A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMEL IV

Az előadások a következő témára: "A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMEL IV"— Előadás másolata:

1 A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMEL IV
A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMEL IV. MEZŐGAZDASÁG ÉS ÉLELMISZERBIZTONSÁG A vegyészek és vegyészmérnökök számos fejlesztése a mezőgazdaság és az élelmiszerbiztonság területén lehetővé tette számunkra, hogy többet termeljünk, betakarítsunk és bőséges, tápláló ételeket fogyasszunk. A XIX. és a XX. század fordulóján egy átlagos család asztalára a pincéből, az udvarról és saját földjeikről származó termények kerültek: vaj az istállóból, tojás a baromfiudvarról, zöldség a veteményeskertből; a húst jégveremben tárolták, és a tűzhely szén- vagy fatüzelésű volt. Az elmúlt évszázad alatt sok minden megváltozott. A gazdaságok ma már sokkal termelékenyebbek. A modern földművesek a bőségesebb termés elérése érdekében felhasználják a kémiai fejlesztések eredményeit: a műtrágyát, a növényvédő szereket. Az új technológiák előnyeit a fogyasztók élvezik azáltal, hogy a termékek ízletesebbek, gusztusosabbak és rendszeresebben elérhetők. Mára annyi élelmiszert tudunk termelni, hogy a Föld rohamosan növekvő lélekszámú népességének minden tagját kielégítő szinten el lehetne látni. IV.1.Műtrágyák és tápoldatok A Haber-Bosch eljárás Nitrogén megkötése A műtrágyák fejlődése Zöld Forradalom és hibridnövények IV.2. Terményvédelem és rovarirtás A Bordeaux-i eljárás és a gombaölő szerek A DDT és a rovarirtó szerek Haszonállatok védelme A gazdaságok gépesítése IV.3. Élelmiszer-előállítás, -kezelés, -biztonság A szacharin és a mesterséges édesítőszerek Vitaminok és ásványi anyagok Konzerválás és gyártási fejlesztések Élelmiszerbiztonság és minőség-ellenőrzés IV.4. Élelmiszerek tárolása Élelmiszerek csomagolása A hűtőfolyadékok és freonok Mikrohullámú sütő Tiszta víz

2 Kronológia 1881: A francia Louis Pasteur felfedezi a lépfene (antrax) elleni vakcinát, mellyel juhokat és sertéseket olt be. 1883: Johan Gustav Kjeldahl, dán kémikus kidolgozza a szerves anyagok nitrogéntartalmának kimutatására szolgáló analitikai kémiai eljárást. 1884: Pierre M. A. Millardet francia botanikus kidolgozza a szőlők penészesedése ellen használható Bordeaux-i keveréket (Magyarországon bordói lének nevezik). 1901: John F. Queeny, a Monsanto cég alapítója, gyártani kezdi a szacharint. 1913: Két német vegyész, Fritz Haber és Carl Bosch eljárásának köszönhetően sikerül annyi ammóniát előállítani, amivel a nitrogéntartalmú műtrágya gyártása ipari méretekben megvalósítható. 1913: Elmer V. McCollum és Marguerite David felfedezik a vajban és a tojássárgájában az A-vitamint. 1918: A Kelvinator cég beindítja az első kompresszoros háztartási hűtőgépet. 1933: D-vitaminnal dúsított tejet hoznak forgalomba. 1939: Paul Müller, svájci kémikus felfedezi a DDT rovarirtó hatását. 1943: Az USA Mezőgazdasági Minisztériumának vegyészei aeroszol diszperziókat fejlesztenek ki rovarirtás céljára. 1953: A Dow cég kifejleszti a folpack háztartási csomagolóanyagot. 1964: A Zöld Forradalom: a hibridnövények és a folyékony műtrágya alkalmazása révén Ázsia népességének élelmezése megoldódik. 1972: Az USA-ban betiltják a DDT használatát. (A világon elsőként, Magyarországon tiltották be használatát 1968-ban.) 1974: A Monsanto cég kifejleszti a széles körben alkalmazható, beszántást nem igénylő Roundup nevű gyomirtóját. 1990: Az élelmiszerek területén meghonosodó újítások a kereskedelemben népszerűvé válnak.

