IV. Tehnološki mejniki na področju hrane in poljedelstva Kemiki in kemijski inženirji so veliko prispevali k razvoju hrane in poljedelstva. S tem se je izboljšala pridelava, žetev in uživanje hrane bogate s hranilnimi snovmi. Konec 19. stoletja je bila običajna kuhinjska miza obložena s pridelki z domačega vrta in bližnjih kmetij, ročno vmešanim maslom, kokošjimi jajci iz kurnika, zelenjavo z vrta in mesom, ki je bilo shranjeno v ledenici ter skuhano na štedilniku, v katerem sta gorela premog ali les. Zadnje stoletje je prineslo velike spremembe na področju pridobivanja hrane in vode, kar jih je naredilo tudi bolj dostopne. Moderne kmetije uporabljajo nova kemijska odkritja (gnojila, pesticidi) za izboljšanje produktivnosti in zagotavljanje zadostne oskrbe s hrano. Z novimi tehnologijami, ki so ojačale okuse, polepšale videz in zagotovile razpoložljivost ter visoko vsebnost hranljivih snovi, so potrošniki veliko pridobili. Ti napredki v kemiji pomagajo nahraniti svetovno populacijo, ki vrtoglavo raste. IV.1. Gnojila in hranilne snovi v prsti Vezava dušika Haber-Boschev postopek Napredki pri kemijskih gnojilih Zelena revolucija in hibridne rastline IV.2. Zaščita pridelka in odpravljanje škodljivcev Bordojska metoda in fungicidi DDT in pesticidi Zaščita živine Kmetijska mehanizacija IV.3. Predelava hrane, rokovanje in varnost Saharin in sladila Vitamini in minerali Konzerviranje in razvoj predelave hrane Neoporečna hrana in kontrola kakovosti IV.4. Shranjevanje hrane Pakiranje prehrambenih izdelkov Sredstva za hlajenje in fluorokloroogljikovodiki Mikrovalovne pečice Čista voda Vsebina

IV. Tehnološki mejniki na področju hrane in poljedelstva Kronologija 1881 Francoski znanstvenik Louis Pasteur odkrije cepivo proti vraničnemu prisadu pri ovcah in prašičih. 1883 Danski kemik Johan Gustav Kjeldahl razvije postopek analize vsebnosti dušika v organskih materialih. 1884 Francoski botanik Pierre M. A. Millardet izumi Bordojsko metodo za boj proti peronospori vinske trte. 1901 Ustanovitelj podjetja Monsano Company John F. Quenny izdela saharin. 1913 Nemška znanstvenika Fritz Haber in Carl Bosch razvijeta proces produkcije amonijaka na industrijski ravni. 1913 Elmer V. McCollum in Marguerite David odkrijeta vitamin A v maslu in jajčnem rumenjaku. 1918 Podjetje Kelvinator lansira prvi kompresijski hladilnik za domačo uporabo. 1933 Pridelava in komercialna prodaja mleka z dodatkom vitamina D. 1939 Švicarski kemik Paul Mueller odkrije insekticidne lastnosti pesticida DDT. 1943 Kemiki z ameriškega Urada za poljedelstvo (USDA) razvijejo aerosolno razpršitev pesticidov in drugih kemikalij za uporabo v kmetijstvu. 1953 Podjetje Dow predstavi Saran PVC ovoj za domačo uporabo. 1964 Zelena revolucija: uporaba novih hibridnih rastlin in tekočih gnojil pomaga reševati problem pomanjkanja hrane v razvijajočem svetu. 1972 Prepovedana je uporaba pesticida DDT v Združenih državah Amerike (prva država, ki je prepovedala njegovo rabo je bila Madžarska leta 1968). 1974 Podjetje Monsanto predstavi neselektivni Roundup herbicid. 1990 Bogatenje hrane in nutriceutiki postanejo priljubljeni med potrošniki.

