront d'évaluer l'adhérence et la croissance d'un biofilm synthétique sur les surfaces des matériaux à diérents niveaux d'usure (tâche 1). Un biofilm microbien synthétique composé de microorganismes modèles des biofilms alimentaires (e.g. Escherichia coli, Citrobacter spp, Klebsiella spp, Enterococcus spp.) sera déposé en surface des matériaux plastiques précités. Ces matériaux ensemencés seront ensuite placés dans des conditions optimales de croissance, en utilisant un milieu de culture spécifique (albumine bovine-mucine-amidon, cf. norme NF
17735 [9]). L'état microbiologique sera évalué par des observations microscopiques et des analyses microbiologiques (e.g. dénombrement, RT-qPCR). Les matériaux seront par la suite soumis à un cycle de lavage, puis la persistance du biofilm sera évaluée selon les mêmes méthodes d'analyses [10]. Enfin, le développement initial du biofilm et sa persistance après lavage seront corrélées avec les diérents niveaux d'usure des matériaux.

>> Une collaboration avec l'équipe BioDymia de l'Université de Lyon et les centres techniques Aérial et Actalia, sont envisagés pour la réalisation de ces challenges tests dans le cadre de l'ANR SCIRDE, (Safe and Circular by Design food packaging, 2025-2028)

3. Validation des résultats obtenus en conditions réelles. Une boucle de réemploi (jusqu'à 20 cycles) sera mimée sur les matériaux sélectionnés en présence d'un aliment réel (type plat préparé). Le niveau d'altération de la surface interne des barquettes et leur susceptibilité à la contamination par un biofilm synthétique et un autre naturel (contamination via l'aliment) sera évalué en utilisant les méthodes développées lors des phases 1 et 2. La troisième phase de la thèse validera les modèles développés en étudiant la corrélation entre les cycles de réemploi, l'usure des emballages et la formation de biofilms. L'étude portera d'abord sur la communauté microbienne synthétique, puis s'étendra à l'observation de biofilms naturels issus du conditionnement d'un aliment modèle de la restauration collective (plat préparé à base de viande).

4. Recommandations pour la conduite du réemploi des contenants en matière plastique. La dernière étape de cette thèse s'appuiera sur les résultats des trois premières tâches pour élaborer des recommandations à destination des pouvoirs publics. Ces recommandations porteront sur les conditions optimales de réemploi des emballages alimentaires en plastique conventionnel ou biodégradable (PHBV), en définissant les seuils d'usure acceptables pour garantir leur aptitude au contact alimentaire et limiter les risques de contamination bactérienne.

Les 4 phases de la thèse seront conduites globalement de manière séquentielle.

Le.la candidat.e devra justifier d'un master ou équivalent en biologie, science des aliments ou microbiologie alimentaire, avec une expérience complémentaire ou un intérêt avéré pour les sciences des matériaux ou chimie des polymères.
La pluridisciplinarité du sujet exigera du. de la candidat.e à développer une bonne capacité à appréhender des concepts variés.
Le candidat devra montrée un intérêt particulier pour les questions relatives à la lutte contre la pollution plastique.
Motivé.e, organisé.e, fiable, le.la candidat.e devra faire preuve d'esprit d'initiative et d'innovation et devra apprécier le travail en équipe.

Une pratique aisée de l'anglais sera nécessaire à l'écrit comme à l'oral.