3 IV.1. Műtrágyák és tápoldatok
Nitrogén megkötése A nitrogén megkötése létfontosságú természeti folyamat, amelynek során egyes mikroorganizmusok, a kémiailag egyébként igen közömbös elemi nitrogént nitrogénvegyületekké alakítják. Ezeket aztán a növények viszik be a táplálékláncba, azáltal, hogy szerves nitrogénvegyületekbe, pl. fehérjékbe építik be azokat. A XX. század első felétől kezdve, amióta a növények által felvehető talajnitrogén, elsősorban a nitrátionok, nem elegendőek az intenzív élelmiszertermeléshez, több eljárást dolgoztak ki nitrogéntartalmú műtrágyák előállítására. A legismertebb közöttük a Haber-Bosch-féle ammóniaszintézis. A kiegyensúlyozott talajkémia megvalósulását tette lehetővé 1956-ban, az automatizált Kjeldahl-eljárás, melynek segítségével analizálható a szerves vegyületek nitrogéntartalma. Nitrogén-körforgás A szerves anyagok nitrogéntartalmának Kjeldahl módszerrel történő meghatározására szolgáló modern berendezés Gyökérgümők

4 IV.1. Műtrágyák és tápoldatok
A Haber- Bosch eljárás A XIX. század végére a növekvő népesség élelmiszer-ellátása egyre nagyobb gondot jelentett, mert a termőtalajok nitrogéntartalma kimerülőben volt, és a nitrogéntartalmú műtrágyák előállítását még nem oldották meg. Egyes tudósok már világméretű éhínségtől tartottak. Sürgető volt tehát a feladat, hogy a levegő nitrogénjét felhasználva tudjanak nitrogéntartalmú vegyületet előállítani. A problémát végül Németországban oldották meg ban Fritz Haber lefektette az ammóniaszintézis alapelveit. A megvalósításhoz a kor minden fizikai és kémiai tudására szükség volt. A szintézis nagy nyomáson, vaskatalizátor jelenlétében, megfelelő hőmérsékleten megy végbe ra Carl Bosch, a BASF cég kémikusa üzleti alapokra helyezte ezt a folyamatot: megszületett az első, valóban modern nagyipari eljárás. Ennek köszönhetően fejlődött a mezőgazdasági termelés és az emberi népesség a XX. században. Fritz Haber

5 IV.1. Műtrágyák és tápoldatok
Fejlődés a műtrágyák területén 1913-tól kezdődően a műtrágyákat kereskedelmi méretekben gyártották, azért hogy jelentősen növeljék a terméshozamot. Fejlesztések a műtrágyák termelésében mindig voltak, például az 1930-as években piacra dobott granulált(=szemcsézett) műtrágyák, vagy az 1965-ös évben az amerikai piacon megjelenő műtrágya-szuszpenzió. Az 1970-es években a granulátumokat tovább finomították, így házi használatra is alkalmas műtrágya-keveréket hoztak létre. A legújabb fejlesztés a kereskedelmi műtrágyák területén az úgynevezett kapszulázási eljárás, melynek lényege, hogy a műtrágya hatóanyaga meghatározott idő alatt oldódik be a talajba. A módszer alkalmazásával elkerülhető a túltrágyázás okozta számtalan környezeti probléma.

6 IV.1. Műtrágyák és tápoldatok
Zöld Forradalom és hibridnövények Az 1870-es évek óta állítanak elő, és termesztenek hibridnövényeket. Ennek célja az élelmiszer-előállítás fokozása, illetve a kívánt, jobb minőség elérése. A szerves kémia segítségével megállapították a kívánatos növényi minőséget, majd az egymást követő hibridnemzedékek tagjaiból kiválogatták a kívánt tulajdonságokat hordozó egyedeket, és ezeket termesztették tovább. Később műtrágyákkal maximalizálták a nitrogénfelvételt. Ez a fejlődés vezetett az úgynevezett „Zöld Forradalomhoz”, amelynek kezdete 1943-ra, Mexikó búzatermelésben való önellátóvá válásának idejére tehető. Már 1964-re az ázsiai lakosság nagy részének élelmezésére új hibridnövényeket használtak, és a nagyobb termelékenység érdekében talajtápláló kémiai szereket alkalmaztak. Napjainkban az amerikai farmerek olyan újfajta hibridnövényeket vonnak be a termelésbe, pl. kukoricát, krumplit, amelyek leveleikben, szárukban rovarirtó szereket tartalmaznak.

