Traitement laser CO2 : une technologie pour améliorer la sécurité alimentaire

Publié : 29 décembre 2022 | Eduardo Puértolas, Izaskun Pérez, Xabier Murgui | aucun commentaire pour l'instant

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L'innovation technologique dans la transformation est l'un des piliers fondamentaux sur lesquels repose l'amélioration de l'efficacité et de la rentabilité de l'industrie alimentaire. Parmi les technologies étudiées ces dernières années, le laser CO2 a une capacité remarquable à transformer la production alimentaire de demain.

La précision temporelle et spatiale des lasers permet de concentrer l'énergie laser en un point minuscule et de suivre des schémas complexes, sans trop impacter les aliments à proximité.

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Ceci est particulièrement intéressant dans plusieurs procédés mécaniques et thermiques. Par exemple, il a été proposé d'inactiver les micro-organismes sur les surfaces en contact avec les aliments. Il peut également être utilisé pour la découpe sans contact, en évitant les problèmes de contamination croisée physiques, chimiques et microbiologiques d'autres systèmes tels que les lames ou le jet d'eau ; ou pour le marquage alimentaire, en remplacement des étiquettes papier/plastique et des encres.

Un laser (un acronyme pour l'amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement) consiste en un système d'alimentation en énergie qui alimente les molécules d'un milieu de gain à un état excité, produisant de la lumière.

Cette lumière est amplifiée dans une cavité optique restreinte par deux miroirs, un de chaque partiellement transparent laissant passer un faisceau laser cohérent et directionnel, qui peut être focalisé sur le matériau cible avec une précision temporelle et spatiale par un système de lentille contrôlé par un logiciel.

Les lasers à dioxyde de carbone (CO2) ont reçu leur nom parce qu'ils utilisent le CO2 comme composant principal du milieu de gain, émettant un faisceau laser dans des longueurs d'onde infrarouges moyennes (généralement 10 600 nm).

Les longueurs d'onde infrarouges sont transmises presque sans perte dans l'atmosphère. De plus, ils peuvent être efficacement absorbés par l'eau, qui est le composant principal des aliments. Ainsi, les deux sont probablement les principales raisons de l'intérêt que les lasers CO2 ont suscité dans la transformation des aliments.

En modulant l'énergie rayonnante du faisceau laser CO2, des effets photochimiques, thermiques et mécaniques sont progressivement produits dans les aliments.1 Si l'énergie du laser CO2 est faible, le laser perturbe uniquement les liaisons entre atomes et entre molécules. À une énergie de rayonnement plus élevée, l'énergie du faisceau laser est convertie en énergie thermique, chauffant la surface de l'aliment (une profondeur de quelques millimètres) de manière précise et contrôlée.

En augmentant encore l'énergie radiante, des effets mécaniques directs peuvent être produits sur la surface des aliments, formant éventuellement un cratère basé sur des phénomènes de vaporisation et d'ablation.1

Le processus d'ablation peut être répété dans les couches inférieures de l'aliment, lui permettant d'y pénétrer plus profondément, ou/et de se poursuivre dans les zones adjacentes selon un schéma spécifique. Sur la base de ces effets, le laser CO2 peut être utilisé pour une large gamme d'applications alimentaires, notamment la décontamination microbienne, la cuisson, le marquage et la découpe.

Le laser CO2 est une technologie sans contact et relativement rapide pour inactiver les micro-organismes à la surface de différents substrats et constitue une alternative aux systèmes traditionnels de nettoyage et de désinfection des surfaces, tels que l'utilisation de produits chimiques, une solution de plus en plus remise en question en raison d'éventuels résidus toxiques.

Pour les surfaces en contact avec les aliments (par exemple, les couteaux, les bandes transporteuses), le chauffage n'est pas un problème majeur et la précision du laser et la vitesse de traitement peuvent jouer un rôle majeur. Par exemple, une inactivation totale d'Escherichia coli et de Staphylococcus aureus a été rapportée sur des surfaces en acier inoxydable après des traitements au laser CO2 (660 W ; 0,8-1,3 cm/s).2 Outre l'inactivation microbienne, les effets mécaniques du laser CO2 peuvent également aider à éliminer les matières organiques et les biofilms difficiles à nettoyer de ces types de surfaces.

