L'analyse des corps gras : une méthode bien huilée

Fort d'être toujours à la pointe du suivi des évolutions technologiques et industrielles, le département Environnement - Incendies - Explosifs travaille sur différents sujets de recherche appliquée.

Le laboratoire s'intéresse actuellement aux huiles ou graisses organiques encore appelées de façon générique « corps gras ». On distingue les huiles ou graisses organiques, produites à partir des végétaux ou animaux, des huiles ou graisses dites minérales (fractions pétrolières ou de synthèse pétrochimique).

L'unité d'expertise Incendies est classiquement en charge de rechercher et d'identifier des produits dits accélérants tirés d'échantillons liquides ou de résidus d'incendie. Il s'agit en grande majorité de liquides inflammables et leur mise en évidence peut traduire une intention criminelle. La venue dans les commerces d'un nombre croissants de produits biodégradables issus de l'agro-industrie voire de la pétrochimie amène de nouvelles questions. En effet, ce type de produit peut être sujet à l'auto-échauffement. Ce phénomène lié à une réaction chimique d'oxydation peut conduire dans certaines configurations à un incendie. L'analyste doit donc évaluer la propension du corps gras à s'auto-échauffer. Pour ce faire, il procède à son analyse détaillée.

La méthode d'essai développée sur cette thématique repose sur la technique séparative de chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse. Les corps gras subissent au préalable une réaction de dérivatisation via une transestérification. Les teneurs en esters méthyliques d'acides gras ainsi obtenues sont ensuite mesurées et pondérées.

In fine, au travers des analyses pratiquées, il s'agit de tenter de répondre aux questions suivantes : L'incendie est-il criminel ? Une origine accidentelle est-elle possible ? Le produit retrouvé chez, ou sur un suspect peut-il être rapproché de celui mis en évidence dans des prélèvements d'incendie ?

  

Produits accélérants et profils chromatographiques

Un accélérant est un combustible ou comburant, souvent un liquide inflammable, utilisé pour initier un feu ou pour augmenter la vitesse de développement ou de propagation de l'incendie [1].

Mettons de côté ici les comburants. S'agissant du combustible celui-ci n'est pas qualifié accélérant sur la base de ses propriétés physico-chimiques, mais par l’usage qui en est fait. Cette qualification traduit en effet l’intentionnalité liée à son emploi.

Les accélérants sont en général d'une composition complexe. Les composés recherchés sont présents dans des proportions relatives spécifiques. L'ensemble (natures et proportions) est figuré par un profil chromatographique caractéristique. Pour les produits tirés du pétrole brut on parlera du profil chromatographique caractéristique d'une coupe pétrolière donnée (Cf. Fig. 1).

Les corps gras sont combustibles. Ils peuvent le cas échéant être utilisés à des fins incendiaires. A l'instar de tout produit combustible, ils peuvent cependant être légitimement présent dans la zone de réalisation du prélèvement, ceci eu égard à l'activité ou l'historique des lieux objets du sinistre. Si le recueil de cette information incombe aux enquêteurs, elle échappe assez souvent à l'analyste.

  

  Fig. 1 : Profil chromatographique caractéristique d'un supercarburant (essence pour automobile)

  

La problématique de l'expert

  

Dans le cadre d'une recherche de produit accélérant l'échantillon est constitué le plus souvent de résidus d'incendie. Il peut s'agir également de liquides pas ou peu altérés nécessitant une identification et/ou un rapprochement avec les résultats analytiques d'autres prélèvements.

Dans le contexte de l'analyse de résidus d'incendie, lorsqu'un corps gras est identifié, l'expert se doit dans un premier temps d'examiner la compatibilité d'un tel produit avec la nature du support analysé. L'origine du corps gras peut-elle être matricielle (e.g. un reliquat de textile en coton, du bois de mobilier traité, prélèvement sur cadavre ...) ? Si cette présence ne peut être justifiée par une origine matricielle, son éventuelle implication dans un départ accidentel d'incendie doit être évaluée.