IV.1. Gnojila in hranilne snovi v prsti Vezava dušika Dušikov cikel Vezava dušika je glavni naravni proces, pri katerem mikroorganizmi pretvorijo sicer manj reaktiven dušik, v anorganske dušikove spojine, ki so prvotno prisotne kot organske dušikove spojine v prehranjevalni verigi. Razpoložljiv dušik v prsti (zlasti nitrati) ni zadosten za učinkovito produkcijo pridelka. Mnogi komercialni procesi so bili razviti z namenom, da ustvarijo dušikova gnojila, vključno z najbolj znano Haber-Boschovo metodo za sintezo amonijaka. Z razvojem Kjeldahlovega postopka (1956), s katerim so določali vrednosti prisotnega dušika v organskih spojinah, so dosegli tudi napredek pri razumevanju kemije prsti. Aparatura za določanje vsebnosti dušika v organskih materialih s Kjeldahlovo metodo

IV.1. Gnojila in hranilne snovi v prsti Haber- Boschev postopek Ob koncu 19. stoletja je omejena zaloga hrane hitro rastočega svetovnega prebivalstva vzbujala vse večje skrbi. Vsebnost dušika v zemlji je bila izčrpana in vprašanje industrijske podpore v dušikovih gnojilih je bilo nerešeno. Nekateri znanstveniki so napovedovali svetovno lakoto. Zato je bilo potrebno vzpostaviti produkcijo dušikovih spojin s pomočjo dušika iz zraka. Rešitev je prišla leta 1908 iz Nemčije, kjer je Fritz Haber odkril princip sinteze amonijaka iz dušika in vodika, s pomočjo vseh takrat razpoložljivih fizikalnih in kemijskih virov. Sinteza poteka s pomočjo katalizatorja iz železa pri visokih temperaturah in tlakih. Kemik Carl Bosch iz tovarne BASF (Badische Anilin- & Soda-Fabrik) je komercializiral proces z ustanovitvijo prve moderne industrijske proizvodnje v letu 1913. Ta industrijski proces je omogočal širitev poljedelstva in svetovne populacije v 20. stoletju. Fritz Haber

IV.1. Gnojila in hranilne snovi v prsti Napredki pri kemijskih gnojilih V letu 1913 se je začela proizvodnja sintetičnih gnojil na komercialni ravni in posledično se je povečal žetveni pridelek. Vse od takrat so prisotne inovacije v primarni produkciji kemijskih gnojil, vključno s prodajo granuliranih gnojil v 30. letih 20. stoletja in uvedbo sesupenzije gnojil na ameriškem trgu leta 1965. V 70. letih so bila granulirana gnojila izpopolnjena za domačo uporabo. Zadnje inovacije na tem področju vključujejo kapsule, ki omogočajo časovno kontrolirano sproščanje gnojila in s tem preprečujejo neželeno onesnaževanje okolja z gnojili.

IV.1. Gnojila in hranilne snovi v prsti Zelena revolucija in hibridne rastline Že od leta 1870 so razvite hibridne rastline z želenimi lastnostmi za povečanje proizvodnje in kakovosti hrane. Organski kemiki definirajo želene značilnosti rastlin in to kasneje uporabijo pri sintezi kakovostnih hibridnih rastlin ter s kemijskimi gnojili povečajo vezavo dušika. Omenjena odkritja so pripeljala do zelene revolucije, ki se je pričela leta 1943, ko je Mehika prvič postala samozadostna pri pridelavi žit. Do konca leta 1964 se je večina azijske populacije že prehranjevala z novimi hibridnimi rastlinami, pridelanimi na kemijsko izboljšani zemlji. Ameriški kmetje danes pridelujejo nove vrste hibridnih rastlin, kot sta koruza in krompir, ki iz svojih listov in stebel izločajo pesticide.

IV.2. Zaščita pridelka in odpravljanje škodljivcev Bordojska metoda in fungicidi Leta 1882 je francoski botanik Pierre M. A. Millardet uporabil vodno raztopino bakrovega sulfata in gašenega apna topljenega v vodi (Bordojska brozga) za uspešen boj proti peronospori v francoskih vinogradih. Z Bordojsko brozgo danes nadziramo število glivic, ki napadajo pridelke. Bordojska brozga je prvi fungicid, ki je bil na voljo v prosti prodaji in je spremenil pristop h kemijski zaščiti pridelkov. Z odkritjem ditiokarbamatnih (1934) in strobilurinskih fungicidov (1996) je kemija še močneje zaznamovala kmetijstvo. Pierre M. A. Millardet

IV.2. Zaščita pridelka in odpravljanje škodljivcev DDT in pesticidi Pesticidi ščitijo poljedelske pridelke pred škodljivci kot so glivice, insekti in druge rastline. Leta 1939 je Paul Mueller razvil cenovno dostopen insekticid DDT (diklorodifeniltrikloroetan) proti koloradskim hroščem in drugim insektom. DDT in podobni pesticidi so varovali rastline pred škodljivci več kot dvajset let. V 60. letih pa je splošna skrb za okolje zaradi škodljivih vplivov tega insekticida ter njegovega kopičenja v človeškem telesu in povečane odpornosti insektov pripeljala do razvoja novih pesticidov ter upada uporabe DDT-ja. Današnji insekticidi se uporabljajo v manjših odmerkih, omogočajo večjo varčnost in varnost ter so okolju bolj prijazni. DDT v boju z malarijo Stanjšanje jajčne lupine zaradi vpliva DDT-ja