Les lasers CO2 sont également capables d'inactiver les micro-organismes présents sur les surfaces des aliments.3 Cependant, dans ce cas, les traitements doivent être très bien optimisés pour minimiser l'impact sur leurs caractéristiques de surface, en évitant les effets mécaniques et en minimisant les effets thermiques.

Malgré l'optimisation, les changements de surface, tels que les altérations de couleur, sont généralement détectés. L'utilisation de flavonoïdes, de riboflavine ou d'autres antioxydants pourrait réduire ou même éviter ces effets indésirables.4

Le laser CO2 peut être utilisé comme alternative aux technologies thermiques conventionnelles pour la cuisson, le grillage et le brunissage, en profitant de la haute énergie du faisceau lumineux.4-5

Cependant, dans ce cas, les processus de carbonisation et d'ablation (effets thermiques et mécaniques, respectivement) associés aux traitements à haute intensité énergétique doivent être évités.

Dans les produits alimentaires cuits au laser CO2, des réductions microbiennes de Salmonella Typhimurium, Salmonella Senftenberg et Escherichia coli O157:H7 sont observées, similaires à celles obtenues avec des méthodes de cuisson courantes, telles que le four infrarouge, le barbecue électrique ou le gril plat électrique.3 Si le traitement au CO2 est ajusté pour réduire la carbonisation, les aliments cuits au laser présentent également une quantité similaire d'hydrocarbures aromatiques polycycliques que les aliments cuits de manière conventionnelle.3

La précision du laser CO2 signifie qu'une seule des parties de l'aliment peut être cuite (par exemple uniquement la partie grasse d'un morceau de bacon), ou même chaque partie de l'aliment dans ses conditions optimales (température, temps), en modifiant à la volée l'énergie de traitement et le temps d'exposition.5 Dans ce contexte, le laser CO2 a reçu une attention particulière dans l'impression 3D d'aliments, où un apport précis de chaleur est nécessaire pour la cuisson d'aliments pré-imprimés.5

Les auteurs notent que la précision du laser CO2 signifie qu'une seule des parties de l'aliment peut être cuite, comme la partie grasse d'un morceau de bacon.

L'énergie du laser ne pénètre que de quelques millimètres dans les aliments, c'est pourquoi elle a été proposée pour la cuisson d'aliments fins ou pour des traitements de surface tels que griller ou dorer. Pour de nombreux produits, une utilisation combinée avec d'autres technologies telles que les micro-ondes a été proposée, en utilisant des lasers pour la finition de surface (par exemple, des marques de grillage).3

L'utilisation du laser pour le marquage des fruits et légumes est autorisée et mise en œuvre dans l'industrie dans plusieurs pays européens. Ils ont été testés dans un grand nombre d'aliments, notamment des fruits, des légumes, des œufs, de la viande, du fromage, du chocolat et des produits céréaliers (Figure 1).

Figure 1 : Marquage d'un QR code par laser CO2 dans du fromage (exemple de traitement laser).

Son intérêt réside dans le fait qu'il ne nécessite pas d'étiquettes plastique/papier ou d'adhésifs et qu'il est fait pour éviter tout contact. D'un point de vue général, les lasers CO2 peuvent être utilisés pour le marquage en fonction de leurs effets mécaniques (gravure) ou thermiques (réaction de Maillard).

Dans les deux cas, il est possible de faire fonctionner le laser selon presque n'importe quel modèle, il est donc possible de marquer des chiffres (par exemple, date d'expiration, numéro de lot), des lettres (par exemple, lieu d'origine, nom de l'entreprise), des codes (par exemple, code-barres, QR) ou des dessins ou modèles complexes (par exemple, label de qualité, logo de l'entreprise).6

S'appuyant sur le phénomène d'ablation, le laser CO2 peut être utilisé comme technologie sans contact pour la découpe et le pelage ou pour d'autres procédures mécaniques telles que la perforation qui peuvent être utilisées dans certaines opérations telles que la marinade ou l'extraction de composés.1,4

Le laser CO2 présente plusieurs avantages par rapport aux techniques conventionnelles impliquant des lames, des couteaux, des aiguilles ou des dispositifs similaires.

