CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI IV. INDUSTRIA ALIMENTARĂ ŞI AGRICULTURA

Chimiştii şi inginerii chimişti au avut o serie de contribuţii în industria alimentară şi în agricultură, contribuţii care au facilitat creşterea consumului de alimente, mai ales a alimentelor cu un conţinut nutritiv ridicat. La începutul secolului XX, o bucătărie de nivel mediu era aprovizionată cu produse din sere, grădină sau de la ferme ţărăneşti din zonă, ouăle proveneau de la găinile din curte, legumele şi fructele din grădină, iar carnea era păstrată în cutii cu gheaţă şi gătită pe sobă cu cărbuni sau lemne. Ultimul secol a adus schimbări uriaşe în ceea ce priveşte modul în care ajung alimentele pe masa noastră, prin faptul că fermele au devenit mai productive, iar furnizarea alimentelor şi apei mult mai accesibilă pentru populaţie şi producători. Fermierii moderni utilizează noi produse chimice (îngrăşăminte şi pesticide) pentru creşterea producţiei agricole. Consumatorii beneficiază de noi tehnologii care intensifică aroma, îmbunătăţesc aspectul, prelungesc termenul de valabilitate şi păstrează valoarea nutritivă a alimentelor. Dezvoltarea chimiei a contribuit la asigurarea hranei necesare pentru populaţia în creştere.

IV.1. Îngrăşăminte şi nutrienţi pentru sol

Fixarea azotului Procedeul Haber-Bosch Diversificarea tipurilor de îngrăşăminte chimice Revoluţia “verde“ şi hibrizii

IV.3. Prelucrarea şi manipularea alimentelor, siguranţa alimentaţiei

Zaharina şi îndulcitorii Vitaminele şi mineralele Conservarea şi prelucrarea avansată Siguranţa alimentelor şi controlul de calitate

IV.2. Protecţia culturilor

Metoda Bordeaux şi fungicidele DDT-ul şi pesticidele Protecţia Livestock Mecanizarea agriculturii

IV.4. Depozitarea alimentelor

Ambalarea alimentelor Agenţi frigorifici (freonul) Cuptoarele cu microunde Apa potabilă

CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI

IV. INDUSTRIA ALIMENTARĂ ŞI AGRICULTURA

Istoric

1881 Omul de ştiinţă francez Louis Pasteur descoperă vaccinul împotriva antraxului la ovine şi porcine.

1883 Chimistul danez Johan Gustav Kjeldahl descoperă metoda de determinare a conţinutului de azot din compuşii organici.

1884 Botanistul francez Pierre M. A. Millardet realizează amestecul Bordeaux pentru combaterea manei viţei-de-vie.

1901 John F. Quenny, fondatorul companiei Monsanto, produce zaharina.

1913 Doi chimişti germani, Fritz Haber şi Carl Bosch, pun la punct procedeul de producere a amoniacului la scară industrială.

1913 Elmer V. McCollum şi Marguerite David descoperă vitamina A în unt şi în gălbenuşul de ou.

1918 Firma Kelvinator lansează pe piaţă primul frigider cu compresor pentru uz casnic.

1933 Laptele îmbunătăţit cu vitamina D se vinde pe piaţă.

1939 Chimistul elveţian Paul Mueller descoperă proprietăţile insecticide ale pesticidului DDT.

1943 Departamentul american al agriculturii dezvoltă metoda dispersiei cu aerosoli a insecticidelor.

1953 Firma Dow introduce pe piaţă folia de plastic pentru uz casnic.

1964 Revoluţia verde (‘Green Revolution’): utilizarea noilor hibrizi de plante şi a îngrăşămintelor lichide ajută la rezolvarea problemelor nutriţionale apărute pe glob.

1968 Interzicerea folosirii DDT-ului în Ungaria. (În SUA este interzis DDT-ul începând cu anul 1972).

1974 Firma Monsanto introduce pe piaţă ierbicidul Roundup.

1990 Produsele ‘nutraceutice’ se produc la scară comercială.

Louis Pasteur vaccinând animale

Echipament pentru determinarea conţinutului

de azot din materiale organice prin

metoda Kjeldahl

Pierre M. A. Millardet

Pachet original de zaharină

Gălbenuşul de ou conţine vitamina A

Frigider Kelvinator pentru uz casnic

Pachet original DDT

Lapte îmbogăţit în vitamina D

Poster al fabricii Monsanto

Fixarea azotului Fixarea azotului este un proces natural, esenţial, în care azotul din aer, inert chimic, este transformat iniţial de către microorganisme în compuşi anorganici ce conţin atomi de azot. Aceştia sunt asimilaţi de plante şi intră în lanţul nutriţional sub formă de compuşi organici cu azot, cum sunt de exemplu proteinele din plante. Azotul care se găseşte în sol, în special sub formă de nitraţi, este insuficient pentru producţiile intensive de culturi. Au fost dezvoltate o serie de tehnologii pentru a obţine îngrăşăminte pe bază de azot, acestea incluzând şi metoda Haber-Bosch pentru sinteza amoniacului, metodă utilizată pe scară largă la producerea îngrăşămintelor chimice cu azot. Obţinerea de soluri chimice echilibrate a fost devansată de aplicarea în 1956 a procedeului Kjeldahl, procedeu de determinare a cantităţii de azot prezente în compuşii organici.