En effet, il existe un risque lié à la nature chimique des composés formant le corps gras. Une analyse détaillée spécifique est alors mise en œuvre. La propension des corps gras à s'auto-échauffer est liée à leurs teneurs en acides gras insaturés[2]. Ces insaturations ou doubles liaisons sont sujettes à une réaction exothermique d'oxydation. En d'autres termes, la réaction chimique génère de la chaleur. Le phénomène d'auto-échauffement peut aboutir à une inflammation spontanée dans des conditions particulières.

On comprend que cette propriété est fonction du nombre de doubles liaisons présentes dans les acides gras ou esters correspondants. Un produit avec un faible taux de composés insaturés dans sa formulation présente peu de risque et inversement. La composition chimique du corps gras étudié est donc un préalable à l'étude de l'hypothèse selon laquelle un départ de feu a pu être provoqué par ce biais.

Rassurons ici les lecteurs, si le risque d'inflammation spontanée est envisageable pour certains produits, cette propension avérée du produit à l'auto-échauffement n'est pas suffisante pour provoquer un incendie. La surface spécifique de contact du produit avec un oxydant (le plus souvent l'oxygène de l'air) est un facteur déterminant sur la vitesse de la réaction et partant sur la quantité de chaleur produite dans un laps de temps donné. Un produit liquide présentant un grand nombre d'insaturations dans un flacon, pot métallique, réservoir ou fût ne présente pas de danger a contrario du même produit dispersé sur une trame de matériau voire nébulisé. Enfin, pour qu'une inflammation puisse se produire, la vitesse de production de chaleur doit être supérieure à la vitesse de dissipation de celle-ci dans le milieu ambiant.

Ainsi, les milieux isolés ou quasi-isolés thermiquement (processus adiabatique) favorisent une montée en température du système et par suite la mise à feu des matériaux supports et/ou environnants portés à leur température d'auto-inflammation - démarrage de la combustion par échauffement en l'absence d'étincelle ou de flamme. L'ensemble de ces conditions doit être réuni pour engendrer l'ignition.

Il est donc nécessaire de connaître le ratio en acides gras insaturés composant le corps gras étudié pour connaître son inclination à s'auto-échauffer. L'étude de ce ratio est indirecte. Elle est réalisée sous la forme d'esters méthyliques d'acides gras (EMAG) correspondants obtenus via une réaction de transestérification (Fig. 2). Ceux-ci sont analysés en chromatographie en phase gazeuse[3]. On s'intéresse aux proportions entre les EMAG saturés et EMAG insaturés mais également entre EMAG mono et polyinsaturés.

  

Fig. 2 : Réaction de transestérification d'une huile végétale

  

Le boom des produits d'origine végétale : véritable déclencheur de cette étude

A l'origine, les préoccupations environnementales, de santé publique et économiques sont les vecteurs de l'apparition sur le marché des produits biosourcés.

Industrie du caoutchouc mise à part, historiquement les esters méthyliques d'huiles végétales (EMHV) ont été, avec le bio-éthanol, parmi les premières matières biosourcées fabriquées à des échelles industrielles comme biocarburant. Le biodiesel constitue l'utilisation principale des EMHV [4]. Ceux-ci sont additivés jusqu'à 7% en volume dans le gazole (routier ou non routier).

Notons que l'huile végétale de base pour la fabrication des EMVH incorporés dans les gazoles varie selon les régions du monde. Les Etats-Unis d'Amérique emploient de manière prépondérante les esters méthyliques d'huile de soja alors qu'en Europe prédomine l'utilisation des esters méthyliques d'huile de colza (environ 80%), l'huile de tournesol et l'huile de soja viennent compléter les 20% restants.

De manière générale, quelle que soit la destination du produit en termes d'usages, la maîtrise des coûts de production oriente les fabricants vers les huiles produites à grande échelle. D'un point de vue forensique, ceci restreint la diversité des compositions étudiées. Dans le même temps, toutes choses étant égales par ailleurs, cela limite également l'individualisation des profils chromatographiques en vue de comparaisons des sources susceptibles d'être à l'origine de la trace.