IV.2. Zaščita pridelka in odpravljanje škodljivcev Zaščita živine Zdravljenje živali s cepljenjem ali zdravili je povečalo količino in kakovost zalog hrane. Leta 1881 je Louis Pasteur uspešno izpopolnil tehniko cepljenja živali proti organizmom, ki povzročajo vranični prisad. Sto let kasneje je bila predstavljena antiparazitska učinkovina ivermektin, ki se uporablja za boj proti pršicam, glistam in drugim zajedavcem. Številne raziskave se trenutno ukvarjajo s problemom bolezni norih krav (BSE, bovine spongiform encephalopathy), ki naj bi jo povzročali proteini v živalski krmi s prenašanjem povzročitelja okužbe. Louis Pasteur Pasteur pri cepljenju živali

IV.2. Zaščita pridelka in odpravljanje škodljivcev Kmetijska mehanizacija Kemija na področju kmetijstva in mehanizacija sta se v zadnjem stoletju sočasno razvijala zaradi potrebe po učinkovitih tehnologijah za razprševanje različnih kemikalij (gnojila, pesticidi) in vode na rastline. Tako sta se povečali tudi učinkovitost in produktivnost. Ameriški izumitelj Benjamin Holt je leta 1904 razvil traktor na dizelski pogon kot odgovor na potrebe po učinkovitejših tehnologijah za škropljenje s kemikalijami (gnojila, pesticidi) in vodo. Holtov traktor goseničar Današnji traktorji, kultivatorji, kombajni, namakalni sistemi, računalniško vodene tehnike in napredni GPS programi so posledica kemijskih inovacij na področju goriv, strukturnih materialov (kovinske zlitine in polimeri), gumarske industrije in računalništva.

IV.3. Predelava hrane, rokovanje in varnost Saharin in sladila Umetna sladila pomagajo sladkornim bolnikom in ljudem, ki skrbijo za svoje zdravje pri kontroliranem vnosu sladkorja. Leta 1901 je John. F. Quenny proizvedel umetno sladilo saharin. Kasneje, leta 1967 so pri proizvodnji koruznega sirupa z visoko vsebnostjo fruktoze začeli uporabljati specifičen encim za povečanje sladkorja v sirupu s 14 % na 42 %. Ta encim so v vlogi sladila začeli uporabljati skoraj vsi proizvajalci brezalkoholnih pijač. Aspartam, nizkokalorično sladilo, znano tudi pod imenom NutraSweet, so leta 1955 razvili kot potencialno učinkovino pri zdravljenju želodčnih razjed, kasneje (leta 1985) pa so ga začeli komercialno prodajati v ZDA. Prvotno pakiranje Saharina

IV.3. Predelava hrane, rokovanje in varnost Vitaminski aditivi Razumevanje prehrambene biokemije je z zagotavljanjem dodatkov za posebne dietetične potrebe in podhranjenost, ki je posledica pomanjkanja vitaminov, temeljito spremenila prehrambeni svet. Z odkritjem prvega vitamina je kemija zelo vplivala na področje prehrane. Leta 1913 je bil iz masla in jajčnih rumenjakov izoliran Vitamin A (beta-karoten), ki je glavni vir hranljivih snovi, ki jih potrebujemo za oster vid in zaščito povrhnjice. Njegovo strukturo so določili leta 1931, prvič pa so ga sintetizirali leta 1947. Madžarski biokemik Albert Szent-Györgyi je leta 1928 iz nadledvične žleze izoliral heksuronsko kislino (askorbinska kislina), ki je danes poznana pod imenom vitamin C. Leta 2001 so genetsko modificirani 'zlati riž‘ ('golden rice'), ki proizvaja provitamin A, začeli saditi v Azijo, da bi preprečili slepoto in druge bolezni, ki jih povzroča pomanjkanje hranilnih snovi.