Procedeul Haber-Bosch La sfârşitul secolului XIX, rezervele limitate de hrană ale populaţiei, care era în continuă creştere, au determinat sporirea interesului pentru obţinerea de producţii agricole cât mai mari. Conţinutul de azot din solul agricol era epuizat şi problema obţinerii industriale a îngrăşămintelor pe bază de azot a devenit de stringentă actualitate. Unii dintre oamenii de ştiinţă au prezis foamete pe plan mondial. Ca urmare, producerea de compuşi cu azot folosind azotul din aer, a devenit prioritară. Rezolvarea a venit în 1908 din Germania, unde Fritz Haber a descoperit principiile sintezei amoniacului, utilizând toate cunoştinţele furnizate de fizică şi chimie la momentul respectiv. Sinteza are loc în prezenţa unui catalizator pe bază de fier, la presiune şi temperatură ridicate. Carl Bosch, chimist la BASF (Badische Anilin & Soda Fabrik) a transformat procedeul într-unul comercial, prin realizarea primei producţii la nivel industrial în 1913. Acest procedeu industrial a permis creşterea atât a producţiei agricole, cât şi a populaţiei umane în timpul secolului XX.

Îngrăşămintele chimice Începând din 1913, îngrăşămintele sintetice au fost produse industrial şi au contribuit substanţial la îmbunătăţirea producţiei de cereale. Inovaţii în tehnologia de producere a îngrăşămintelor au fost făcute chiar de atunci, incluzând obţinerea îngrăşămintelor granulare (1930) şi introducerea îngrăşămintelor sub formă de suspensie. În anii 1970, au fost obţinute îngrăşăminte cu granulaţie din ce în ce mai fină, conducând la apariţia îngrăşămintelor utilizate în gospodăriile individuale. Cele mai recente inovaţii în domeniul îngrăşămintelor chimice se referă la utilizarea de capsule care eliberează treptat substanţa activă în sol, evitându-se astfel folosirea unei cantităţi prea mari de îngrăşământ care ar putea afecta mediul.

Revoluţia Verde şi plantele hibride Începând din anii 1870, plantele hibride au fost create să aibă proprietăţi care să determine creşterea producţiei de hrană şi a calităţii acesteia. Chimia organică a ajutat la identificarea compoziţiei şi structurii plantelor cu calităţi corespunzătoare, formarea de hibrizi care preiau aceste caracteristici şi maximizarea conţinutului de azot asimilat din solul tratat cu îngrăşăminte chimice. Aceste realizări au condus la “Revoluţia Verde”, începută în 1943, atunci când Mexicul a ajuns la capacitate maximă în producţia de grâu. Începând din 1964, mare parte din populaţia Asiei a fost hrănită folosind noi plante hibride şi nutrienţi chimici pentru sol. Pretutindeni se produc azi noi soiuri de plante hibride, a căror dezvoltare este controlată prin aportul de nutrienţi în sol. Au fost realizate soiuri de porumb şi cartofi care în timpul dezvoltării lor sunt capabile să secrete la nivelul frunzelor şi tulpinii pesticide care le protejează contra dăunătorilor.

Fritz Haber

CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI

IV. INDUSTRIA ALIMENTARĂ ŞI AGRICULTURA

Nodulii rădăcinilor

Ciclul azotului în natură

IV.1. Ingrăşăminte şi nutrienţi pentru sol

Metoda Bordeaux şi fungicidele În 1882 botanistul francez Pierre M. A. Millardet a folosit o suspensie apoasă de sulfat de cupru şi lapte de var (amestecul Bordeaux) pentru a combate în mod eficient mucegaiul din podgoriile franceze. Aceasta a însemnat practic începutul utilizării pe scară largă a fungicidelor, ceea ce a revoluţionat protecţia pe cale chimică a recoltelor. Zeama bordeleză este utilizată azi în combaterea unui număr mare de ciuperci care atacă recoltele. Contribuţiile chimiei în domeniul fungicidelor agricole au continuat, producându-se fungicide care să combată tot mai eficient dăunătorii. Pot fi amintite ca repere apariţia fungicidelor pe bază de ditiocarbamaţi în 1934 şi a fungicidelor pe bază de strobilurin în 1996. DDT-ul şi Pesticidele

