L’amidon est une matière première naturelle pour de nouveaux polymères, biosourcés et biodégradables (compostage), aux architectures moléculaires spécifiques et aux applications multiples de l’électronique au biomédical.

L’amidon, un polymère naturel

L’amidon est extrait de la biomasse végétale (graines de céréales, en particulier de maïs, légumineuses, tubercules comme la pomme de terre…).

Constitution de l’amidon

C’est un polysaccharide constitué d’unités de D-glucose (C₆H₁₀O₅)_n (a).

Deux types de macromolécules sont présents dans la structure de l’amidon : l’amylose (b) de structure linéaire responsable des parties cristallines et l’amylopectine (c) de structure ramifiée qui donne des zones amorphes.

Influence de la température et de l’humidité

La température de transition vitreuse T_g de l’amidon (passage de l’état rigide et cassant à l’état souple et malléable) est d’environ 200°C, ce qui le rend dur à température ambiante. Ces propriétés peuvent être modifiées par insertion de molécules entre les chaines macromoléculaires.

Ainsi l’eau et surtout le glycérol sont utilisés comme plastifiants. Le matériau obtenu a alors une T_g plus basse et possède ainsi un comportement thermoplastique ce qui permet un travail de mise en forme plus commode pour l’extrusion, l’injection et le thermo-moulage.

Avec un excès d’eau, l’amidon gonfle irréversiblement à partir de 60°C, l’amylose puis l’amylopectine se solubilisent progressivement par gélatinisation. Par refroidissement on obtient alors des gels exploités dans l’industrie alimentaire pour texturer les produits [1].

La sensibilité de l’amidon à l’humidité est à la fois source de dégradation mais, bien exploitée, peut aussi servir à des applications innovantes.

Exemples d’applications

On cherche par exemple à réaliser des polymères à mémoire de forme sensibles à la température et à l’humidité. La transition d’une conformation à une autre est stimulée par la teneur en eau ou par la température du milieu. Il est ainsi conçu des dispositifs qui peuvent se déployer dans les conditions corporelles pour des applications biomédicales en chirurgie. Par exemple, l’amidon mélangé avec exactement 20% de glycérol peut donner des tubes ou même des stents à mémoire de forme dans des traitements post-opératoires. Il est aussi utilisé comme traceur de température ou d’humidité pour des emballages biodégradable intelligents.

Dans un gel d’amidon, l’eau peut être échangée avec de l’éthanol. Après extraction de celui-ci par du CO₂ supercritique, on obtient un aérogel. Cela conduit à des mousses solides de faible densité inférieure à 0,15 g.cm^-3, très poreuses et présentant des grandes aires spécifiques de plus de 300 m²/g. Elles sont utilisées pour former des microbilles pouvant encapsuler par exemple des principes actifs de médicaments ou des arômes [2].

Vers de nouveaux polymères biosourcés après fractionnement et bioraffinage de l’amidon

Le bioraffinage de l’amidon

Le bioraffinage de l’amidon met en jeu différentes étapes. Une d’entre elles consiste en une hydrolyse enzymatique du glucose à partir duquel on obtient un mélange d’acide lactique D et L. Une autre met en jeu une fermentation bactérienne contrôlée stérosélective permettant d’isoler l’un des stéréo-isomères D ou L de l’acide lactique. Le stéréoisomère est alors séparable du milieu par distillation.

Exemples de polymères

La dimérisation de l’acide lactique conduit à des lactides (esters cycliques) qui par ouverture de cycles conduisent à des poly(acide lactique), PLA, de stéréochimie contrôlée.

Le contrôle de la stéréochimie des (D)-PLA et (L)-PLA permet d’obtenir des polymères cristallisés à température de fusion T_f et température de transition vitreuse T_g élevées. Par conséquent ils sont rigides à température ambiante avec, par exemple, des applications dans l’emballage alimentaire et le biomédical [3].

Le PLA est le principal polyester biodégradable et biosourcé produit actuellement à 280 kt/an.

Le PLA possède une cinétique de biodégradation rendue plus rapide par compostage industriel au-dessus de 50°C [4]. Comme l’amidon thermoplastique souffre de défauts mécaniques pour des applications de matériaux de structure, des mélanges appelés « alliages » de polymères sont alors nécessaires, notamment avec des polymères biosourcés tels que le PLA.

On obtient alors des matériaux dont les applications commerciales sont des objets à courte durée de vie tels que les sacs biodégradables en quelques mois [5], alors que la durée de vie d’un sac plastique en polyéthylène d’origine pétrolière est de 200 ans !

(a) D glucose en représentation de Fischer

(b) Amylose

(c ) amylopectine

acide lactique

Pour approfondir

Les références ci-dessous, sélectionnées sur ce thème et issues du site Mediachimie.org ou de la revue L’Actualité chimique, permettront d’obtenir des informations complémentaires.

• [1] Valorisation biologiques des agro-ressources, Pierre Monsan, colloque Chimie et nature (2012)
• [2] L’amidon et les matériaux, où en est-on ? « Un point sur », Denis Lourdin, L’Actualité chimique, n°411 (octobre 2016) pp. 43-44
• [3] Les polymères biodégradables et biosourcés : des matériaux pour un futur durable, Luc Avérous, L’Actualité chimique, n°375-376 (juillet-août 2013) p. 83-90
• [4] Polymères biosourcés : principaux enjeux et perspectives, L. Avérous, S. Caillol et H. Cramail, L’Actualité Chimique, N° 422-423(oct-nov 2017) p. 68-75
• [5] Sus aux sacs, chronique par Jean-Claude Bernier, L’Actualité Chimique, n°407 (mars 2017) pp. 5-6