IV.3. Predelava hrane, rokovanje in varnost Konzerviranje in razvoj predelave hrane Začetki prehrambene kemije segajo v sredino 19. stoletja, ko je Nemec Justin Liebig pripravil ekstrakt mesa. Prehrambena kemija je pripomogla k razvoju novih industrijskih procesov za obdelavo hrane. Napredek tehnik konzerviranja nam tako omogoča predelavo in shranjevanje živil. Nove tehnologije, kot so sušenje z zamrzovanjem (liofilizacija, 1906), globoko zamrzovanje (1920), predhodno prekuhavanje zamrznjene hrane (1939) in izdelovanje koncentratov iz tekočin (1946), podaljšujejo rok trajanja živil. Plakat za Liebig-ov mesni ekstrakt

IV.3. Predelava hrane, rokovanje in varnost Neoporečna hrana in testiranje Vsako živilo, surovo ali obdelano, se lahko okuži in škodljivo vpliva na človeško zdravje. Do kontaminacije živil lahko pride med pripravo, kuhanjem, postrežbo ali shranjevanjem hrane. Novo razvite kemijske testne metode, s katerimi zaznamo prisotnost mikrobov in prenašalcev epidemij, so pripomogle zagotoviti neoporečnost hrane. Bolezni, ki jih povzročajo patogeni v hrani, so se med letoma 1997 in 1999 v Ameriki zmanjšale za 20%.

Pakiranje prehrambenih izdelkov IV.4. Shranjevanje hrane Pakiranje prehrambenih izdelkov Pakiranje prehrambenih izdelkov hrane v plastično, kovinsko, stekleno in keramično embalažo pomaga pri varovanju hrane med prodajo, prevozom in pripravo. Ralf Wiley je v tridesetih letih izumil polimer saran, ki je bil v 1935-ih predstavljen javnosti kot PVC ovoj, ki omogoča dobro izolacijo pred kisikom, vlago, aromami in kemikalijami pri visokih vlažnostih in temperaturah. Saran ovoj je kopolimer vinilklorida in vinilidenklorida. Druge inovacije na tem področju vključujejo uporabo aluminijastih konzerv za embalažo hrane in pijače v šestdesetih letih ter recikliranega PET (polietilen tereftalat) materiala, ki lahko nadomesti steklo in aluminij v sedemdesetih letih.

IV.4. Shranjevanje hrane Sredstva za hlajenje in fluorokloroogljikovodiki Od leta 1918, odkar se v gospodinjstvih uporabljajo različne metode hlajenja hrane, se je izboljšala kakovost shranjevanja in transporta živil. V zgodnjih 20. letih so postali hladilniki nepriljubljeni zaradi razkritja, da je sredstvo za hlajenje (žveplov dioksid) strupeno. Rešitev se je ponudila v obliki Freona 12, fluorokloroogljikovodika (CFC ali CCl2F2), ki sta ga Thomas Midgley in Charles Kettering leta 1931 sintetizirala za namen ohlajevanja. Hladilniki so se hitro uveljavili v vsakdanji uporabi – v gospodinjstvih, restavracijah in trgovinah. Uporaba freona se sedaj opušča zaradi njegovega škodljivega vpliva na ozonsko plast. Ledenica (1890) in moderni hladilnik (1926)

IV.4. Shranjevanje hrane Mikrovalovne pečice Domači gospodinjski aparati 20. stoletja so pripomogli k hitrejši in preprostejši pripravi hrane. Izum, ki temelji na razvoju kemije, je tudi mikrovalovna pečica. Percy L. Spencer je leta 1945 stal nedaleč od delujočega radarskega oddajnika v podjetju Raytheon in opazil, da se je čokoladna tablica v njegovem žepu stopila. Navdušen nad odkritjem, je to preizkusil še s pokovko in tako se je rodila mikrovalovna pečica. Izdelek, ki ga je poimenoval Radarange je desetletje kasneje postal prva mikrovalovna pečica v industrijskih kuhinjah. Tudi danes predstavljajo mikrovalovni oddajniki (magnetroni), ki še vedno temeljijo na tehnologiji iz časa 2. svetovne vojne, ključni del te priljubljene naprave.

Molekula klorove(I) kisline IV.4. Shranjevanje hrane Čista voda Odkritja na področju kemije so zagotovila zaloge čiste vode, v kateri ni bakterij, virusov in drugih onesnaževalcev. Inovacije vključujejo uporabo ogljika za odstranjevanje neprijetnega okusa in vonja, dodatke za mehčanje vode in odstranjevanje težkih kovin ter moderne tehnologije za čiščenje, shranjevanje in distribucijo vode. Za dezinfekcijo vode so leta 1910 začeli uporabljati klor, leta 1913 pa belilo. Dezinfekcijska sredstva na osnovi klora še vedno učinkovito varujejo kuhinje in prehrambene obrate pred boleznimi, ki se prenašajo s hrano. Molekula klorove(I) kisline