Biofilms et usure des emballages alimentaires : définition des limites de réemploi des contenants en plastiques biodégradables pour la sécurité alimentaire // Biofilms and food packaging aging: defining the limits of reuse of biodegradable plastic contain

Le secteur agro-alimentaire, premier consommateur de plastiques, est responsable de plus de 70% des plastiques accumulés dans l'environnement. Face à ce constat, la réglementation européenne et la loi AGEC visent à réduire les emballages à usage unique avec un objectif de 10% d'emballages réemployables d'ici 2027.
Le réemploi des emballages alimentaires concerne notamment la restauration collective, les commerces proposant la vente en vrac, et les consommateurs utilisant leurs propres contenants. Si l'inox et le verre sont privilégiés pour leur facilité de nettoyage et de désinfection, leur poids important constitue un inconvénient majeur. Les matériaux plastiques apparaissent comme une alternative prometteuse, mais leur exposition répétée aux cycles de lavage, séchage et usage peut altérer leurs propriétés fonctionnelles. Cette dégradation, causée par les frottements, les variations thermiques et les détergents, s'accompagne de pratiques de nettoyage parfois inadaptées des consommateurs, favorisant la prolifération de bactéries pathogènes. L'altération progressive des surfaces augmente leur rugosité, créant un environnement propice au développement de biofilms.
Cette thèse vise à comprendre et prédire la relation entre l'état de surface des matériaux plastiques biodégradables au cours des cycles de réemploi et la dynamique d'adhérence des biofilms alimentaires microbiens. L'étude portera sur deux emballages primaires modèles : une barquette en PP (plastique conventionnel) et une barquette en PHBV (matériau biodégradable).
Le projet s'articule autour de quatre tâches :
1 - L'étude approfondie des propriétés de surface des matériaux au cours des cycles de réemploi, visant à établir une échelle de dégradation des surfaces plastiques. Des cycles d'usage/lavage seront réalisés pour simuler les conditions réelles de réemploi d'emballages, incluant les circuits de liaison chaude et froide de la restauration collective. L'état de surface sera évalué par microscopie électronique, AFM et mesures d'angle de contact, permettant d'établir une corrélation entre les cycles d'usage et les marqueurs d'usure.
2 - La réalisation de challenge-tests avec des biofilms synthétiques composés de contaminant microbiens modèles (e.g. coliformes fécaux). Les matériaux ensemencés seront placés en conditions optimales de croissance dans un milieu de culture. L'état microbiologique sera caractérisé par microscopie et analyses microbiologiques avant et après lavage, permettant d'évaluer la persistance du biofilm en fonction du niveau d'usure.
3 - La validation en conditions réelles impliquera une boucle de réemploi avec un aliment réel de type plat préparé. Cette phase étudiera la corrélation entre les cycles de réemploi, l'usure des emballages et la formation de biofilms, en comparant les résultats obtenus avec la communauté microbienne synthétique et les biofilms naturels issus du conditionnement alimentaire. Cette étape permettra de valider les modèles développés dans les phases précédentes.
4. L'élaboration de recommandations pour les pouvoirs publics concernant les conditions optimales de réemploi des emballages alimentaires en plastique, définissant notamment les seuils d'usure acceptables.
Cette thèse contribuera à enrichir un domaine encore peu exploré, situé à l'interface entre science des matériaux et microbiologie. Elle permettra de développer des protocoles innovants pour simuler l'usure des surfaces et cultiver des biofilms synthétiques représentatifs. Les résultats attendus comprennent la création d'un indicateur d'usure des surfaces d'emballages alimentaires, l'identification des seuils d'usure critiques favorisant l'adhérence des biofilms, et l'élaboration d'un modèle prédictif de la ré-employabilité d'un emballage. Ce dernier permettra d'optimiser la gestion des circuits de réemploi en déterminant le nombre optimal de cycles avant que le risque de formation et de persistance d'un biofilm ne devienne significatif.
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The agri-food sector is the largest consumer of plastic, responsible for more than 70% of the plastic accumulated in the environment. In response to this situation, European and French regulations, through the AGEC law, aim to reduce single-use packaging with a target of 10% reusable packaging by 2027.
The reuse of food packaging is particularly important for foodservice operators, large retailers and consumers who use their own containers. While stainless steel and glass are preferred for their ease of cleaning and disinfection, their significant weight is a major drawback. Plastics appear to be a promising alternative, but repeated exposure to washing, drying and use cycles can alter their functional properties. This degradation, caused by friction, thermal variations and detergents, is accompanied by sometimes inappropriate cleaning practices by consumers, which favour the proliferation of pathogenic bacteria. The progressive alteration of surfaces increases their roughness, creating an environment conducive to the development of biofilms.
This work aims to understand and predict the relationship between the surface properties of conventional and biodegradable plastic materials during re-use cycles and the adhesion dynamics of microbial food biofilms. The study will focus on two model primary packaging: a polypropylene tray (PP - conventional plastic) and a PHBV tray (biodegradable material).

The project is structured around four main tasks:
1 - A comprehensive analysis of material surface properties during re-use cycles to establish a scale of plastic surface degradation. Use/wash cycles will be carried out to simulate real-world packaging reuse conditions, including hot and cold chain systems in institutional catering. Surface condition will be assessed by electron microscopy, AFM and contact angle measurements, allowing correlation between use cycles and wear markers.
2 - Challenge tests with synthetic biofilms composed of model microbial contaminants (e.g. faecal coliforms). Inoculated materials are placed in culture medium under optimal growth conditions. The microbiological contamination will be characterised by microscopy and microbiological analyses before and after washing, allowing the evaluation of biofilm persistence and evolution according to the degree of wear.
3 - Validation under real conditions will include a reuse loop with real prepared food. In this phase, the correlation between reuse cycles, packaging wear and biofilm formation will be studied, comparing the results obtained with synthetic microbial communities and natural biofilms on food packaging. This step will validate the models developed in the previous phases.
4 - Development of recommendations for public authorities on the optimal conditions for the reuse of plastic food packaging, in particular the definition of acceptable aging thresholds.

This work will contribute to the enrichment of an understudied field at the interface between materials science and microbiology. It will develop innovative protocols to simulate surface wear and cultivate representative synthetic food biofilms. Expected outcomes include the creation of a wear indicator for food packaging surfaces, the identification of critical wear thresholds that promote biofilm adhesion, and the development of a predictive model for packaging reusability. The latter will optimise reuse cycle management by determining the optimum number of cycles before the risk of biofilm formation and persistence becomes significant.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Concours GAIA

Université de Montpellier

584 GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau

Le.la candidat.e devra justifier d'un master ou équivalent en biologie ou science des aliments ou de l'environnement, et d'une certaine appétence pour les questions relatives à la lutte contre la pollution plastique. La pluridisciplinarité du sujet exigera du. de la candidat.e à développer une bonne capacité à appréhender des concepts variés. 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.
The candidate must have a Master's degree or equivalent in biology, environmental science or food science and a particular interest in issues related to the fight against plastic pollution. Due to the multidisciplinary nature of the project, the candidate must have a good ability to grasp different concepts. The candidate must be motivated, organised, reliable, show initiative and innovation, and appreciate teamwork. Fluency in written and spoken English is required.