Pesticidele protejează recoltele de atacul ciupercilor, insectelor şi faţă de competiţia altor plante. În 1939 Paul Mueller a realizat insecticidul DDT (diclordifeniltricloretan) pentru combaterea scarabeului cartofilor şi a altor insecte. DDT-ul şi pesticide similare au fost utilizate în combaterea dăunătorilor recoltelor pentru mai bine de 20 de ani. În anii 1960, preocupările legate de protecţia mediului şi acumularea DDT-ului în corpul uman, precum şi rezistenţa speciilor dăunătoare la aceste chimicale, au dus la dezvoltarea de noi pesticide şi renunţarea la DDT. Utilizarea noilor pesticide, active în cantitate redusă, conduce la economii pentru fermieri, la o mai bună protecţie pentru muncitori şi la diminuarea poluării mediului înconjurător.

Protecţia animalelor domestice Interesul pentru tratarea bolilor animalelor, prin vaccinare sau prin medicaţie, a dus la creşterea calităţii şi cantităţii rezervelor de hrană. În 1881, Louis Pasteur a perfecţionat cu succes tehnici de vaccinare a animalelor cu scopul de a induce imunitate faţă de organismele producătoare de antrax. În 1981 a fost introdus produsul Ivermectin pentru a combate o gamă largă de insecte, viermi şi alţi paraziţi interni care afectează sănătatea animalelor. Cercetări recente încearcă să prevină encefalita spongiformă bovină (BSE), aşa numita “boală a vacii nebune” care se presupune a fi cauzată de proteine din hrana animală purtătoare de agenţi patogeni.

Mecanizarea fermelor Chimia agricolă şi mecanizarea agriculturii s-au dezvoltat în paralel în ultimul secol, urmărindu-se creşterea continuă a producţiei agricole şi calitatea cerealelor. Tractorul cu motor Diesel a fost realizat de americanul Benjamin Holt, în 1904. Tractoarele de azi, cultivatoarele, secerătorile, aparatele de irigat, tehnologiile cu aplicaţii computerizate şi sofisticatele softuri GPS, utilizate şi în agricultură, sunt toate posibile datorită contribuţiilor din domeniul chimiei, cum ar fi combustibili petrochimici, materiale (aliaje metalice şi materiale plastice avansate) şi electronicii.

CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI

IV. INDUSTRIA ALIMENTARĂ ŞI AGRICULTURA

Coji de ouă subţiate din

cauza DDT-ului

Louis Pasteur

Secerătoare modernă

Tractor pe şenile realizat de Holt

DDT în combaterea malariei

IV.2. Protecţia recoltelor şi combaterea dăunătorilor

Zaharina şi îndulcitorii

Îndulcitorii artificiali, întrebuinţaţi în alimentaţie ca înlocuitori ai zahărului, ajută atât bolnavii de diabet, cât şi persoanele sănătoase în controlul consumului de zahăr. În 1901, John F. Quenny a sintetizat îndulcitorul artificial zaharina. În 1967, a fost obţinut siropul de porumb cu nivel ridicat de fructoză, utilizând o enzimă pentru intensificarea gradului de dulce al siropului, prin creşterea conţinutului în fructoză de la 14% la 42%. Acest sirop devine repede cel mai utilizat îndulcitor pentru majoritatea băuturilor nealcoolice. Aspartamul a fost vândut pentru prima dată ca îndulcitor în 1985 în SUA. Este un îndulcitor cu puţine calorii, dar cu efect intens. În 1955 a fost testat ca posibil medicament în tratamentul ulcerului gastric.

Aditivi pentru vitamine

Explorarea biochimiei alimentelor a revoluţionat nutriţia, oferind remedii pentru deficienţele cauzate de dietă şi malnutriţia cauzată de lipsa de vitamine. Chimia a înregistrat progrese majore în acest domeniu, aşa cum a arătat examinarea primei vitamine descoperite. Vitamina A (beta-carotenul) a fost izolată în 1913 din unt şi gălbenuşul de ou, şi este un nutrient esenţial, cu acţiune asupra vederii şi a epiteliului. Structura ei chimică a fost stabilită în 1931 şi a fost sintetizată pe cale chimică pentru prima dată în 1947. În 1928, biochimistul maghiar Albert Szent-Györgyi a izolat acidul hexuronic (acidul ascorbic) din glandele suprarenale. Produsul este cunoscut ca şi vitamina C. În 2001, apare în Asia orezul de aur, specie modificată genetic, care produce pro-vitamina A, cu ajutorul căreia medicina luptă împotriva orbirii şi a altor boli generate de avitaminoze şi nutriţia deficitară.