7 IV.2. Terményvédelem és rovarirtás
Bordeaux-i eljárás és a gombaölő szerek 1882-ben a francia botanikus, Pierre M. A. Millardet a francia szőlőkben a gombásodás elleni hatékony küzdelemben réz-szulfát (rézgálic) és kalcium-hidroxid (mésztej) oldatát alkalmazta (Bordeaux-i keverék vagy bordói lé). Ezt ma is számos, különféle terményeket támadó gomba ellen használják. A bordói levet tartják az első nagyüzemi gombaölő szernek, mely forradalmasította a vegyi növényvédelmet. A kémiai fejlesztések folytatódtak: 1934-ben bevezették a ditiokarbamát alapú gombaölő szereket, majd 1996-ban a strobilurin gombaölő szereket. Pierre M. A. Millardet

8 IV.2. Terményvédelem és rovarirtás
DDT és a rovarirtó szerek A növényvédő szerek (peszticidek) megóvják a mezőgazdasági növényeket a gombáktól, rovaroktól és gyomoktól ben Paul Müller kifejlesztette az olcsó DDT-t (diklór-difenil-triklóretán) a krumplibogarak és más rovarok ellen. A DDT-t és a hasonló típusú, klórtartalmú rovarirtó szereket a növénybetegségek és a rovarok okozta betegségek ellen használták közel 20 éven keresztül. Az 1960-as években a nyilvánosság aggódott az emberi szervezetben felhalmozódó DDT egészségkárosító hatása miatt, és emellett kialakult a rovaroknak az ilyen típusú rovarirtó szerekkel szembeni ellenállósága (rezisztencia). Mindez új rovarirtó szerek kifejlesztéséhez és a DDT alkalmazásának betiltásához vezetett. A ma használt, alacsony hatóanyag-tartalmú rovarirtó szerek kedvező tulajdonságai: nagyobb megtakarítást jelentenek a termelőknek, nagyobb a vegyszerekkel dolgozók biztonsága, és a környezetet kisebb mértékben terhelik. A DDT hatására elvékonyodott a tojások héja A DDT-t malária ellen is használták

9 IV.2. Terményvédelem és rovarirtás
Haszonállatok védelme Az állatok betegségének gyógyszerekkel és oltással történő kezelése jelentősen javította az élelmiszer-ellátás minőségét és mennyiségét ben Louis Pasteur sikeresen tökéletesítette az állatok oltására használt eljárásokat, melyekkel immunrendszerüket erősítette a lépfene baktériumával szemben. 1981-ben az állatok egészségét károsító apró élőlények, férgek és más belső élősködők ellen a parazitaölő Ivermectin használatát vezették be. A jelenlegi kutatások a szarvasmarha szivacsos agyvelőgyulladásának (BSE) megakadályozására irányulnak. A kutatók úgy gondolják, hogy a betegségért az állati tápban lévő egyes fehérjék a felelősek. Louis Pasteur állatokat olt be Louis Pasteur

10 IV.2. Terményvédelem és rovarirtás
A gazdaság gépesítése Az elmúlt több mint 100 évben a mezőgazdasági kémia és a gazdaság gépesítése együtt fejlődött, és jelentősen hozzájárult az agrárgazdaság hatékonyságának és a termelékenységének növeléséhez. A gázolajjal működő traktort 1904-ben Benjamin Holt fejlesztette ki, mert megjelent az igény arra, hogy a vizet és a mezőgazdasági kémiai szereket (műtrágyák, rovarölő szerek) hatékonyan tudják kijuttatni a termőföldekre. Az olyan kémiai fejlesztések, mint az új típusú üzemanyagok, szerkezeti elemek, például fémötvözetek, műanyagok és gumiabroncsok, illetve az olyan számítástechnikai fejlesztések, mint a GPS-szoftverek, számítógépes vezérlés, mind-mind hozzájárultak a mai traktorok, kultivátorok, kombájnok, öntözőgépek hatékonyabb működéséhez, ezáltal a termelékenyebb mezőgazdasághoz. Kombájn napjainkban Holt traktora-1904