En termes de volumes produits et d'applications, les biolubrifiants ne sont pas en reste, et sont retrouvés dans différents domaines comme les lubrifiants moteurs, les fluides hydrauliques, les graisses pour pièces mécaniques, les huiles de chaîne de tronçonneuses, les huiles de décoffrage du béton ... [5]

  

Nota : Les biolubrifiants ne sont pas forcément d'origine végétale. Il peut s'agir intégralement ou pour partie de produits de synthèse fabriqués à partir d'huiles renouvelables modifiées ou de pétrole. Au sens de la loi le lubrifiant "bio" doit répondre à trois exigences : biodégradabilité (mesurée sur la dégradation complète du produit), bioaccumulation (non contamination des organismes vivants dans l'écosystème) et non toxicité.

  

Depuis le 9 décembre 2004, la règlementation européenne a uniformisé la définition d'éco-lubrifiant. Ainsi les lubrifiants écolabellisés doivent respecter les pourcentages de matières premières renouvelables :

     - au moins 45 % pour les graisses,

     - au moins 50 % (en masse) pour les huiles hydrauliques,

     - au moins 70 % pour les autres types de produits repris dans la catégorie.

  

Touchant de près le domaine de l'incendie, les allume-feu de dernières génération liquides ou solides sont fabriqués sur des bases d'huiles végétales.

Des substituts de solvants apparaissent de plus en plus. Les applications se diversifient : agents nettoyants des encres, peintures et vernis, agents dégraissants industriels ou ménagers, agents décapants, agents de démoulage ...

Les produits non destinés à l'alimentation sont le plus souvent transformés et additivés en vue de répondre à des critères de performance liés à leur emploi. L'estérification telle que la méthylation des acides gras contenus dans les corps gras est la première des transformations.

Par ailleurs, pour un acide gras insaturé donné, l'ester méthylique correspondant possède une propension à l'auto-échauffement au moins équivalente. Cette modification chimique n'atténue donc pas le phénomène. D'autres modifications ou additifs permettent d'améliorer le comportement des produits. Ainsi certains biolubrifiants nécessitant des tenues à hautes températures voient leurs insaturations époxydées[6]. Pour inhiber le phénomène d'auto-échauffement des anti-oxydants sont ajoutés. Enfin, certains lubrifiants sont mixtes et comprennent une fraction biosourcée et une fraction pétrolière (huile minérale) et/ou synthétique (esters synthétiques : polyalphaoléfines, polyglycols), mono-esters, di-esters, polyols-esters, polymères ...) [5].

  

Identifier les acides gras présents et leurs proportions est suffisant pour établir la présence d'une huile ou graisse organique. Quant à l'estimation du potentiel d'auto-échauffement du produit de question, l'analyste doit prendre en compte non seulement la composition native du corps gras mais intégrer la présence d'adjuvants. D'autre part, il ne doit pas perdre de vue le fait que si ce type de produit peut être une source d'ignition via le phénomène d'auto-échauffement, il peut s'agir ou non d'un produit accélérant, ou, à tout le moins, d'une source de combustible dans l'incendie. S'agissant d'inférer sur des résultats analytiques provenant d'extraits de prélèvements sur scène d'incendie, des interférences d'origine matricielle seront à prendre en compte.

  

Une méthode d'analyse pré-existante ré-adaptée aux contraintes analytiques et expertales du département

Dans le cadre spécifique du traitement des résidus d'incendies, la norme ASTM E 2881-13 [7] décrit une méthode d'analyse permettant l'identification des EMAG sur la gamme C8 à C24 (Fig. 3). La méthode fait appel à la technique de chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS).

 

 

Fig. 3 : Profil chromatographique d'une solution d'EMAG de référence

  

Les paramètres chromatographiques préconisés par la norme ASTM sont conservés. Le choix de colonne chromatographique se porte vers une colonne de nouvelle génération [8]. Pour simplifier la préparation d'échantillon et réduire le temps d'échantillonnage, la réaction de transestérification est réalisée par le biais de l'agent de méthylation suivant : l'hydroxyde de triméthylsulfonium (TMSH) [9], [10] en solution dans le méthanol.

