A nitrogén megkötéseA 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 nitrát-ionok, 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.

A Haber- Bosch eljárásA 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. 1908-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. 1913-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.

A műtrágyák fejlődése1913-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 1965-ben 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.

Zöld Forradalom és hibridnövényekAz 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 az elérendő növényi beltartalmi 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 kezdetét 1943-ra teszik, Mexikó ugyanis ebben az évben vált önellátóvá búzatermelésben. Az ázsiai lakosság nagy részének élelmezésére már 1964-ben 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.

Fritz Haber

IV. MEZŐGAZDASÁG ÉS ÉLELMISZER-BIZTONSÁG

Gyökérgümők

Nitrogén-körforgás a természetben

IV. 1. Műtrágyák és tápoldatok

Légköri nitrogén(N2)

Növények

Nitrogénkötő baktériumok

a pillangósvirágúak gyökérgümőiben

Ammónium-ion(NH4

+)

4NH4NH4NH

Nitrit-ion(NO2

−)

Nitrát-ion(NO3

−)

Nitrogénkötő baktériumok a

talajban

Elhalt szerves anyagok lebontása

Ammonifikáció Nitrifikálás

Nitrifikálóbaktériumok

Asszimiláció Denitrifikálóbaktériumok

Nitrifikálóbaktériumok

Bordeaux-i eljárás és a gombaölő szerek1882-ben Pierre M. A. Millardet botanikus a francia szőlőkben a gombásodás elleni hatékony küzdelem során 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, majd 1996-ban a strobilurin gombaölő szereket.

Haszonállatok védelmeAz állatok betegségének gyógyszerekkel és oltással történő kezelése jelentősen javította az élelmiszer-ellátás minőségét és mennyiségét. 1881-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.

A gazdaság gépesítéseAz elmúlt több mint 100 évben a mezőgazdasági kémia és a gazdaság gépesítése együtt fejlődött, és jelentősen hozzájárult az agrárgazdaság hatékonyságának és 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, növényvédő szerek) hatékonyabban juttassák ki 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.

IV. MEZŐGAZDASÁG ÉS ÉLELMISZER-BIZTONSÁG

A DDT hatására elvékonyodott a

madarak tojásának héja

Louis Pasteur

Kombájn napjainkba

n

Holt traktora (1904)

A DDT-t malária ellen is használták

IV. 2. Terményvédelem és rovarirtás

DDT és a rovarirtó szerekA növényvédő szerek (peszticidek) megóvják a mezőgazdasági növényeket a gombáktól, rovaroktól és gyomoktól. 1939-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 kártételek ellen használták közel 20 éven keresztül. Az 1960-as években a közvélemény aggódott az emberi szervezetben felhalmozódó DDT egészségkárosító hatása miatt, továbbá kialakultak az ellenálló (rezisztens) rovarfajták is. 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 is kisebb mértékben terhelik.

A szacharin és a mesterséges édesítőszerekA 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.

Vitaminok és ásványi anyagokAz 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. 1913-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. 1928-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.

A konzerválás és gyártási fejlesztésekAz 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), mélyhűtés (1920), előfőzött ételek fagyasztása (1939) és az italkoncentrátumok készítése (1946).

Élelmiszer-biztonság és minőség-ellenőrzésBármelyik nyers mezőgazdasági termék vagy előkészített étel lehet szennyezett, fertőzött és így negatív hatással lehet az ember egészségére. Az étel szennyeződhet az előkészítés, főzés, felszolgálás és tárolás közben is. Az élelmiszer-biztonságot 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. 1997 és 1999 között az USA-ban 20%-kal csökkent a leggyakoribb élelmiszer okozta megbetegedések száma.

IV. MEZŐGAZDASÁG ÉS ÉLELMISZER-BIZTONSÁG

A Liebig-féle húskivonat korabeli reklámplakátja

IV. 3. Élelmiszer-előállítás, -kezelés, -biztonság

Az élelmiszerek csomagolásaAz 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 - 1953-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).

A hűtőfolyadékok és a freonokA 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.

Mikrohullámú sütő A XX. században a háztartási berendezések sok időt megtakarítottak az ételkészítés mindennapos munkájából. 1945-ben Percy L. Spencer egy működő radarállomás 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.

A tiszta vízA 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. A klórtartalmú fertőtlenítőszerek használata kiváló módszer lett a konyhai higiénia biztosításában, az élelmiszerek védelmében, továbbá az élelmiszerek okozta betegségek megelőzésében.

IV. MEZŐGAZDASÁG ÉS ÉLELMISZER-BIZTONSÁG

Jégszekrény az 1890-es évekből és egy mai

hűtőszekrény

A hipoklórossav molekulamodellje

IV. 4. Az élelmiszerek tárolása