11 IV.3. Élelmiszer-előállítás, -kezelés, -biztonság
A szacharin és a mesterséges édesítőszerek A kémia segítségével előállított mesterséges édesítőszerek mind a cukorbetegek, mind a diétázók számára új lehetőséget nyújtottak vércukorszintjük szabályozására. Az első mesterséges édesítőszert, a szacharint John F. Queeny állította elő 1901-ben. Az USA-ban 1985-ben engedélyezték az aszpartám kereskedelmi forgalomba helyezését. Ezt az alacsony kalóriatartalmú, NutraSweet-ként áruba bocsátott intenzív édesítőt 1955-ben találták fel, mint a fekélyes megbetegedések egyik lehetséges gyógyszerét. Szacharin korabeli kiszerelésben

12 IV.3. Élelmiszer-előállítás, -kezelés, -biztonság
Vitaminok és ásványi anyagok Az élelmiszerek biokémiájának megismerésével döntő változás következett be a táplálkozás terén: megfelelő diétás kúrákat ajánlhatunk a vitaminhiányban vagy alultápláltságban szenvedő betegek számára. Ezen a területen a kémia nagy fejlődést ért el, amikor a tudósok bemutatták az első olyan vitamint, melynek működését megfejtették ban fedezték fel a vajban és a tojássárgájában megtalálható A-vitamint, ami létfontosságú tápanyagunk. Hámvédő hatása van, valamint a látásért is felelős. Az A-vitamin szerkezetét 1931-ben határozták meg, mesterséges úton pedig 1947-ben állították elő először ban a magyar Szent-Györgyi Albert mellékveséből különítette el a ma C-vitaminként (vagy aszkorbinsavként) ismert hexuronsavat. 2001-ben a tudósok létrehoztak egy olyan genetikailag módosított rizsfajtát, az „arany rizs”-t, ami tartalmazza az A-vitamin provitaminját. Ilyen módon próbálják meg leküzdeni az Ázsiában igen gyakori hiánybetegségeket.

13 IV.3. Élelmiszer-előállítás, -kezelés, -biztonság
A konzerválás és gyártási fejlesztések Az élelmiszerkémia kezdetei a német Justus Liebig munkásságáig nyúlnak vissza, aki a XIX. század derekán először készített húskivonatot. A konzerválásban és a gyártási technológiában zajló további fejlesztések lehetővé tették, hogy ételeinket feldolgozott élelmiszerekből készítsük. Mivel az élelmiszerkémia ipari méretű ellátást folytatott, sokféle feldolgozott élelmiszert fejlesztettek ki. Az új technológiák meghosszabbították az ételek élettartamát. Ilyen például a liofilizálás(= fagyasztva szárítás) (1906), mélyfagyasztás (1920), előfőzött ételek fagyasztása (1939) és az italkoncentrátumok készítése (1946). A Liebig-féle húskivonat korabeli reklámplakátja

14 IV.3. Élelmiszer-előállítás, -kezelés, -biztonság
Élelmiszerbiztonság és minőség-ellenőrzés Bármelyik nyers mezőgazdasági termék vagy előkészített étel lehet szennyezett, fertőzött és hatással lehet az ember egészségére. Az étel szennyeződhet az előkészítés, főzés, felszolgálás és tárolás közben is. Az élelmiszerbiztonságot szolgálják azok a kémiai fejlesztések, melyek gyorstesztek kidolgozását célozzák. Általuk lehetővé válik az ételek mikrobiológiai fertőzöttségének gyors kimutatása, így pedig a járványszerű megbetegedések kialakulásának megelőzése és 1999 között az USA-ban 20%-kal csökkent a leggyakoribb élelmiszer okozta megbetegedések száma.