Producerea şi păstrarea alimentelor

Originile chimiei alimentare pleacă de la germanul Justus Liebig, care a obţinut pentru prima dată un extract de carne la mijlocul secolului al XIX-lea. Progresele în tehnologiile de păstrare şi procesare au permis obţinerea de produse semipreparate. Prin dezvoltarea chimiei alimentare s-au găsit noi tehnologii de procesare şi au apărut noi sortimente alimentare. Apariţia tehnologiilor de liofilizare (îngheţare-uscare, 1906), congelare produse (1920), congelare semipreparate (1939), producere a concentratelor lichide (1946) a permis prelungirea perioadei de valabilitate a produselor alimentare.

Siguranţa alimentelor şi testarea

Orice produs agricol, crud sau preparat, poate fi contaminat şi poate afecta sănătatea umană. Contaminarea poate interveni în timpul preparării, servirii sau depozitării. Realizările în domeniul chimiei care măresc siguranţa în alimentaţie se referă la metode analitice de testare rapidă în vederea identificării microbilor şi pentru controlul şi combaterea epidemiilor alimentare. Bolile provocate de cei mai uzuali agenţi patogeni alimentari au fost reduse cu 20% în SUA în perioada 1997 - 1999.

CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI

IV. INDUSTRIA ALIMENTARĂ ŞI AGRICULTURA

Afişul pentru extractul de carne al lui Liebig

IV.3. Prelucrarea şi manipularea alimentelor, siguranţa alimentaţiei

Împachetarea alimentelor

Păstrarea alimentelor în ambalaje din mase plastice, metale, sticlă sau ceramică asigură menţinerea proprietăţilor acestora în timpul comercializării, transportului şi depozitării. În 1930, Ralph Wiley a obţinut polimerul Saran, iar în 1953, a fost introdus în gospodărie ambalajul Saran, care constituie o excelentă barieră împotriva oxigenului, umidităţii, mirosurilor şi a chimicalelor, chiar şi în condiţii extreme. Ambalajul Saran este realizat dintr-un copolimer pe bază de clorură de viniliden şi clorură de vinil. Alte realizări includ folosirea ambalajelor de aluminiu pentru alimente şi băuturi (anii 1960) şi a polietilentereftalatului (PET) ca ambalaj reciclabil pentru înlocuirea sticlei sau aluminiului (anii 1970).

Agenţi de congelare, freonul

Încă de la introducerea ei în gospodărie, în anul 1918, congelarea a facilitat păstrarea alimentelor proaspete, asigurând transportul şi stocarea acestora într-un mod sănătos. La începutul anilor 1920, când dioxidul de sulf, folosit iniţial ca lichid de răcire, s-a dovedit a fi toxic, interesul pentru utilizarea congelatorului a scăzut. Soluţia pentru remedierea acestui neajuns a fost Freonul 12, un compus fluoro-cloro-carbonat (denumit CFC, cu formula CCl2F2), sintetizat în 1931 de către Thomas Midgley şi Charles Kettering. Congelatoarele au devenit rapid indispensabile în gospodării, restaurante şi magazine alimentare. Astăzi se renunţă treptat la folosirea freonului ca agent de răcire datorită acţiunii sale distructive asupra stratului de ozon.

Cuptoarele cu microunde

Aparatele electrocasnice apărute în secolul XX au eliminat mare parte din munca necesară preparării alimentelor. O astfel de inovaţie a fost cuptorul cu microunde. În 1945 Percy L. Spencer, stând lângă un emiţător radar la Raytheon, a observat că o bomboană aflată în buzunarul său a început să se topească. Fascinat, el a refăcut experimentul folosind boabe de porumb uscate (popcorn) şi astfel a luat naştere cuptorul cu microunde. Acesta a fost iniţial utilizat în restaurante. În zilele noastre, emiţătoarele de microunde de tipul celor utilizate în timpul celui de-al doilea război mondial, numite magnetroane, încă formează nucleul acestor aparate electrocasnice uzuale.

Apa potabilă

Progresele în domeniul chimiei au asigurat apa curată, inclusiv cea potabilă, lipsită de bacterii, viruşi sau alţi agenţi patogeni. Inovaţiile includ utilizarea filtrelor de carbon pentru îndepărtarea suspensiilor, gustului sau mirosului neplăcut, a unor agenţi de complexare pentru îndepărtarea metalelor grele din apă şi tehnologii moderne pentru tratarea, aprovizionarea şi distribuţia apei potabile sau pentru uz gospodăresc. Tratarea apei cu clor a fost utilizată începând din 1910, iar înălbitorii au fost introduşi în 1913. Utilizarea dezinfectanţilor pe bază de clor este şi în prezent o modalitate excelentă de a proteja împotriva microbilor mobilierul de bucătărie şi implicit vasele şi alimentele.

CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI

IV. INDUSTRIA ALIMENTARĂ ŞI AGRICULTURA

Cutie de gheaţă (1890) şi frigider modern

Molecula de acid hipocloros

IV.4. Păstrarea alimentelor