La réaction de dérivatisation fonctionne sur les échantillons issus de l'extraction en phase liquide, étape mise en œuvre dans le cadre de la recherche d'hydrocarbures lourds (C12 à C40). La stratégie analytique de l'unité d'expertise incendie visant la recherche de produits accélérant n'est donc pas perturbée.

Lors de cette recherche d'hydrocarbures lourds précédente, la mise en évidence d'un profil chromatographique de corps gras (Fig. 4a) permet à l'analyste d'apprécier de la pertinence de compléter les analyses de routine par une analyse détaillée (Fig. 4b).

Fig. 4a : Recherche d'accélérant : extraction par solvant de résidus d'incendie
Fig. 4b : Analyse des teneurs en acides gras après estérification de l'extrait a
Fig. 4 : Profils chromatographiques d'un corps gras par GC-MS (TIC)

   

Interprétation des résultats

A partir des données analytiques générées (4b), une analyse semi-quantitative est possible via les ratios d'air de pics chromatographiques des EMAG. Les teneurs des différents acides gras contenus sous forme libre ou de glycéride dans le corps gras de question sont ainsi établies (Fig. 5).

  

Fig. 5 : Teneurs obtenues pour des standards d'huiles ou de graisses

  

L'enjeu à ce stade, est, à partir de la formulation obtenue, d'estimer la propension à l'auto-échauffement du corps gras. Ainsi qu'évoqué précédemment, plus les produits contiennent de composés insaturés (principalement polyinsaturés) plus cette propension est élevée.

Pour exemple, en termes d'auto-échauffement, l'huile de lin présente une tendance élevée liée aux près de 50% d'acide a-linolénique (omega 3, 3 insaturations), 15% d'acide linoléique (omega 6, 2 insaturations) et 20% d'acide oléique (omega 9, monoinsaturation). Les structures chimiques et appellations sont données infra (Fig. 6).Les présentes teneurs sont ici indicatives car il existe une variabilité liée aux divers plants. Cet élément sera à prendre en compte dans l'interprétation des données analytiques. A l'opposé, l'huile de palme ayant une composition faible en acides gras insaturés aura  une tendance faible à l'auto-échauffement.

  

Acide α-linolénique C18:3

Oméga 3 (ω3)

soit 3 doubles liaisons (3 insaturations)

Acide α-linoléique C18:2

Oméga 6 (ω6)

soit 2 doubles liaisons (2 insaturations)

Acide oléique C18:1

Oméga 9 (ω9)

soit 1 double liaison (1 insaturation)

Acide stéarique C18:0

soit aucune double liaison (saturé)

Fig. 6 : Structures d'acides gras comprenant 18 carbones

  

Différents facteurs font qu'il n'est pas opportun de connaître avec précision la composition chimique du corps gras étudié. L'interprétation des résultats analytiques doit tenir compte notamment des éléments qui suivent.

En premier lieu, il existe une variabilité des teneurs pour une famille de plantes données. En 2012 l'OCDE recense plus de 200 variétés de lin [11] cultivées et destinées au commerce international. Les compositions peuvent ainsi fluctuer d'une variété à une autre.

On peut également trouver des familles de plantes qui présenteront une intravariabilité élevée de leurs huiles pouvant même sur certaines variétés ressembler en composition à des huiles d'autres plantes. Prenons l'exemple du tournesol. Ce dernier possède des variétés de tournesol oléique dont les huiles peuvent présenter une teneur d'environ 80% en acide oléique (proche de celle de l'huile d'olive) contre près de 20% dans une huile de tournesol classique.

L'engouement pour le "bien manger", le manger "BIO" et l'autorisation de mise sur le marché alimentaire de nouvelles huiles riches en oméga 3 et 6 (donc polyinsaturées) vient accroître le champ des possibles et le risque de similitudes. Citons pour exemples l'huile de chanvre, de chia, de cumin noir et autre cameline. Non évoqué jusqu'à présent, de nombreuses huiles alimentaires commerciales procèdent de mélanges de plusieurs huiles végétales.