15 IV.4. Élelmiszerek tárolása
Élelmiszerek csomagolása Az élelmiszerek fém, üveg és kerámia csomagolása lehetővé tette az élelmiszerek tartósítását a feldolgozás, szállítás és eladás idejére egyaránt. Az amerikai Dow cég kémikusa, Ralph Wiley az 1930-as években találta fel az ipari Saran polimert (vinilidén-klorid és vinil-klorid kopolimerje). A háztartási Saran csomagolást - amit hazánkban folpack néven forgalmaznak ban vezették be, hogy tökéletes zárást jelentsen szélsőséges páratartalom és hőmérsékleti viszonyok között is. Más fejlesztések eredménye az alumínium dobozok alkalmazása ételek és italok tárolására (1960-as évek), majd az üveg és alumínium csomagolást újrahasznosítható PET-palackok (polietilén-tereftalát) váltották fel (1970-es évek).

16 IV.4. Élelmiszerek tárolása
A hűtőfolyadékok és a freonok A házi használatra szolgáló első, kompresszoros hűtőszekrény 1918-ban mutatkozott be. A hűtés gyökeresen megváltoztatta az élelmiszer-tartósítást, mivel biztosította, hogy a friss élelmiszereket biztonságosan lehessen szállítani és tárolni. Az 1920-as évek elején a hűtés még nem volt népszerű háztartási eljárás, mivel a kompresszoros hűtőkben hűtőfolyadékként alkalmazott kén-dioxid mérgezőnek bizonyult. A megoldás a freon-12 volt, egy halogénezett szénhidrogén-származék (CCl2F2), amit freonnak (CFC-nek) is neveznek. Thomas Midgley és Charles Kettering vezették be hűtőfolyadékként 1931-ben. A hűtőszekrények gyorsan népszerűekké váltak az otthonokban és az élelmiszerboltokban. A freon-12 használatát mára betiltották, mivel szerepet játszik a Föld ózonrétegének pusztulásában. A Kelvinátor cég háztartási hűtőgépe Egy XIX. századi jégszekrény

17 IV.4. Élelmiszerek tárolása
Mikrohullámú sütő A XX. században a háztartási berendezések sok időt megtakarítottak az ételkészítés mindennapos munkájából ben Percy L. Spencer egy működő radar állomás mellett állt Raytheonban, amikor a zsebében lévő táblás csokoládé elkezdett olvadni. Elragadtatottan megismételte a kísérletet pattogatott kukoricával és megszületett a mikrohullámú sütő ötlete. Ugyanabban az évtizedben üzemi konyhákban már elkezdték használni az első, akkor még igen nagy méretű, mikrohullámú sütőket, a Radarange-eket. Manapság még mindig a II. világháborús típusú mikrohullámú generátor, a magnetron alkotja e népszerű háztartási eszköz lelkét.

18 IV.4. Élelmiszerek tárolása
A tiszta víz A kémiai fejlesztések biztosították a biztonságos vízellátást: a baktériumoktól, vírusoktól és más ártalmas, fertőző anyagoktól mentes vizet. A víztisztítás technológiájában a következő fejlesztések történtek: aktív szenet használnak a rossz íz és szag eltüntetésére, vegyszereket a vízlágyításra és a nehézfémek eltávolítására. Modern technológiát alkalmaznak a vízkezelésre, -ellátásra és -elosztásra. A klóros fertőtlenítés a vízkezelésben már 1910-ben alkalmazásra került, majd háztartási fehérítőként 1913-ban mutatkozott be. A klórtartalmú fertőtlenítőszerek használata kiváló módszer lett a konyhai higiénia biztosításában, az élelmiszerek védelmében, továbbá az élelmiszerek okozta betegségek megelőzésében.

19 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Dr. Pavláth Attila kutatóprofesszornak (Western Regional Research Center, USDA, Albany, USA), az MTA külső tagjának, a Technological Milestones című kiállítás szellemi atyjának, az eredeti szöveg rendelkezésünkre bocsátásáért, a poszterek kinyomtatásáért és pártfogó segítségnyújtásáért. Az Amerikai Kémiai Társaság (ACS) minden tagjának és munkatársának, akik részt vettek a Technological Milestones című kiállítás összeállításában. A magyar szöveg szakmai lektorálásáért: Dr. Dézsi Lívia neurológus szakorvosnak, Dr. Hannus István egyetemi tanárnak (Szegedi Tudományegyetem, Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszék), Dr. Visy Csaba tanszékvezető egyetemi tanárnak (Szegedi Tudományegyetem, Fizikai Kémiai Tanszék).