Premièrement, la zone traitée est partiellement décontaminée grâce à l'action du faisceau laser (inactivation microbienne), un avantage clé pour la sécurité alimentaire par rapport à la découpe à la lame ou au jet d'eau.

Il est également possible de transformer des aliments selon des schémas complexes difficiles voire impossibles à réaliser avec les techniques conventionnelles.

Enfin, un changement de motif peut être effectué à la volée et il n'est pas nécessaire d'arrêter la ligne pour nettoyer l'élément mécanique de coupe. Dans les technologies conventionnelles, le processus de nettoyage ou toute modification de la configuration de coupe implique l'arrêt de la ligne pour nettoyer, changer, remplacer ou déplacer les éléments de coupe.

Les limitations les plus importantes de l'utilisation du laser CO2 pour ce type de processus mécaniques sont la chaleur générée et la profondeur de coupe relativement faible.

Une sélection efficace des paramètres de traitement au laser est essentielle pour éviter de brûler les bords coupés des aliments et pour des performances correctes. Pour une profondeur supérieure à quelques millimètres, plusieurs cycles de traitement laser sont nécessaires pour laisser suffisamment de temps au refroidissement de la zone. D'autres stratégies reposent sur le refroidissement direct de la zone traitée au laser en utilisant de l'eau ou de la vapeur.

Le laser CO2 est une technologie de traitement sans contact avec un grand potentiel pour réduire les problèmes de contamination croisée dans l'industrie alimentaire.

Il pourrait être utilisé dans les aliments pour un grand nombre d'applications, telles que la cuisson/grillage, le marquage, la coupe et l'épluchage ou pour inactiver les micro-organismes présents sur les surfaces en contact avec les aliments.

A la connaissance des auteurs, la seule application laser totalement industrialisée et répandue sur le marché alimentaire, pour une action directe sur les aliments, est le marquage laser des fruits et légumes.

Cependant, les résultats obtenus dans les autres applications sont prometteurs, des efforts supplémentaires sont nécessaires pour les mettre sur le marché. Il existe aujourd'hui des systèmes laser CO2 avec la puissance et les caractéristiques nécessaires pour industrialiser la plupart des applications décrites dans cet article.

Ainsi, aucun problème majeur d'échelle n'est à prévoir et il est prévisible que leur utilisation industrielle commencera à se généraliser dans les années à venir. Étant donné que les lasers CO2 sont utilisés dans d'autres secteurs industriels, leur coût a considérablement diminué au cours des deux dernières décennies.

Dans cette optique, le moindre coût facilitera sans aucun doute leur mise en œuvre dans l'industrie agroalimentaire, où les marges sont plus faibles que dans d'autres secteurs de production.

Eduardo Puertolas (ORCID : 0000-0001-7489-4674) est doctorant à la Division de Recherche Alimentaire de l'AZTI – Alliance Basque de Recherche et de Technologie (BRTA). Son principal domaine de recherche est l'étude et l'application des technologies de traitement émergentes (par exemple laser, homogénéisation à haute pression, haute pression hydrostatique) pour la conception de nouveaux aliments, la conservation des aliments, l'amélioration de la qualité des aliments et l'optimisation des processus. E-mail : [e-mail protégé]

Izaskun Pérez est ingénieure agronome et chercheuse à l'AZTI- Alliance basque de recherche et de technologie (BRTA), où elle participe à des projets de recherche sur les technologies émergentes pour le développement et la validation de nouvelles applications. Au cours des dernières années, elle a participé au développement et à la mise en place de deux nouvelles lignes de production dans des entreprises (produits actuellement sur le marché). E-mail : [e-mail protégé]

Xavier Murgui , ingénieur agronome et Master en Technologie et Qualité des Industries Agroalimentaires, est actuellement chercheur à l'AZTI- Alliance Basque de Recherche et de Technologie (BRTA). Professionnel de l'agroalimentaire avec plus de 14 ans d'expérience, il est spécialisé dans le développement de nouveaux produits, la mise à l'échelle et l'industrialisation de prototypes. E-mail : [e-mail protégé]

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