Ensuite, s'agissant d'étudier des résidus d'incendie, il faut principalement tenir compte de l'altération des molécules liée à leur exposition à la chaleur. L'oxydation des acides gras menant au phénomène d'auto-échauffement est un facteur de modification des compositions. Les acides gras les plus insaturés sont les plus sensibles à l'oxydation. L'effet de cette dégradation est double au niveau de la modification des teneurs. La composition en C18:3 et C18:2 a tendance diminuer pour augmenter conséquemment celle du C18:1 et C18:0.

 

Fort des éléments précédents, l'estimation de la propension à l'auto-échauffement d'un corps gras s'établit en relation avec le comportement d'huiles de références dont les compositions sont connues. On tient compte du fait que, pour une huile ou graisse de question, la composition obtenue pour les polyinsaturés et monoinsaturés est une photographie minimaliste de teneurs vraisemblablement plus élevées à l'origine.

  

Expression des résultats

Basée sur les recommandations de la norme dans le domaine [7], l'expression des résultats tient compte de la proportion des acides gras polyinsaturés. La synthèse des critères de classification et conclusion attenante, en termes d'auto-échauffement, peut s'illustrer à l'aide du tableau ci-après.

  

Résultats des analyses

Conclusion

Des acides sont identifiés mais aucun polyinsaturés n'est mis en évidence.

Présence d'un corps gras présentant une tendance faible à l'auto-inflammation.

Des acides sont identifiés mais la proportion en polyinsaturés est faible (C18:2 < 30% et C18:3 < 10%).

Présence d'un corps gras présentant une tendance modérée à l'auto-inflammation.

Des acides sont identifiés, la proportion en polyinsaturés est élevée.

Présence d'un corps gras présentant une tendance élevée à l'auto-inflammation. Ceci n'implique pas nécessairement qu'une inflammation spontanée ce soit produite.

  

Pour conclure...

Dans une société en perpétuel changement, les technologies évoluent afin de faire face à des questions d’ordre écologique, social, économique, sanitaire, ... L’impact forensique est évident et L’IRCGN suit donc naturellement ces évolutions.. L’unité d’expertise Incendies se tient alors régulièrement à jour des nouvelles avancées technologiques et industrielles dans le secteur de l’automobile, des carburants, … pour ne citer qu’eux. Ainsi, l’approfondissement de la connaissance des produits recherchés, associée aux progrès logiciels et matériels donnent de nouvelles perspectives d’analyses.

 

Sources

[1] NFPA 921 - Edition 2014 : Guide pour les investigations incendie et explosion.

[2] E. STAUFFER - Fire Debris Analysis

[3] Norme ISO 12966-1 : Corps gras d'origines animale et végétale -- Chromatographie en phase gazeuse des esters méthyliques d'acides gras -- Partie 1 : Lignes directrices relatives à la chromatographie en phase gazeuse moderne des esters méthyliques d'acides gras.

[4] IRSST Rapport B 079 : La substitution des solvants par les esters méthyliques d’acides gras d’huiles végétales.

[5] Étude du Groupe de Travail “Lubrifiants d’origine végétale”, ValBiom - janvier 2003.

[6] Epoxidized soybean oil as a potential source of high-temperature lubricants

A. Adhvaryu a,b, S.Z. Erhan b

[7] Norme ASTM E 2881-13 : Standard test method for Extraction and derivatisation of vegetable oils and fats from fire debris and liquid samples with analysis by gas chromatography-mass spectrometry, publiée en janvier 2013.

[8] Phenomenex colonne GC Zebron ZB FFAP 

[9] Norme NF EN ISO 12966-3 : Chromatographie en phase gazeuse des esters méthiliques d'acides gras -- Partie 3 : Préparation des esters méthyliques à l'aide d'hydroxyde triméthylsulfonium (TMSH).

[10] Note d'application de Macherey-Nagel N° 213060

[11] OCDE : Liste des variétés admises à la certification des semences 2012/

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